способ добычи высоковязкой нефти и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ добычи высоковязкой нефти, включающий подъем нефти штанговым насосом по затрубному пространству насосно-компрессорных труб (НКТ) над установленным на них пакером и подачу по НКТ маловязкой жидкости с дозированием ее в затрубное пространство, отличающийся тем, что дозирование маловязкой жидкости в затрубное пространство осуществляют над выпускными отверстиями штангового насоса синхронно двумя потоками, один из которых подают радиально на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны, а другой - тангенциально на наружную поверхность НКТ, причем перед дозированием маловязкой жидкости в затрубное пространство ее подвергают перемешиванию в НКТ в пространстве ниже выхода радиального потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальный и тангенциальный потоки маловязкой жидкости подают непосредственно на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны и непосредственно на наружную поверхность НКТ соответственно.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подачу радиального потока непосредственно на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны осуществляют через по крайней мере один ряд радиальных отверстий в ребрах центратора, установленного на НКТ, а подачу тангенциального потока непосредственно на наружную поверхность НКТ через по крайней мере один ряд направленных вверх тангенциальных отверстий, выполненный в стенках НКТ выше ряда радиальных отверстий.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальный поток маловязкой жидкости подают на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны через поток добываемой высоковязкой нефти, а тангенциальный непосредственно на наружную поверхность НКТ.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что подачу радиального и тангенциального потоков осуществляют по крайней мере через один ряд радиальных и один ряд направленных вверх тангенциальных отверстий в стенках НКТ соответственно, причем расстояние между рядом радиальных отверстий и рядом тангенциальных отверстий составляет не менее 100 м.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение количества маловязкой жидкости, подаваемой через радиальные отверстия, к количеству маловязкой жидкости, подаваемой через тангенциальные отверстия, поддерживают не менее отношения длины окружности в поперечном сечении внутренней поверхности эксплуатационной колонны к длине окружности в поперечном сечении наружной поверхности НКТ.

7. Способ по пп.3 и 5, отличающийся тем, что количество маловязкой жидкости по потокам изменяют путем изменения количества, и/или диаметра радиальных, и/или тангенциальных отверстий.

8. Устройство для добычи высоковязкой нефти, включающее колонну НКТ с хвостовиком и пакером, установленный внутри НКТ штанговый насос, приемочные отверстия которого соединены с полостью хвостовика, а выпускные с затрубным пространством над пакером, и дозирующий узел в НКТ, соединяющий полость НКТ с затрубным пространством, отличающееся тем, что оно снабжено разделительной перегородкой, расположенной в НКТ вокруг штанговой колонны насоса выше выкидных отверстий штангового насоса и перекрывающей полость НКТ с возможностью обеспечения осевого перемещения штанговой колонны насоса, и узлом для перемешивания маловязкой жидкости перед ее дозированием в затрубное пространство, расположенным над перегородкой в зоне ниже расположения дозирующего узла, а дозирующий узел выполнен в виде по крайней мере одного ряда радиальных отверстий, выполненных в стенках НКТ или в ребрах установленного на НКТ центратора, и по крайней мере одного ряда направленных вверх тангенциальных отверстий, выполненного в стенках НКТ и расположенного выше ряда радиальных отверстий.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что узел для перемешивания маловязкой жидкости перед ее дозированием в затрубное пространство выполнен в виде лопасти-мешалки, закрепленной на штанговой колонне над разделительной перегородкой ниже радиальных отверстий.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно снабжено насадками, установленными в радиальных отверстиях, выполненных в стенках НКТ.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что ряд тангенциальных отверстий, выполненных в стенках НКТ, расположен выше ряда радиальных отверстий, выполненных в стенках НКТ, на расстоянии не менее 100 м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к эксплуатации нефтяных месторождений с высоковязкими нефтями.

Известен способ добычи высоковязкой нефти, включающий подъем нефти по насосно-компрессорным трубам (НКТ) гидроприводным насосным агрегатом, маловязкая рабочая жидкость к которому подводится по кольцевому пространству между НКТ и дополнительной колонной труб, при этом часть маловязкой рабочей жидкости вводится во внутрь колонны НКТ, создавая на внутренней поверхности вокруг добываемой высоковязкой нефти пристеночный слой, который уменьшает гидравлическое сопротивление при движении добываемой высоковязкой нефти в колонне НКТ [1]

Недостатком известного способа является то, что для подъема высоковязкой нефти гидроприводным насосным агрегатом требуется подавать рабочую жидкость под большим давлением, что, в свою очередь, может привести к разрыву дополнительной колонны труб от повышенного внутреннего давления, а чтобы этого не произошло необходимо ограничивать глубину спуска насосного агрегата.

