Способ периодической эксплуатации скважины погружной насосной установкой с электроприводом Российский патент 2024 года по МПК E21B43/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано при эксплуатации низкодебитных скважин, оборудованных установками электроприводных центробежных насосов (УЭЦН), для повышения эффективности и надежности эксплуатации, в особенности при высокой пластовой температуре откачиваемой продукции, большой глубине разрабатываемых пластов и низком притоке пластовой жидкости.

Известно, что эксплуатация низкодебитных скважин УЭЦН в непрерывном режиме характеризуется повышенным износом рабочих органов, низким КПД центробежного насоса. Кроме того, при снижении дебита уменьшается интенсивность отвода тепла от узлов УЭЦН, что приводит к перегреву и выходу из строя погружного электродвигателя, рабочих узлов УЭЦН, кабельной линии. Для предотвращения указанных негативных последствий в низкодебитных скважинах используют периодический режим эксплуатации, при котором периоды откачки жидкости чередуются с периодами ее накопления в скважине.

Известен способ периодической эксплуатации нефтяной скважины погружной центробежной насосной установкой с регулируемым электроприводом, согласно которому откачку жидкости чередуют с накоплением жидкости в скважине при выключенной установке и регулируют сред неинтегральную во времени подачу установки для согласования с дебитом скважины (Патент РФ №2293176, кл. Б21В 43/00, опубл. 10.02.2007). При этом изменяют соотношения продолжительности откачки жидкости из скважины и продолжительности накопления жидкости в скважине. Продолжительность единичного цикла периодической эксплуатации скважины выбираю т таким образом, чтобы коэффициент снижения дебита по сравнению с непрерывной эксплуатацией скважины был более 0,95. Продолжительность включения установки, равную отношению продолжительности откачки жидкости из скважины к продолжительности периода эксплуатации скважины, устанавливают менее 50%. Работу установки осуществляют в кратковременном режиме или периодическом кратковременном режиме, при которых продолжительность работы установки при откачке жидкости из скважины не превышает продолжительности работы, необходимой для достижения теплового равновесия элементов установки с окружающей средой. Недостатком способа является возможность перегрева погружного электродвигателя (а также центробежного насоса и других рабочих узлов погружной установки) вследствие того, что температура погружного электродвигателя и обтекающего его флюида в периоде откачке превысит предельно допустимые значения. Это связано с тем, что в низкодебитных скважинах приток жидкости из пласта и соответственно скорость потока в обсадной колонне, омывающего погружной электродвигатель, недостаточны для охлаждения погружного электродвигателя. В результате повышается температура как погружного электродвигателя, так и омывающей его жидкости. Во-вторых, при низкой скорости потока режим течения жидкости в обсадной колонне соответствует ламинарному, в связи с чем интенсивность теплообмена между погружным электродвигателем и омывающей его жидкостью минимальна. Вследствие недостаточного теплоотвода от погружного электродвигателя и низкой скорости потока в обсадной колонне температура погружного электродвигателя и омывающей его жидкости в периоде откачки может достигать существенных значений, вплоть до перегрева и отказа погружного электродвигателя (а также центробежного насоса и других рабочих узлов погружной установки). Ситуация еще более усугубляется в скважинах, подверженных солеотложению на рабочих органах УЭЦН. Отложение солей на поверхности корпуса погружного электродвигателя приводит к дополнительному снижению интенсивности теплообмена между погружным электродвигателем и омывающей его жидкостью. Важно отметить и тот факт, что в условиях низкой скорости потока в обсадной колонне, омывающего погружной электродвигатель, предельно допустимая температура элементов установки может быть достигнута раньше, чем установится тепловое равновесие УЭЦН с окружающей средой, следовательно, недостижение теплового равновесия само по себе не гарантирует исключения предельно допустимых температур и перегрева рабочих узлов УЭЦН.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ периодической эксплуатации скважины УЭЦН с регулируемым электроприводом (патент РФ №2553744, Е21В 43/00, Е21В 47/00, опубл. 20.06.2015) при котором откачку жидкости из скважины чередуют с накоплением жидкости в скважине при выключенной установке, изменением частоты вращения вала регулируют среднюю во времени подачу установки с целью ее согласования с дебитом скважины. Подачу насоса в процессе откачки контролируют с помощью расположенного на его выходе погружного расходомера, откачку производят до достижения на приеме насоса заданного минимального давления, а накопление - до достижения максимального давления, при этом контроль за величиной давления осуществляют с помощью погружного датчика давления. Недостатком способа является отсутствие контроля теплового режима работы УЭЦН, в результате чего возможен перегрев погружного электродвигателя (а также центробежного насоса и других рабочих узлов погружной установки) вследствие того, что температура погружного электродвигателя и обтекающего его флюида в периоде откачке превысит предельно допустимые значения.

