Мобильный комплекс для закачки диоксида углерода в скважину Российский патент 2024 года по МПК E21B43/16 

Изобретение относится к области добычи трудно извлекаемых запасов нефти, газа и газового конденсата с помощью закачки в пласт диоксида углерода и может быть использовано для проведения работ по интенсификации притока пластовых флюидов к забою скважин в газодобывающей и нефтедобывающей промышленности.

Дебит нефтяных и газовых скважин уменьшается по мере снижения пластового давления и истощения месторождений. Для поддержания продуктивности пласта в призабойную зону скважин закачивают различные вещества (воду, природный газ, воздух, диоксид углерода) с целью повышения пластового давления. Для этого часть добывающих скважин переводят в разряд нагнетательных. Наиболее эффективна закачка диоксида углерода в сверхкритическом состоянии, поскольку при этом диоксид углерода действует как растворитель высокомолекулярных нефтяных отложений, резко снижая их вязкость и повышая их подвижность. Обработка пласта диоксидом углерода состоит из трех этапов: закачки диоксида углерода в скважину, выдерживания скважины на пропитке от нескольких дней до 3-4 месяцев и освоения скважины с выводом ее на оптимальный режим работы. В связи с большим разбросом скважин по территории месторождения, целесообразно проводить обработку низкодебитных скважин диоксидом углерода с помощью мобильного комплекса по закачке диоксида углерода.

Известен мобильный комплекс для закачки жидкого диоксида углерода в нефтедобывающую скважину, включающий устройство приема и хранения жидкого диоксида углерода, которое содержит термостатируемую емкость, контур обратной связи, испаритель, вспомогательный насос и насос высокого давления, при этом содержит систему автоматического контроля и управления давлением в термостатируемой емкости, систему автоматического контроля и управления давлением и температурой в линии нагнетания жидкого диоксида углерода, автоматические клапаны с электрическими приводами для регулирования потока жидкого диоксида углерода в контуре обратной связи и в линии высокого давления, а также устройство нагрева жидкого диоксида углерода, размещенное в стволе скважины и обеспечивающее автоматический контроль и поддерживание температуры рабочего агента на забое не менее критической температуры диоксида углерода Т_кр=31,1°С, причем для обеспечения в стволе скважины и далее в пласте сверхкритического состояния диоксида углерода для добычи высоковязкой нефти, закачку жидкого диоксида углерода проводят при температуре не менее Т_кр=31,1°С и давлении не менее Р_кр=7,38 МПа, при этом мобильный комплекс дополнительно включает независимую линию закачки в добывающую скважину оторочек жидкой смеси: композиции «Дельта АСПГО» и диметилкарбоната, закачиваемых до и после закачки жидкого диоксида углерода, причем оторочки вышеуказанной смеси закачивают с независимой мобильной установки типа ЦА-320, снабженной смесителем компонентов с помощью центробежного насоса и насосом высокого давления до 20 МПа (патент на изобретение RU 2677524, МПКЕ21 В 43/16, С09К 8/594, заявлен 15.11.2017 г., опубликован 17.01.2019 г. ). Недостатками данного изобретения являются:

• размещение нагревателя-кабеля в стволе скважины препятствует прокачке диоксида углерода, создавая дополнительное гидравлическое сопротивление;

• необходимо наличие внешнего мощного источника электроэнергии напряжением 380 В и создание цепи для обеспечения тепловыделения в кабеле;

• при глубине скважины и кабеля марки АВВГнг - 3×95 мм, например, 1000 м тепловыделение кабеля составит 17,4 КВт, что существенно меньше необходимого, и, кроме того, тепловыделение кабеля пропорционально его длине, тогда как теплопотребление диоксида углерода пропорционально расходу;

• избыточная сложность системы компенсации давления в емкости приема и хранения жидкого диоксида углерода при отборе из нее жидкости, содержащую вспомогательный насос и систему автоматического контроля и управления давлением в термостатируемой емкости.