Известен также способ добычи высоковязкой нефти, включающий подъем нефти по колонне полых штанг винтовым насосом с одновременной подачей маловязкой жидкости в колонну полых штанг для образования кольцевого пограничного слоя маловязкой жидкости на стенках колонны полых штанг и вращением этой колонны для привода винтового насоса [2]

Недостатком известного способа является то, что высоковязкая нефть поднимается по колонне полых штанг, через которую одновременно передают вращающий момент для привода винтового насоса, для чего эта колонна должна выполняться из специальных труб, предназначенных для передачи крутящего момента и, следовательно, более толстостенных, чем НКТ, что приводит, в свою очередь, к уменьшению проходного диаметра и повышению гидравлических сопротивлений при подъеме высоковязкой нефти по этой колонне, и, кроме того, делает эту колонну более дорогой, по сравнению с колонной НКТ.

Основным способом добычи высоковязкой нефти из скважин является глубиннонасосный с применением штанговых насосов.

Известен способ добычи высоковязкой нефти, включающий подъем нефти штанговым насосом по затрубному пространству насосно-компрессорных труб (НКТ) над установленным на них пакером и подачу по НКТ маловязкой жидкости с дозированием ее в затрубное пространство, при этом находящаяся в НКТ маловязкая жидкость уменьшает вязкостное трение и тем самым устраняет влияние вязкости высоковязкой нефти на работу штанг, предотвращая их обрывы и недоспуски. Известно также устройство для добычи высоковязкой нефти, включающее колонну НКТ с хвостовиком и пакером, установленный внутри НКТ штанговый насос, приемочные отверстия которого соединены с полостью хвостовика, а выпускные с затрубным пространством над пакером, и дозирующий узел в НКТ, соединяющий полость НКТ с затрубным пространством [3]

Недостатком известного способа и устройства является то, что маловязкая жидкость, заполняющая НКТ, смешивается с высоковязкой жидкостью в самих НКТ и выходит в затрубное пространство в виде смеси-эмульсии, не создавая пристеночного слоя маловязкой жидкости на поверхности металлических труб в затрубном пространстве НКТ не снижая гидравлические сопротивления при подъеме высоковязкой нефти по затрубному пространству из-за вязкостного трения высоковязкой нефти о стенки металлических труб эксплуатационной колонны и колонны НКТ. Кроме того, при прохождении по НКТ маловязкая жидкость расслаивается из-за действия температуры и временных факторов, теряет свою гомогенность и изменяет свои свойства.

Задачей способа является увеличение добычи высоковязкой нефти за счет снижения гидравлических сопротивлений при подъеме нефти по затрубному пространству.

Указанная задача достигается тем, что в способе добычи высоковязкой нефти, включающем подъем нефти штанговым насосом по затрубному пространству насосно-компрессорных труб (НКТ) над установленным на них пакером и подачу по НКТ маловязкой жидкости с дозированием ее в затрубное пространство, в отличие от способа по прототипу дозирование маловязкой жидкости в затрубное пространство осуществляют над выпускными отверстиями штангового насоса синхронно двумя потоками, один из которых подают радиально на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны, а другой тангенциально на наружную поверхность НКТ, причем перед дозированием маловязкой жидкости в затрубное пространство ее подвергают перемешиванию в НКТ в пространстве ниже выхода радиального потока.

А также тем, что радиальный и тангенциальный потоки маловязкой жидкости подают непосредственно на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны и непосредственно на наружную поверхность НКТ соответственно.

А также тем, что подачу радиального потока непосредственно на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны осуществляют через по крайней мере один ряд радиальных отверстий в ребрах центратора, установленного на НКТ, а подачу тангенциального потока непосредственно на наружную поверхность НКТ через по крайней мере один ряд направленных вверх тангенциальных отверстий, выполненный в стенках НКТ выше ряда радиальных отверстий.

