Способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры Российский патент 2025 года по МПК E21B37/00 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к методам и средствам борьбы с газогидратными отложениями, образующимися при добыче нефти и газа, и может быть использовано как для предупреждения образования газовых гидратов, так и ликвидации образовавшихся гидратов в элементах устьевой фонтанной арматуры, по которым нефть и газ поступают в выкидную линию.

По причине того, что в природном газе и нефти присутствуют соединения, образующие при определенных термобарических условиях в присутствии воды газовые гидраты, которые, являясь твердыми кристаллическими веществами, отлагаются на стенках труб и оборудовании, резко уменьшается пропускная способность добывающих скважин и технологических трубопроводов вплоть до полной закупорки проходных каналов и остановки процесса добычи.

Образование гидратов в стволе наблюдается как в газовых, так и нефтяных скважинах. Техногенные газовые гидраты в системах добычи, сбора, промысловой подготовки и транспортировки газа являются достаточно типичным технологическим осложнением, особенно для условий северных месторождений. В связи с этим при эксплуатации месторождений необходимо предусматривать мероприятия по борьбе с гидратами, так как образовавшиеся гидраты могут закупоривать скважины, газопроводы, сепараторы, нарушать работу измерительных и регулирующих приборов. При этом часто вследствие образования гидратов выходят из строя штуцеры и регуляторы давления, дросселирование газа в которых сопровождается резким понижением температуры. Это нарушает нормальную работу нефтегазопромыслового оборудования (https://cyberleninka.ru/article/n/gidratoobrazovanie-v-neftegazovoy-otrasli-i-metody-borby-s-nim, дата просмотра 25.07.2023).

Одной из ключевых проблем при эксплуатации нефтяных и газовых скважин, осложнённых образованием газогидратных отложений, является засорение газогидратами элементов устьевой фонтанной арматуры, по которым нефть и газ поступают в выкидную линию, что в значительной степени затрудняет добычу нефти и газа вплоть до полного прекращения работы скважины. В наибольшей степени засорению газогидратами из-за конструктивных и функциональных особенностей подвергается штуцер дискретный регулируемый, предназначенный для регулирования расхода среды, в результате чего полезное сечение штуцера дискретного регулируемого уменьшается, дебит падает, и без принятия определенных мер штуцер дискретный регулируемый засоряется полностью.

Из уровня техники известен ряд методов и средств, используемых для борьбы с газогидратными отложениями в скважинах, главным образом в стволах, часть из которых в отдельности или в комплексе может применяться непосредственно для борьбы с газогидратными отложениями в элементах устьевой фонтанной арматуры, в том числе в штуцере дискретном регулируемом. Известные средства борьбы с газогидратами, используемые или для предотвращения образования газогидратных отложений, или для их ликвидации, сводятся в основном к применению тепловых, механических, химических и термомеханических методов.

Реализация тепловых методов в борьбе с газогидратными отложениями, в том числе в элементах фонтанной арматуры осуществляется с помощью нагревательных средств, как встраиваемых в местах засорения газогидратами, так и применяемых для наружного обогрева или подачи горячего агента непосредственно на гидратную пробку.

Известны технические решения, предназначенные для защиты и надежной работы устьевой фонтанной арматуры нефтяных и газовых скважин за счет обогрева, например, обратного клапана индукционным способом при использовании индуктора, помещенного в корпус обогревателя, рабочая поверхность которого с одной стороны выполнена по форме обогреваемого участка арматуры (Патент РФ №158219 U1, дата приоритета 27.03.2015, опубл. 27.12.2015).

Известен также обратный клапан с точечным обогревом для устьевой арматуры, содержащий картрижный обогреватель, встроенный в конструкцию и являющийся частью запорного механизма (Патент РФ №190878 U1, дата приоритета 27.02.2019, опубл. 16.07.2019, авторы: Илюшин П.Ю и др., RU).