Известен также являющийся прототипом мобильный комплекс для закачки жидкого диоксида углерода в нефтедобывающую скважину, включающий терморегулируемую автомобильную цистерну с жидким диоксидом углерода, плунжерный насос высокого давления и систему автоматического контроля и управления давлением и температурой в линии нагнетания жидкого диоксида углерода, при этом терморегулируемая автомобильная цистерна выполнена с возможностью закачивания жидкого диоксида углерода с помощью плунжерного насоса высокого давления, приводом которого является дизельный генератор, выполненный с возможностью поступления его выхлопных газов в теплообменник и прогревания в нем выхлопными газами жидкого диоксида углерода до 50-90°С в линии нагнетания, а плунжерный насос высокого давления обеспечивает закачку рабочего агента в линии при давлении 10-30 МПа, и который снабжен пультом автоматического управления процессом закачки, при этом, при закачке рабочего агента с терморегулируемой автомобильной цистерны жидкий диоксид углерода при достижении критического давления диоксида углерода Р_кр=7,38 МПа и критической температуры Т_кр⁼31,1°С переходит в состояние сверхкритического флюида в линии высокого давления, а давление закачки диоксида углерода Р_закCO2 находится в диапазоне: больше давления критического Р_кр=7,38 МПа, но меньше давления разрыва пласта, но не более 0,75Р_разр пл., а также мобильный комплекс дополнительно включает независимую мобильную установку типа ЦА-320, снабженную смесителем компонентов с помощью центробежного насоса и насосом высокого давления до 20 МПа, выполненную с возможностью закачивания по независимой линии закачки в добывающую скважину оторочек компонентов или их смесей

(патент на изобретение RU 2728295, МПК Е21В 43/16, заявлен 20.02.2020 г, опубликован 29.07.2020 г. ). Недостатками данного изобретения являются:

• использование энергии выхлопных газов двигателя для нагрева закачиваемого в скважину диоксида углерода, так как это потребует больший расход топлива для двигателя, чем требовалось бы только для обеспечения работы насосов и освещения;

• излишнее упрощение системы отбора жидкого диоксида углерода из термостатированной емкости, в результате чего будет происходить вскипание жидкого диоксида углерода на приеме насоса, что может вызвать кавитацию и поломку оборудования;

• для контроля и управления работой мобильного комплекса требуется присутствие оператора рядом с работающими агрегатами, что создает для них не лучшие условия труда;

• в состав мобильного комплекса не входят средства освещения рабочих мест и всей рабочей площадки в темное время суток, что требует либо прекращения работ на это время, либо дополнительных средств обеспечения освещения;

• мобильный комплекс не содержит оборудование, позволяющее накапливать и сохранять информацию, а также обеспечивающее связь для передачи ее в общий управляющий всеми работами на месторождении центр.

В ходе разработки заявляемого изобретения была поставлена задача совершенствования узлов мобильного комплекса для снижения энергозатрат на процесс закачки диоксида углерода в скважину с необходимыми давлением и температурой, обеспечению надежности и стабильности работы комплекса, по информационному обеспечению работ на скважинной площадке.

Поставленная задача решается за счет того, что мобильный комплекс для закачки диоксида углерода в скважину месторождения углеводородов, включающий станцию приема и хранения жидкого диоксида углерода, состоящую из термостатируемой автомобильной цистерны, оборудованной устройствами для слива жидкого диоксида углерода, насосную станцию, включающую дизельную электростанцию, являющейся источником электроэнергии для работы мобильного комплекса, плунжерные насосы высокого давления, теплообменник для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода до температуры 20-90°С и линию нагнетания нагретого диоксида углерода в скважину, на которой установлен клапан-регулятор, при этом мобильный комплекс дополнительно включает операторную станцию, связанную с мобильным комплексом линией электроснабжения для осуществления контроля и управления автоматизированным контролем закачки диоксида углерода в скважину, и котел, работающий на дизельном топливе, подаваемом через линию трубопроводов от топливной емкости, нагревающий теплоноситель, соединенный с теплообменником для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода, на линии всасывания плунжерных насосов устанавливают отвод для части жидкого диоксида углерода и электрический газификатор, в котором эта часть жидкого диоксида углерода испаряют и направляют обратно в виде газа в емкость станции приема и хранения жидкого диоксида углерода, при этом станция приема и хранения жидкого диоксида углерода через линию нагнетания соединена с входом плунжерных насосов, а линия на выходе соединена с баллонами азота, плунжерные насосы через линию нагнетания соединены с теплообменником, при этом теплообменник через линию нагнетания соединен с клапан регулятором, а ось всасывания плунжерных насосов расположена не менее чем на 1 м ниже минимального уровня жидкого диоксида углерода в термостатируемой автомобильной цистерне.