Технической проблемой изобретения является разработка способа периодической эксплуатации скважины погружной насосной установкой с электроприводом с достижением следующего технического результата: обеспечение эффективной и надежной эксплуатации установок электроприводных центробежных насосов в низкодебитных скважинах, в особенности при высокой пластовой температуре откачиваемой продукции, большой глубине разрабатываемых пластов.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ периодической эксплуатации скважины погружной насосной установкой с электроприводом, включающий чередование периодов откачки и накопления жидкости в скважине при выключенной установке, регулирование средней во времени подачи установки для согласования с дебитом скважины, подбор частоты вращения вала насоса, обеспечивающей максимальное значение КПД насоса во время откачки, контроль за величиной давления на приеме насоса с помощью погружного датчика давления, откачку жидкости до достижения на приеме насоса заданного минимального давления, отличающийся тем, что минимальное давление на приеме насоса в конце периода откачки устанавливают равным величине оптимального давления, при котором объемное содержание газа на приеме насоса не превышает предельно допустимого значения, согласование производительности насоса и дебита скважины производят регулированием соотношения между продолжительностью периодов откачки и накопления жидкости в скважине такого, что среднеинтегральная во времени производительность насоса составляет более 95% от величины стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме. При этом осуществляют контроль за температурой обмоток погружного электродвигателя и температурой жидкости на приеме насоса, а длительность периода откачки устанавливают максимальной, при которой температура обмоток погружного двигателя и температура жидкости на приеме насоса не превосходят предельно допустимых значений.

На фиг. 1 представлена динамика во времени температуры обмоток погружного двигателя, на фиг. 2 представлена динамика во времени температуры омывающей ПЭД жидкости на приеме насоса в процессе периодической эксплуатации скважины.

Суть способа заключается в том, что регулируют продолжительности периодов откачки и накопления жидкости таким образом, чтобы температура обмоток погружного электродвигателя и омывающей двигатель жидкости не превышала предельно допустимых значений, при этом одновременно обеспечиваются также условия максимизации депрессии на пласт и КПД центробежного насоса. Для этого УЭЦН оборудуется датчиками, измеряющими давление на приеме насоса, температуру обмоток ПЭД и температуру на приеме насоса. Данные датчики, входят, в частности, в термоманометрическую систему (ТМС) для контроля технического состояния УЭЦН и широко используются при эксплуатации УЭЦН в непрерывном режиме.

Исходными величинами, контролируемыми в процессе периодической эксплуатации, являются давление на приеме насоса температура обмоток ПЭД и температура жидкости на приеме насоса Условиями надежной работы УЭЦН являются:

- минимальное давление на приеме насоса в конце периода откачки соответствует оптимальному давлению на приеме при котором объемное содержание газа на приеме Г насоса не превышает предельно допустимого значения (традиционно в научной литературе используется значение Г=0.25);

- максимальная температура обмоток ПЭД и жидкости на приеме насоса не превышает предельно допустимых значений и соответственно.