Известен обогреватель затрубной линии нефтяной скважины, включающий емкость овальной формы, заполненную незамерзающей жидкостью и закрепленную к затрубной линии посредством хомута, при этом в емкости установлены трубчатые электронагреватели, соединенные с терморегулятором (Патент РФ №2382874 С1, дата приоритета 24.11.2008, опубл. 27.02.2010, авторы: Мисник В.Н. и др., RU).

Общими недостатками известных технических решений являются высокие энергетические затраты и конструктивная сложность используемых для нагрева средств, которые, в том числе могли бы быть применены для очистки от газогидратов методом теплового нагрева штуцера дискретного регулируемого, подвижность элементов которого особенно важна, во-первых, для выполнения основной функции, заключающейся в регулировании проходного сечения штуцера, во-вторых, для разрушения гидратной пробки путем резкого одностороннего снижения давления, или снижения давления с обеих сторон гидратной пробки и осуществления продувки.

К тепловым методам борьбы с газогидратами, используемым на практике, также относится прогрев штуцера дискретного регулируемого водяным паром с помощью передвижной парогенераторной установки (ППУ) или горячей нефтью с помощью агрегата депарафинизации передвижного модернизированного (АДПМ). При этом обработка горячей нефтью малоэффективна ввиду того, что нефть имеет малую теплоемкость, быстро остывает, кроме того, требуется привлечение специализированного автотранспорта (автоцистерн) для подвоза нефти, подаваемой на обработку, и привлечение объёмов товарной нефти, а это подготовленная нефть, уже очищенная от воды и газа. Кроме того, существует опасность образования «глухих» пробок при циркуляции и застывании насыщенного раствора парафина в арматуре, а также накапливание на стенках арматуры тугоплавких парафинов, удаление которых представляет большую сложность и не поддается вышеописанным методам очистки в достаточной степени. В связи с тем, что данный способ требует постоянных затрат на привлечение техники, времени ожидания прибытия транспорта до необходимого места и выполнение всех операций по удалению газогидратных отложений, его применение наряду с вышеуказанными тепловыми методами борьбы с газогидратами ограничено.

К механическим методам борьбы с газогидратами, наиболее распространенным на практике, не требующим каких-либо вложений, относится выполнение ревизии мест и участков, подверженных наибольшему засорению газогидратами и содержащих контрольно-измерительные и регулирующие средства, в том числе штуцер дискретный регулируемый, управляемый вручную. Выполнение ревизии осуществляют следующим образом. При фиксации на манометре превышения давления в затрубной линии выше рабочего диапазона оператором по добыче нефти и газа устанавливается факт образования гидратов. Для их удаления, в данном случае, рабочий персонал, воздействуя ключом на шток дискретного штуцера, переводит диаметр отверстия штуцера с изначального положения на максимально возможный, тем самым, продувая почти образовавшуюся пробку гидрата и стравливая накопившееся давление. После снижения давления в затрубной линии до рабочего значения выставляется изначальный диаметр отверстия штуцера, и скважина возвращается в свое рабочее состояние.

Недостатком данного механического метода является малая его эффективность, ввиду отсутствия непрерывного контроля за скважиной, вследствие чего рабочий персонал не успевает вовремя предотвратить образование гидрата, а также в связи с ручным воздействием на штуцер дискретный регулируемый для изменения его проходного сечения.

Известен способ предотвращения образования газогидратных отложений в нефтяных и газовых скважинах, заключающийся в воздействии низкочастотными упругими колебаниями на движущуюся газоводяную или нефтегазовую смесь как в скважинах, так и в трубопроводах (Патент РФ №2100571 С1, дата приоритета 01.07.1992, опубл. 27.12.1993, авторы: Шарифуллин Р.Я. и др., RU).