Целесообразно, линию нагнетания плунжерных насосов соединять с линией подачи сжатого азота, перед пуском плунжерных насосов. В момент пуска плунжерных насосов, подающих холодный жидкий диоксид углерода в разогретый теплообменник, возможно резкое повышение давления за счет вскипания диоксида углерода, что может привести к разрушению теплообменника. Для предотвращения такого эффекта необходимо перед пуском плунжерных насосов заполнить теплообменник и линию нагнетания в скважину газом, например, азотом, до давления, при котором открывают клапан-регулятор для сброса избытков газа в скважину. При этом, превышение давления в теплообменнике будет сразу сброшено в скважину и перегрузки теплообменника по давлению не произойдет.

Во включаемой в состав комплекса операторной станции, из которой осуществляют контроль и управление работой всего комплекса, аккумулируют всю информацию о работе комплекса и обеспечивают связь и обмен информацией с общим центром управления работой всех аналогичных объектов месторождения. Кроме того, в составе операторной станции присутствует бытовая зона для отдыха и приема пищи персонала.

Нагрев сжатого жидкого диоксида углерода обеспечивают с помощью теплообменника, при этом теплоноситель нагревают водогрейным котлом, работающем на дизельном топливе, который установлен в блоке насосной станции. Преимущество данного способа нагрева, по сравнению с нагревом выхлопными газами от работающего дизельного генератора, обеспечивающего энергией работу мобильного комплекса в прототипе, заключается в том, что количество тепла, содержащееся в выхлопных газах дизельного агрегата, работающего на обеспечение закачки, недостаточно для нагрева количества закачиваемого диоксида углерода до требуемых температур.

При отборе жидкости из термостатированной емкости необходимо компенсировать отобранный объем: для предотвращения снижения давления в емкости, вскипания жидкого диоксида углерода и образования газовой фазы на входе в плунжерные насосы. Задачу решают путем компенсации отобранного объема жидкости из емкости за счет испарения части жидкого диоксида углерода и возврата этого газа в емкость станции приема и хранения жидкого диоксида углерода, а также за счет расположения оси всасывания плунжерных насосов не менее чем на 1 м ниже минимального уровня жидкого диоксида углерода в емкости (создание кавитационного запаса). Тем самым предотвращают вскипание жидкого диоксида углерода на входе в насосы.

При работе насосной станции возникают вибрации и шум, что в значительной степени ухудшает условия работы обслуживающего персонала. Согласно требованиям безопасности, размещение оборудования на скважинной площадке, станция приема и хранения диоксида углерода, и насосная станция не должны находится ближе 10 м, а блок, где постоянно находятся люди (в данном случае, операторная станция) не ближе 30 м от устья скважины. Данные меры позволяют защитить обслуживающий персонал от воздействия вибрации, шума и вредных веществ.

Операторную станцию оборудуют рабочим и бытовым отсеками. В рабочем отсеке размещают рабочие места операторов, оборудованные средствами для сбора, хранения и передачи информации, а также приборами, которые позволяют контролировать и управлять процессами, происходящими на станции приема и хранения, в насосной станции и на рабочей площадке в целом. В бытовом отсеке размещены места для отдыха и приема пищи персоналом, что позволяет обеспечить круглосуточный непрерывный процесс закачки диоксида углерода в скважину.

Полезно операторную станцию размещать в отдельном блоке на безопасном расстоянии от скважины.