Способ реализуется следующим образом: на первом этапе производят запуск УЭЦН и ее вывод на режим, в процессе которого давление на приеме насоса снижают до оптимального затем УЭЦН выключают. Дальнейшую эксплуатацию скважины ведут в периодическом режиме. Заявленный режим эксплуатации включает чередование периодов откачки жидкости из скважины и накопления жидкости в скважине при выключенной установке, причем давление на приеме насоса в конце периода откачки снижают вплоть до оптимального значения Частоту вращения вала насоса в периоде откачки выбирают таким образом, чтобы насос работал в режиме оптимальной подачи, при котором достигается его максимальный КПД.

Продолжительность периода откачки жидкости из скважины и продолжительность периода накопления жидкости выбирают из условия совместного выполнения следующих критериев:

1) продолжительность периодов откачки и накопления максимальна;

2) согласование производительности насоса и дебита скважины производится регулированием соотношения между продолжительностью периодов откачки и накопления жидкости в скважине, причем среднеинтегральная во времени производительность насоса

где - мгновенная подача насоса, - продолжительность периодов откачки и накопления соответственно (здесь индекс pump - откачка, асс (accumulation) - накопление жидкости)

максимально близка к величине стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме насоса (составляет не менее 95%).

где - приток жидкости из пласта как функция оптимального давления на приеме насоса перепада давления между насосом и пластом и коэффициента продуктивности пласта

3) в процессе периодической эксплуатации температура обмоток ПЭД и температура жидкости на приеме насоса не превосходят предельно допустимых значений

Условие максимизации продолжительности периодов откачки и накопления вводится для минимизации частоты пусков УЭЦН в периодическом режиме, поскольку частые пуски УЭЦН ведут к возникновению электрических, механических и гидравлических пусковых ударных нагрузок циклического характера, что приводит к снижению надежности и увеличивает риск преждевременных отказов рабочих узлов УЭЦН. Условие того, что среднеинтегральная во времени производительность насоса составляет не менее 0,95 (95%) от величины стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме насоса эквивалентно введению ограничений на снижение дебита по сравнению с непрерывным режимом эксплуатации не более 5%. Поскольку при периодическом режиме эксплуатации давление на приеме насоса непрерывно меняется, а его минимальное значение соответствует оптимальному давлению на приеме насоса среднеинтегральная во времени величина давления на приеме насоса априори превышает величину оптимального давления: следовательно, и среднеинтегральная во времени величина притока жидкости из пласта за цикл откачки численно равная (из условия баланса количества жидкости, поступившей в скважину, и откачиваемой насосом, за цикл периодической эксплуатации) среднеинтегральной во времени производительности насоса окажется меньше, чем величина стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме насоса

Наконец, условие недопущения превышения температуры обмоток ПЭД и температуры жидкости на приеме насоса предельно допустимых значений вводится для обеспечения надежной работы рабочих узлов УЭЦН, исключающей их перегрев.

Пример осуществления способа. Осуществлено математическое моделирование процесса добычи нефти для гипотетической скважины. Параметры работы скважины и УЭЦН: параметры погружного электродвигателя: мощность - 125 кВт, КПД электродвигателя 80%, внешний диаметр - 117 мм, длина - 5,5 м, предельно допустимая температура обмоток погружного электродвигателя - 160°С, предельно допустимая температура жидкости - 110°С, оптимальное давление на приеме насоса, при котором объемное содержание газа на приеме насоса не превышает предельно допустимого значения Г=0,25, 2 МПа, приток жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме (2 МПа) 30 м³/сут, температура жидкости, омывающей ПЭД, 90°С, обводненность жидкости 80%, теплопроводность воды, нефти, цементного кольца / горных пород 0,6, 0,2 и 1,2 Вт/(м⋅К) соответственно, плотность воды и нефти 1000 и 850 кг/м³ соответственно, удельная теплоемкость воды и нефти 4200 и 2000 Дж/(кг⋅К) соответственно, внутренний и внешний диаметр обсадной колонны 130 и 146 мм соответственно, внешний диаметр НКТ 73 мм.