Известен способ удаления ледяных, газогидратных и парафиновых отложений воздействием акустических колебаний с помощью ультразвукового излучателя, установленного на штанге штангового глубинного насоса выше устья скважины, при этом разрушение отложений производят как в трубном, так и в затрубном пространстве скважины (Патент РФ №2148151 С1, дата приоритета 20.05.1999, опубл. 27.04.2000, авторы: Грейфер В.И. и др., RU).

Ограничение в применении данных способов обусловлено необходимостью установки ультразвуковых излучателей.

К химическим методам борьбы с газогидратами относится применение ингибитора гидратообразования. Известны как способы предупреждения образования газогидратов в скважинах, так и составы ингибиторов (Патент РФ №2193647 C2, дата приоритета 28.12.2000, опубл. 27.11.2002, авторы: Маганов Р.У. и др., RU; Патент РФ №2481375 C1, дата приоритета 08.12.2011, опубл. 10.05.2013, авторы: Волков В.А. и др., RU). Закачка ингибитора производится в затрубное пространство скважины через насосный агрегат, входящий в установку дозирования реагента.

Известно также, что если перепад давления в штуцере вызывает гидратообразование, то это явление может быть предотвращено подачей антигидратных ингибиторов в выкидную линию непосредственно перед местом установки штуцера (https://cyberleninka.ru/article/n/gidratoobrazovanie-v-neftegazovoy-otrasli-i-metody-borby-s-nim, дата просмотра 25.07. 2023).

Таким образом, химический метод позволяет эффективно бороться с гидратообразованием без привлечения рабочего персонала, предупреждая образование гидратов и в стволе скважины, и в устьевой фонтанной арматуре, однако известный метод имеет такие недостатки, как высокая токсичность и пожароопасность, а также большая стоимость самого ингибитора и необходимость его постоянной закупки.

Термохимический метод борьбы с газогидратными отложениями может быть реализован с применением известных устройств для термохимической обработки скважин, которые используется для ликвидации образовавшихся гидратов в скважинах (Патент РФ №97165 U1, дата приоритета 11.05.2010, опубл. 27.08.2010, авторы: Ульянов В.П. и др., RU; Патент РФ №99059 U1, дата приоритета 01.07.2010, опубл. 10.11.2010, авторы: Ульянов В.П. и др., RU; Патент РФ №198341 U1, дата приоритета 27.02.2020, опубл. 02.07.2020, авторы: Ульянов В.П. и др., RU; Патент РФ №2473783 C1, дата приоритета 09.11.2011, опубл. 27.01.2013, авторы: Беляев Ю.А. и др., RU).

Недостатком термохимического метода является функциональное ограничение при использовании, касающееся ликвидации образовавшихся отложений путем введения устройства в скважину, что не способствует наилучшей эффективности в борьбе с газогидратными отложениями в системах добычи нефти и газа.

В качестве прототипа принят относящийся к механическому методу способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры, реализуемый при наличии в затрубной линии штуцера дискретного регулируемого, заключающийся в осуществлении ревизии элементов, включая штуцер дискретный регулируемый, наиболее подверженных засорению гидратами, при выполнении которой фиксируют превышение давления на манометре, установленном на затрубной линии перед штуцером, выше рабочего диапазона, при этом устанавливают факт образования гидратов, для удаления которых воздействуют на шток штуцера с помощью ключа, изменяют диаметр проходного отверстия штуцера на максимально возможный, осуществляют продувание и стравливание давления, а после снижения давления до рабочего выставляют изначальный диаметр отверстия регулирующего элемента штуцера, выполненного в виде золотника, имеющего форму полого усеченного шара, по образующей которого выполнен ряд сквозных отверстий разного диаметра, определяющих при повороте штока проходное сечение штуцера (Патент РФ №83628 U1, дата приоритета 24.11.2008, опубл. 10.06.2009, авторы: Ермин С.Н. и др., RU, прототип).