Целесообразно в рабочем отсеке операторной станции, на рабочей площадке и в каждом составляющем комплекс элементе, установить видеокамеры с микрофонами, что с учетом поступающей на рабочие места операторов информацией от датчиков, установленных на оборудовании мобильного комплекса, позволяет вести контроль и управление работой комплекса, а также собирать и фиксировать всю визуальную и акустическую информацию о работе комплекса, и о ситуации на рабочей площадке в постоянном режиме. Улучшение и безопасность условий труда обеспечивается освещением рабочих мест и освещением всей рабочей площадки.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема одного из возможных вариантов мобильного комплекса для закачки диоксида углерода в скважину с использованием следующих обозначений:

1-22 - трубопроводы;

23 - линия электроснабжения;

24-25 - линии связи с операторной станцией;

100 - станция приема и хранения жидкого диоксида углерода;

110 - термостатируемая автомобильная цистерна;

120 - электрический газификатор;

130 - плунжерные насосы;

140 - теплообменник;

150 - котел;

160 - клапан-регулятор;

170-180 - расходомер;

190 - дизельная электростанция;

200 - топливная емкость;

210 - баллоны с азотом;

220 - операторная станция;

230 - скважина;

240 - насосная станция.

Мобильный комплекс для закачки диоксида углерода в скважину размещают на трейлерных платформах, которые обеспечивают перемещение комплекса между обслуживаемыми скважинами.

Мобильный комплекс обеспечивают постоянным подвозом жидкого диоксида углерода по трубопроводу 1, термостатируемыми автомобильными цистернами 110 и его сливом в станцию приема и хранения жидкого диоксида углерода 100 по трубопроводу 2.

Из станции приема и хранения жидкого диоксида углерода 100 жидкий диоксид углерода с температурой минус 25-35°С и давлением до 2,0 МПа поступает по трубопроводам 3-6 на вход плунжерных насосов 130 для повышения давления жидкого диоксида углерода до уровня, необходимого для конкретной скважины.

Перед подачей в плунжерные насосы 130 часть жидкого диоксида углерода поступает в электрический газификатор 120 по трубопроводу 10. Жидкий диоксид углерода испаряют и возвращают в виде газа по трубопроводу 11 в емкость (не показана) станции приема и хранения жидкого диоксида углерода 100 для компенсации отобранного объема жидкости.

В момент пуска плунжерных насосов 130 перед началом работы теплообменника 140 подают азот по трубопроводу 19 из баллонов с азотом 210 для предотвращения резкого повышения давления в теплообменнике 140, при котором открывают клапан-регулятор 160, через который производят закачку в скважину 230.

После плунжерных насосов 130 жидкий диоксид углерода поступает по трубопроводам 7-9 и 13 с отрицательной температурой в теплообменник 140. После теплообменника 140 нагретый диоксид углерода, имеющий температуру 20-90°С, поступает по трубопроводу 14 на клапан-регулятор 160 для дросселирования до устьевого давления на скважине 230 и далее поступает в скважину 230 по трубопроводам 15-16. Расход диоксида углерода определяется расходомерами 170 и 180.

Насосная станция 240 включает разнообразное оборудование 120-210. В насосной станции предусмотрена энергетическая секция, оборудование, которой производит тепловую и электрическую энергии, для обеспечения работы всего комплекса, что делает его энергонезависимым. Эта секция включает котел 150, который работает на дизельном топливе, и дизельную электростанцию 190, которая вырабатывает электроэнергию.

Из котла 150 по трубопроводу 18 подают диоксид углерода, который проходит через теплообменник 140. Нагретый диоксид углерода поступает обратно в котел 150 по трубопроводу 17, откуда выводят продукты сгорания по трубопроводу 22.

Подачу топлива осуществляют из топливной емкости 200 по трубопроводам 21 и 12 в котел 150 и на дизельную электростанцию 190, соответственно. Из дизельной электростанции 190 выводят выхлопные газы по трубопроводу 20.

В состав комплекса входит операторная станция 220, связанная с мобильным комплексом линией электроснабжения 23, для осуществления персоналом контроля и управления автоматизированным процессом закачки диоксида углерода в скважину 230. Информация о работе мобильного комплекса, в том числе видеоинформация, поступает по линиям связи 24-25 в операторную станцию 220 для обработки, хранения и передачи управляющих сигналов на работающее оборудование.