На фиг. 1, 2 обозначено: 1 - период откачки накопления Подача насоса равна оптимальной величине 90 м³/сут, обеспечивающей максимальный КПД насоса, согласование производительности насоса и дебита скважины производится регулированием соотношения между продолжительностью периодов откачки и накопления жидкости в скважине, причем во всех трех режимах среднеинтегральная во времени производительность насоса составляет более 95% от величины стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме насоса соответственно снижение дебита по сравнению с непрерывным режимом эксплуатации для всех трех режимов составляет не более 5%. При этом с увеличением продолжительности периода откачки максимальная температура обмоток ПЭД и жидкости возрастает. При продолжительности периода откачки 10 мин максимальная температура обмоток ПЭД составляет более 160°С, что превышает предельно допустимую температуру. При продолжительности периода откачки 5 и 7,5 мин максимальная температура не превышает предельно допустимого значения. С целью минимизации частоты пусков УЭЦН длительность периода откачки выбирается максимальной (7,5 мин), соответствующая ей продолжительность периода накопления составляет 15 мин.

Предложенный способ добычи нефти позволяет повысить эффективность и надежность эксплутации низкодебитных добывающих скважин установками электроприводных центробежных насосов в периодическом режиме: регулировать давление на приеме насоса на оптимальном уровне, ограничивающем количество свободного газа на приеме, тем самым сохранять требуемый уровень жидкости над насосом, предотвращать риск возникновения срыва подачи, перегрева рабочих органов центробежного насоса, обеспечивать максимальный уровень КПД насоса и депрессии на пласт, а также оптимальный тепловой режим работы УЭЦН, при котором температура элементов установки не превышает предельно допустимых значений.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано при эксплуатации низкодебитных скважин, оборудованных установками электроприводных центробежных насосов. Способ периодической эксплуатации скважины погружной насосной установкой с электроприводом включает чередование периодов откачки и накопления жидкости в скважине при выключенной установке, регулирование средней во времени подачи установки для согласования с дебитом скважины, подбор частоты вращения вала насоса, обеспечивающей максимальное значение КПД насоса во время откачки, контроль за величиной давления на приеме насоса с помощью погружного датчика давления и откачку жидкости до достижения на приеме насоса заданного минимального давления. Согласование производительности насоса и дебита скважины производят регулированием соотношения между продолжительностью периодов откачки и накопления жидкости в скважине. При этом осуществляют контроль за температурой обмоток погружного электродвигателя и температурой жидкости на приеме насоса с помощью датчиков температуры, расположенных на установке электроприводного центробежного насоса. Длительность периода откачки устанавливают максимальной, при которой температура обмоток погружного электродвигателя и температура жидкости на приеме насоса не превосходят предельно допустимых значений. Обеспечивается повышение эффективности и надежности эксплуатации установок электроприводных центробежных насосов в низкодебитных скважинах. 2 ил.

Способ периодической эксплуатации скважины погружной насосной установкой с электроприводом, включающий чередование периодов откачки и накопления жидкости в скважине при выключенной установке, регулирование средней во времени подачи установки для согласования с дебитом скважины, подбор частоты вращения вала насоса, обеспечивающей максимальное значение КПД насоса во время откачки, контроль за величиной давления на приеме насоса с помощью погружного датчика давления, откачку жидкости до достижения на приеме насоса заданного минимального давления, отличающийся тем, что минимальное давление на приеме насоса в конце периода откачки устанавливают равным величине оптимального давления, при котором объемное содержание газа на приеме насоса не превышает предельно допустимого значения, согласование производительности насоса и дебита скважины производят регулированием соотношения между продолжительностью периодов откачки и накопления жидкости в скважине так, что среднеинтегральная во времени производительность насоса составляет более 95% от величины стационарного притока жидкости из пласта при оптимальном давлении на приеме насоса, при этом осуществляют контроль за температурой обмоток погружного электродвигателя и температурой жидкости на приеме насоса с помощью датчиков температуры, расположенных на установке электроприводного центробежного насоса, длительность периода откачки устанавливают максимальной, при которой температура обмоток погружного электродвигателя и температура жидкости на приеме насоса не превосходят предельно допустимых значений.