Недостатком прототипа является малая эффективность способа борьбы с газогидратными отложениями, касающаяся предупреждения их образования, ввиду отсутствия непрерывного автоматизированного контроля за скважиной, вследствие чего рабочий персонал не успевает вовремя установить факт образования гидрата, а также в связи с ручным переключением регулирующего элемента штуцера дискретного регулируемого, предназначенного для изменения его проходного сечения, снижения давления в линии, осуществления продувки и возвращения в изначальное положение.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является автоматизация процесса ревизии для создания эффективного способа борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры, обеспечивающего своевременное предупреждение образования газогидратных отложений и ликвидацию образовавшихся гидратов, а также достижение наилучшего эффекта в сокращении внутрисменных потерь, которые приходятся на штуцер дискретный регулируемый.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры, реализуемый при наличии в затрубной линии средства для измерения давления и штуцера дискретного регулируемого для прохождения через них добываемой среды в выкидную линию, заключающийся в осуществлении ревизии узлов установки указанных элементов затрубной линии фонтанной арматуры, в процессе которой с помощью средства для измерения давления фиксируют превышение диапазона рабочего давления в затрубной линии, устанавливают факт образования газогидратов и для их ликвидации воздействуют поворотом штока указанного штуцера на его регулирующий элемент, имеющий форму полого усеченного шара, по образующей которого выполнены сквозные радиальные отверстия разного диаметра, изменяют диаметр проходного отверстия указанного штуцера на максимально возможный совмещением соответствующих отверстий, осуществляют продувание и стравливание давления, а после снижения давления в затрубной линии до рабочего или минимально допустимого значения возвращают регулирующий элемент в первоначальное положение, при этом восстанавливают изначальный диаметр проходного отверстия указанного штуцера и возвращают скважину в свое рабочее состояние. Новым является то, что в способе, основанном на переключении штуцера дискретного регулируемого при образовании в нем газогидратных отложений, используют автоматизированную комплексную систему контроля давления и управления переключением штуцера дискретного регулируемого, в которой в качестве средства измерения давления в затрубной линии используют датчик давления, обеспечивающий непрерывное преобразование измеряемого давления, в том числе избыточного, в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола, а для управления переключением регулирующего элемента указанного штуцера используют связанный с ним через редуктор электропривод, при этом указанный датчик давления и электропривод подключены к установленному вблизи скважины шкафу управления с регулятором, предназначенным для преобразования входного сигнала от указанного датчика давления в аналоговый выходной сигнал, поступающий на электропривод указанного штуцера с задачей о переключении его регулирующего элемента на максимально доступный диаметр отверстия при превышении рабочего давления до 10% для осуществления продувки газогидрата и стравливания избыточного давления, а после снижения давления до рабочего значения или снижения до 10% задачей преобразованного выходного аналогового сигнала является возвращение указанного штуцера в изначальное положение для восстановления рабочего состояния скважины и предупреждения образования газогидратов в узлах установки элементов затрубной линии фонтанной арматуры.

Заявляемый способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема устройства для реализации указанного способа в виде автоматизированной комплексной системы контроля давления и управления переключением штуцера дискретного регулируемого.

На чертеже приведены следующие обозначения позиций элементов указанной системы и их связи, а стрелками обозначены направления входного и выходного сигналов:

1 - затрубная линия фонтанной арматуры;

2 - штуцер дискретный регулируемый;

3 - электропривод с редуктором;

4 - датчик давления;

5 - шкаф управления взрывозащищенный с обогревом и с регулятором.

Для реализации заявляемого способа датчик давления 4 и электропривод 3, который присоединён через редуктор к штуцеру дискретному регулируемому 2, располагаются на затрубной линии фонтанной арматуры 1. Взрывозащищенный шкаф управления с обогревом 5, внутри которого расположен регулятор многоканальный, устанавливается на достаточном расстоянии от фонтанной арматуры (5-8 м). К нему же подключаются датчик давления 4 и электропривод 3.