На фигурах 2-4 приведены результаты расчетов для обоснования эффективности заявляемого изобретения.

Для оценки эффективности работы мобильного комплекса был выполнен ряд технико-экономических расчетов.

Пример 1. Определена величина энергозатрат, необходимых для функционирования мобильного комплекса. Величина теплоподвода Q₁ для нагрева жидкого углерода, отбираемого из станции приема и хранения при температуре минус 24°С и нагреваемого до плюс 40°С при давлении 12,0 МПа в теплообменном аппарате с последующей закачкой в скважину при различных расходах потока пропорциональна расходу и составляет:

Q₁=39180 g (ккал/ч)=45,5 g (кВт),

где g - расход диоксида углерода, т/ч.

Кроме затрат тепловой энергии для нагревания диоксида углерода, на скважинной площадке требуется электроэнергия Q₂ для освещения, работы приборов и бытовых нужд, составляющая в среднем 30 кВт, рассматриваемая как постоянная величина, а также Q₃ для закачки диоксида углерода в скважину и затрачиваемая на питание электроприводных плунжерных насосов, рассматриваемая как переменная величина. На сжатие 1 т/час диоксида углерода от давления 2,0 МПа до 12,0 МПа для подачи в скважину требуется электрическая мощность 4 кВт, пропорционально возрастающая при увеличении расхода диоксида углерода. Зависимость расхода энергозатрат в характерном диапазоне расходов диоксида углерода приведена на фигуре 2. Таким образом, суммарные затраты энергии, например, при подаче диоксида углерода на уровне 5 т/ч составят 227,5 кВт (45,5*5+30+4*5).

Пример 2. На основании данных примера 1 рассчитана мощность генератора дизельной электростанции мобильного комплекса, обеспечивающего в соответствии с прототипом потребность мобильного комплекса в электроэнергии для питания электроприводных плунжерных насосов, освещения, работы приборов, бытовых нужд и работы теплообменника для нагрева диоксида углерода от минус 24°С до плюс 40°С при давлении 12,0 МПа за счет тепла выхлопных газов двигателя дизельной электростанции. Зависимость энергии выхлопных газов двигателя от активной мощности генератора приведена на фигуре 3.

Пример 3. Рассчитаны расходы дизельного топлива, необходимые для формирования теплоносителя, подаваемого в теплообменник для нагрева диоксида углерода от минус 24°С до плюс 40°С при давлении 12,0 МПа при двух вариантах работы мобильного комплекса:

а) теплоносителем по прототипу являются выхлопные газы двигателя дизельной электростанции с температурой 450-600°С, поступающие непосредственно в межтрубное пространство теплообменника;

б) теплоносителем по заявляемому изобретению является вода или антифриз с температурой 95-115°С, нагреваемый в котле за счет непосредственного сгорания дизельного топлива в топке котла.

Как следует из результатов расчетов зависимости расхода дизельного топлива от расхода закачиваемого в скважину диоксида углерода, приведенных на фигуре 4, при расходе диоксида углерода, нагреваемого в теплообменнике и закачиваемого в скважину более 1,1 т/ч, количество дизельного топлива, необходимого для обеспечения работы теплообменника по заявляемому изобретению, ниже, чем в прототипе. Например, при работе мобильного комплекса по закачке жидкого диоксида углерода в скважину в течение 10 суток (240 часов) с расходом 2 т/ч заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет сэкономить 3120 л дизельного топлива.

Допуская, что при работе мобильного комплекса переезд комплекса с одной скважины на другую с учетом вспомогательных операций займет двое суток, в течение года мобильный комплекс сможет обработать 30 скважин, при этом будет сэкономлено 93600 л (80,5 т) дизельного топлива на сумму 6 млн руб./год при оптовой цене Лукойл 74800 руб./т.