А также тем, что радиальный поток маловязкой жидкости подают на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны через поток добываемой высоковязкой нефти, а тангенциальный непосредственно на наружную поверхность НКТ.

А также тем, что подачу радиального и тангенциального потоков осуществляют по крайней мере через один ряд радиальных и один ряд направленных вверх тангенциальных отверстий в стенках НКТ соответственно, причем расстояние между рядом радиальных отверстий и рядом тангенциальных отверстий составляет не менее 100 м.

А также тем, что отношение количества маловязкой жидкости, подаваемой через радиальные отверстия, к количеству маловязкой жидкости, подаваемой через тангенциальные отверстия, поддерживают не менее отношения длины окружности в поперечном сечении внутренней поверхности эксплуатационной колонны к длине окружности в поперечном сечении наружной поверхности НКТ.

А также тем, что количество маловязкой жидкости по потокам изменяют путем изменения количества и/или диаметра радиальных и/или тангенциальных отверстий.

Поставленная задача осуществляется также тем, что устройство для добычи высоковязкой нефти, включающее колонну НКТ с хвостовиком и пакером, установленный внутри НКТ штанговый насос, приемочные отверстия которого соединены с полостью хвостовика, а выпускные с затрубным пространством над пакером, и дозирующий узел в НКТ, соединяющий полость НКТ с затрубным пространством, в отличие от устройства по прототипу снабжено разделительной перегородкой, расположенной в НКТ вокруг штанговой колонны насоса выше выкидных отверстий штангового насоса и перекрывающей полость НКТ с возможностью обеспечения осевого перемещения штанговой колонны насоса, и узлом для перемешивания маловязкой жидкости перед ее дозированием в затрубное пространство, расположенным над перегородкой в зоне ниже расположения дозирующего узла, а дозирующий узел выполнен в виде по крайней мере одного ряда радиальных отверстий, выполненных в стенках НКТ или в ребрах установленного на НКТ центратора, и по крайней мере одного ряда направленных вверх тангенциальных отверстий, выполненного в стенках НКТ и расположенного выше ряда радиальных отверстий.

А также тем, что узел для перемешивания маловязкой жидкости перед ее дозированием в затрубное пространство выполнен в виде лопасти-мешалки, закрепленной на штанговой колонне над разделительной перегородкой ниже радиальных отверстий.

А также тем, что оно снабжено насадками, установленными в радиальных отверстиях, выполненных в стенках НКТ.

А также тем, что ряд тангенциальных отверстий, выполненных в стенках НКТ, расположен выше ряда радиальных отверстий, выполненных в стенках НКТ, на расстоянии не менее 100 м.

В результате патентуемой совокупности существенных признаков как способа, так и устройства, становится возможным создание слоев маловязкой жидкости одновременно и на наружных стенках металлической колонны НКТ и на внутренних металлических стенках эксплуатационной колонны при подаче маловязкой жидкости по внутреннему каналу НКТ, при этом обеспечивается надежное прохождение маловязкой жидкости к указанным поверхностям колонн в затрубном пространстве. Ни одна совокупность существенных признаков вышеуказанных аналогов не решает поставленную задачу и в них не создаются одновременно слои маловязкой жидкости на внутренней поверхности эксплуатационной колонны и на наружной поверхности НКТ.

Из известного уровня техники с очевидностью не следует решение указанной патентуемой задачи и без дополнительного изобретательства не представляется возможным нанесение слоев маловязкой жидкости одновременно на наружную поверхность колонны НКТ и на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны либо с преодолением объема проходящей по затрубному пространству высоковязкой нефти потоком маловязкой жидкости, либо без преодоления этого объема путем подачи маловязкой жидкости непосредственно на внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны. В патентуемом изобретении это решено с помощью, например либо центраторов на НКТ, либо обеспечением определенных технологических режимов истечения маловязкой жидкости одновременно из двух рядов радиальных и тангенциальных отверстий в НКТ, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии.

Патентуемая технология подъема нефти по затрубному (кольцевому) пространству и заполнение НКТ маловязкой жидкостью с определенным дозированием ее в затрубное пространство устраняет одновременно влияние вязкости высоковязкой нефти на работу штанг за счет уменьшения вязкостного трения жидкости внутри НКТ и снижает гидравлическое сопротивление при движении добываемой высоковязкой нефти за счет создания пристеночных слоев маловязкой жидкости в затрубном пространстве, что, в свою очередь, облегчает работу штангового насоса и увеличивает добычу высоковязкой нефти при одновременном снижении аварийности работы штангового насоса.