В примере выполнения для реализации способа применены подходящие по техническим характеристикам известные элементы, предназначенные для использования в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами, в том числе в нефтедобывающей отрасли.

Датчик давления 4, в частности, «Метран-150» устанавливается на затрубной линии и обеспечивает непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола (https://www.metran.ru/catalog/pressure/metran-150/#2, дата просмотра 10.08.2023).

Регулятор (термометр многоканальный ТМ 5102), который располагается в шкафу управления 5 и предназначен для измерения и контроля давления, преобразованного в электрический сигнал силы и напряжения постоянного тока или активное сопротивление (https://www.elemer.ru/catalog/funktsionalnaya-apparatura/izmeriteli-regulyatory/tm-5102/, дата просмотра 10.08.2023).

Штуцер дискретный регулируемый 2 - «ШДР 9 65×210», предназначенный для регулирования расхода среды при добыче углеводородов, устанавливается на затрубное пространство и состоит из полого корпуса с проходным отверстием и с установленным в нем регулирующим элементом, имеющим форму полого усеченного шара, по образующей которого выполнены сквозные радиальные отверстия разного диаметра, при этом снабжен приводным штоком, проходящим через отверстие корпуса (https://hdr.gi-ltd.ru/?utm_source=eLama-yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=7.+%D0%A8%D0% 94%D0%A0&utm_content=cid|64124095|gid|4643248442|aid|10975535595|adp|no|dvc|desktop|pid|33180798435|rid|33180798435|did|33180798435|pos|premium1|adn|search|crid|0|&utm_term=%D1%88%D0%B4%D1%80%209&yclid=8695411679870058495, https://novator-oil.ru/shtutsery-diskretnyye https://afk-zms.ru/shtucer-diskretnyy-shdr-9m, дата просмотра 10.08.2023).

Заявляемый способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры основан на автоматизации процесса выполнения ревизии штуцера дискретного регулируемого и реализуется следующим образом.

После проведения анализа работы скважины на регуляторе устанавливается диапазон давлений от рабочего +10% (Pmax) и -10% (Pmin), при достижении которых с датчика давления 4 будет поступать сигнал на шкаф управления 5, тем самым, выдавая команду на электропривод 3 о переключении штуцера дискретного регулируемого с одного диаметра на другой в зависимости от выходного сигнала на выполнение определенной задачи.

При наборе давления и превышения Pmax с датчика давления 4 подается входной электрический сигнал в шкаф управления 5 на универсальный измерительный вход регулятора, преобразуется модулем АЦП в цифровой код, который поступает в микропроцессорный блок управления для дальнейшей обработки и преобразования в выходной аналоговый сигнал, поступающий на электропривод, который приводит его в действие. Воздействуя на шток штуцера дискретного регулируемого, электропривод переводит положения штуцера с начального диаметра на максимально возможный, что позволяет продуть гидрат и стравить избыточное давление на затрубной линии.

После того, как давление снизится до отметки Pmin, от датчика давления 4 подается сигнал на электропривод 3 о возвращении штуцера дискретного регулируемого 2 в изначальное положение для возвращения скважины в свое рабочее состояние.

Таким образом, предлагаемый способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры позволит вовремя предотвращать гидратообразование, приходящееся на штуцер дискретный регулируемый, и, тем самым, исключить остановки скважин по защите от срыва подачи и сократить внутрисменные потери.