Таким образом, заявляемое изобретение решает задачу совершенствования узлов мобильного комплекса для снижения энергозатрат на обеспечение процесса закачки диоксида углерода в скважину с необходимой температурой, обеспечение надежности и стабильности их работы, позволяет получить существенный экономический эффект за счет снижения расхода дизельного топлива.

Изобретение относится к мобильному комплексу для закачки диоксида углерода в скважину месторождения углеводородов. Техническим результатом является совершенствование узлов мобильного комплекса для снижения энергозатрат и обеспечение надежности и стабильности мобильного комплекса. Мобильный комплекс включает станцию приема и хранения жидкого диоксида углерода, состоящую из термостатируемой автомобильной цистерны, оборудованной устройствами для слива жидкого диоксида углерода. Также комплекс включает насосную станцию. Также включает плунжерные насосы высокого давления и теплообменник для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода до температуры 20-90°С и линию нагнетания нагретого диоксида углерода в скважину, на которой установлен клапан-регулятор. Мобильный комплекс дополнительно включает операторную станцию, связанную с мобильным комплексом линией электроснабжения. Также включает котел, работающий на дизельном топливе, подаваемом через линию трубопроводов от топливной емкости. Также включает нагревающий теплоноситель, соединенный с теплообменником для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода. На линии всасывания плунжерных насосов устанавливают отвод для части жидкого диоксида углерода и электрический газификатор. В электрическом газификаторе часть жидкого диоксида углерода испаряют и направляют обратно в виде газа в емкость станции приема и хранения жидкого диоксида углерода. Станция приема и хранения жидкого диоксида углерода через линию нагнетания соединена с входом плунжерных насосов. Линия на выходе соединена с баллонами азота. Плунжерные насосы через линию нагнетания соединены с теплообменником. Теплообменник через линию нагнетания соединен с клапаном-регулятором. Ось всасывания плунжерных насосов расположена не менее чем на 1 м ниже минимального уровня жидкого диоксида углерода в термостатируемой автомобильной цистерне. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мобильный комплекс для закачки диоксида углерода в скважину месторождения углеводородов, включающий станцию приема и хранения жидкого диоксида углерода, состоящую из термостатируемой автомобильной цистерны, оборудованной устройствами для слива жидкого диоксида углерода, насосную станцию, включающую дизельную электростанцию, являющуюся источником электроэнергии для работы мобильного комплекса, плунжерные насосы высокого давления, теплообменник для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода до температуры 20-90°С и линию нагнетания нагретого диоксида углерода в скважину, на которой установлен клапан-регулятор, отличающийся тем, что мобильный комплекс дополнительно включает операторную станцию, связанную с мобильным комплексом линией электроснабжения для осуществления контроля и управления автоматизированным контролем закачки диоксида углерода в скважину, и котел, работающий на дизельном топливе, подаваемом через линию трубопроводов от топливной емкости, нагревающий теплоноситель, соединенный с теплообменником для нагрева находящегося под высоким давлением жидкого диоксида углерода, на линии всасывания плунжерных насосов устанавливают отвод для части жидкого диоксида углерода и электрический газификатор, в котором эту часть жидкого диоксида углерода испаряют и направляют обратно в виде газа в емкость станции приема и хранения жидкого диоксида углерода, при этом станция приема и хранения жидкого диоксида углерода через линию нагнетания соединена с входом плунжерных насосов, а линия на выходе соединена с баллонами азота, плунжерные насосы через линию нагнетания соединены с теплообменником, при этом теплообменник через линию нагнетания соединен с клапаном-регулятором, а ось всасывания плунжерных насосов расположена не менее чем на 1 м ниже минимального уровня жидкого диоксида углерода в термостатируемой автомобильной цистерне.

2. Мобильный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что операторную станцию оборудуют рабочим и бытовым отсеками.

3. Мобильный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что операторную станцию размещают в отдельном блоке на безопасном расстоянии от скважины.

4. Мобильный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в рабочем отсеке операторной станции, на рабочей площадке и в каждом составляющем комплекс элементе, устанавливают видеокамеры с микрофонами и обеспечивают освещение рабочих мест и всей рабочей площадки.