На фиг. 1 изображено устройство для добычи высоковязкой нефти в продольном разрезе с дозирующим узлом в виде рядов радиальных и тангенциальных отверстий в стенках НКТ; на фиг. 2 выполнение дозирующего узла в виде рядов радиальных и тангенциальных отверстий в ребрах центратора; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2.

Устройство для добычи высоковязкой нефти содержит металлическую колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) 1, штанговый насос, включающий корпус 2, плунжер 3 и штанговую колонну 4, на которой закреплены лопасти-мешалки 5 и которая свободно проходит через отверстие разделительной перегородки 6, закрепленной на внутренней поверхности НКТ и содержащей сальниковый узел 7, представляющий собой, например гидроцилиндр, плунжер которого жестко соединен с плунжером штангового насоса, а цилиндр размещен на перегородке 6. Приемочное отверстие 8 штангового насоса снабжено клапаном 9, выпускные отверстия 10 снабжены клапанами 11 и расположены ниже перемычки 6.

Пакер 12 расположен между колонной НКТ 1 и металлической колонной 13 ниже уровня выпускных отверстий 10. Для дозирования маловязкой жидкости, заполняющей НКТ, в затрубное пространство на НКТ имеется дозирующий узел 14, который расположен над уровнем максимального подъема лопасти-мешалки 5.

Дозирующий узел 14 может быть выполнен (см. фиг. 2-4), например, в виде установленного на НКТ центратора 15, в ребрах 16 которого выполнен по крайней мере один ряд радиальных отверстий 17 для выхода радиального потока маловязкой жидкости в затрубное пространство и создания слоя 18 маловязкой жидкости на внутренней поверхности эксплуатационной колонны 13, и по крайней мере одного ряда направленных вверх тангенциальных отверстий 19, выполненных в стенках НКТ выше ряда радиальных отверстий 17 для создания слоя 20 маловязкой жидкости на наружной поверхности НКТ 1.

Дозирующий узел может быть также выполнен (см. фиг. 1), например, в виде выполненных в стенках НКТ 1 по крайней мере одного ряда радиальных отверстий 21 и по крайней мере одного ряда направленных вверх тангенциальных отверстий 22, расположенного выше ряда радиальных отверстий 21 на расстоянии не менее 100 м для обеспечения перепада давлений на рядах отверстий примерно 10 атм.

Способ добычи высоковязкой нефти осуществляется следующим образом.

Колонну НКТ 1 со штанговым насосом и пакером 12 спускают на нужную глубину, фиксируют пакер 12 и заполняют маловязкой многокомпонентной жидкостью до уровня перемычки 6 с сальником 7, которая после этого выходит в затрубное пространство через дозирующий узел 14. Включают привод штангового насоса, после чего высоковязкая нефть под действием плунжера 3 через отверстия 8 и клапан 9 поступает в корпус 2 штангового насоса, затем через выпускные отверстия 10 и клапана 11 в затрубное пространство, где проходит мимо дозирующего узла 14 и далее в приемный резервуар, не показанный на чертеже.

Выходя из дозирующих радиальных отверстий 17 (см. фиг. 2) и ударяясь непосредственно во внутреннюю стенку эксплуатационной колонны 13, маловязкая жидкость растекается по внутренней поверхности этой колонны, образуя на ней тонкий пристеночный слой из маловязкой жидкости. Такой же пристеночный слой маловязкой жидкости создается и непосредственно на наружной поверхности НКТ 1 при выходе маловязкой жидкости из дозирующих тангенциальных отверстий 19, создающих поток маловязкой жидкости, направленный вверх вдоль стенок НКТ 1 (см. фиг. 2). При этом высоковязкая нефть проходит между ребер центратора 15, не препятствуя выходу маловязкой жидкости из радиальных и тангенциальных отверстий 17 и 19.