Использование изобретения позволит повысить контроль эксплуатирующихся объектов, сократить трудозатраты рабочего персонала и предоставить большой запас времени для концентрации на не менее важных производственных аспектах.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в автоматизации процесса ревизии затрубной линии фонтанной арматуры для создания эффективного способа борьбы с газогидратными отложениями в узлах установки элементов затрубной линии фонтанной арматуры, обеспечивающего своевременное предупреждение образования газогидратных отложений и ликвидацию образовавшихся гидратов.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к методам и средствам борьбы с газогидратными отложениями, образующимися при добыче нефти и газа, и может быть использовано как для предупреждения образования газовых гидратов, так и ликвидации образовавшихся гидратов в элементах устьевой фонтанной арматуры, по которым нефть и газ поступают в выкидную линию. Способ основан на переключении штуцера дискретного регулируемого при образовании в нем газогидратных отложений. Новым является то, что в способе используют автоматизированную комплексную систему контроля давления и управления переключением штуцера дискретного регулируемого, в которой в качестве средства измерения давления в затрубной линии (1) используют датчик давления (4), обеспечивающий непрерывное преобразование измеряемого давления, в том числе избыточного, в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола, а для управления переключением регулирующего элемента штуцера дискретного регулируемого (2) используют связанный с ним через редуктор электропривод (3), при этом указанный датчик давления (4) и электропривод (3) подключены к установленному вблизи скважины шкафу управления (5) с регулятором, предназначенным для преобразования входного сигнала от датчика давления (4) в аналоговый выходной сигнал, поступающий на электропривод (3) штуцера с задачей о переключении его регулирующего элемента на максимально доступный диаметр отверстия при превышении рабочего давления до 10% для осуществления продувки газогидрата и стравливания избыточного давления, а после снижения давления до рабочего значения или снижения до 10% задачей преобразованного выходного аналогового сигнала является возвращение указанного штуцера в начальное положение для восстановления рабочего состояния скважины и предупреждения образования газогидратов в узлах установки элементов затрубной линии фонтанной арматуры. Обеспечивается автоматизация процесса ревизии узлов затрубной линии фонтанной арматуры для своевременного предупреждения образования газогидратных отложений и ликвидации образовавшихся гидратов. 1 ил.

Способ борьбы с газогидратными отложениями в узлах затрубной линии фонтанной арматуры, реализуемый при наличии в затрубной линии средства для измерения давления и штуцера дискретного регулируемого для прохождения через них добываемой среды в выкидную линию, заключающийся в осуществлении ревизии узлов установки указанных элементов затрубной линии фонтанной арматуры, в процессе которой с помощью средства для измерения давления фиксируют превышение диапазона рабочего давления в затрубной линии, устанавливают факт образования газогидратов и для их ликвидации воздействуют поворотом штока указанного штуцера на его регулирующий элемент, имеющий форму полого усеченного шара, по образующей которого выполнены сквозные радиальные отверстия разного диаметра, или форму цилиндра, изменяют диаметр проходного отверстия указанного штуцера на максимально возможный совмещением соответствующих отверстий, осуществляют продувание и стравливание избыточного давления, а после снижения давления в затрубной линии до рабочего или минимально допустимого значения возвращают регулирующий элемент в первоначальное положение, при этом восстанавливают изначальный диаметр проходного отверстия указанного штуцера и возвращают скважину в свое рабочее состояние, для переключения штуцера дискретного регулируемого используют автоматизированную комплексную систему контроля давления и управления, в которой в качестве средства измерения давления в затрубной линии используют датчик давления, обеспечивающий непрерывное преобразование измеряемого давления, в том числе избыточного, в унифицированный токовый выходной сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола, а для управления переключением регулирующего элемента указанного штуцера используют связанный с ним через редуктор электропривод, установленный на затрубной линии, при этом указанный датчик давления и электропривод подключены к установленному вблизи скважины шкафу управления с регулятором, предназначенным для преобразования входного сигнала от указанного датчика давления в аналоговый выходной сигнал, поступающий на электропривод указанного штуцера, при превышении рабочего давления на 10% путем подачи аналогового выходного сигнала на электропривод осуществляют переключение регулирующего элемента штуцера на максимально доступный диаметр отверстия, производят продувку газогидрата и стравливают избыточное давление, после снижения давления до рабочего значения или снижения на 10% путем подачи преобразованного выходного аналогового сигнала на электропривод возвращают штуцер в изначальное положение.