При другом выполнении дозирующего узла 14 маловязкая жидкость, выходящая из радиальных отверстий 21 в виде гидромониторных струй радиального потока, как бы прорезает поток высоковязкой нефти, проходящей по затрубному пространству мимо дозирующего узла 14 и также ударяясь о внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны 13, образует на ней пристеночный слой маловязкой жидкости. выходя из тангенциальных отверстий 22, направленных вверх вдоль наружной поверхности НКТ 1, маловязкая жидкость растекается по этой поверхности, образуя на ней пристеночный слой маловязкой жидкости. Для того, чтобы обеспечить высокоскоростной режим выхода радиального потока по сравнению с тангенциальным потоком, как показали эксперименты, необходимо поддерживать разность давлений на рядах радиальных и тангенциальных отверстий не менее примерно 10 атм, то есть расстояние между ними должно быть не менее 100 метров.

Образующиеся на внутренней поверхности эксплуатационной колонны 13 и на наружной поверхности НКТ 1 пристеночные слои маловязкой жидкости 18 и 20 предотвращают взаимодействие высоковязкой нефти с металлическими поверхностями эксплуатационной колонны 13 и колонны НКТ 1, тем самым снижая гидравлическое сопротивление при движении добываемой высоковязкой нефти по затрубному пространству и облегчая работу штангового насоса. Этому также способствует и нахождение маловязкой жидкости внутри НКТ 1 во время работы штангового насоса, колонна штанг которого изолирована от высоковязкой нефти, поднимаемой на поверхность по затрубному пространству НКТ. Рабочее пространство в НКТ около штанговой колонны заполнено маловязкой жидкостью, например, водным раствором ПАВ-деэмульгатора с добавками ингредиентов различного назначения, в качестве которых могут быть использованы органические вещества углеводороды и другие.

Нижний ряд ряд радиальных отверстий 17 или 21 формирует высокоскоростные струи радиального направления, которые, выходя из НКТ 1, преодолевают слой высоковязкой нефти и растекаются по внутренней поверхности эксплуатационной колонны 13, образуя на ней пристеночный слой маловязкой жидкости 18.

Верхний ряд ряд тангенциальных отверстий 19 и 22 формирует низкоскоростные струи, направленные тангенциально вверх вдоль наружной поверхности НКТ 1, также образуя на ней пристеночный слой маловязкой жидкости 20.

Регулирование скорости струй радиального и тангенциального направлений осуществляют путем подбора соответствующих диаметров выходных отверстий. Для получения высокоскоростных струй радиального направления диаметр радиальных отверстий выполняют, как правило, меньшим по сравнению с диаметром тангенциальных отверстий, формирующих низкоскоростные струи. Для получения высокоскоростных струй в радиальные отверстия могут быть встроены сопла соответствующего диаметра.

Таким образом, маловязкая жидкость будет распространяться по затрубному пространству вверх, преимущественно вдоль металлических поверхностей труб (эксплуатационной колонны и колонны НКТ), чему способствуют ламинарный характер течения высоковязкой нефти и физико-химические свойства маловязкой жидкости, обеспечивающие большую степень ее взаимодействия с металлическими трубами, чем с высоковязкой нефтью.

В процессе лифтирования (подъема) по патентуемому способу факторы перемешивания маловязкой жидкости с высоковязкой нефтью практически отсутствуют, что исключает образование стойкой эмульсии и значительно снижает гидравлические сопротивления за счет образования пристеночного слоя маловязкой жидкости вокруг высоковязкой нефти.

При этом необходимо обеспечивать условие гомогенности многокомпонентной маловязкой жидкости перед попаданием ее в затрубное пространство через радиальные и тангенциальные отверстия, так как жидкость, пришедшая к разделительной перегородке 6 за счет влияния фактора времени и повышенной температуры, может расслоиться.

Для этого нижняя часть штанговой колонны над разделительной перегородкой сопряжена со специальными лопастями-мешалками, которые установлены ниже ряда радиальных отверстий и которые при возвратно-поступательном движении штанговой колонны интенсивно перемешивают маловязкую жидкость, обеспечивая ее гомогенность непосредственно перед выходом в затрубное пространство и стимулируя впрыскивание (подачу через отверстия) в период подъема высоковязкой нефти за счет повышения давления жидкости в гребне волны плотности.

В качестве маловязкой жидкости можно использовать, например, пресную воду с добавлением 0,2% ПАВ-деэмульгатора, или 0,5%-ного раствора щелочи, или 0,2% карбокси-метил целлюлозы, или пресную воду с добавлением 0,2% ПАВ-деэмульгатора и 5% легкой нефти или дизельного топлива, или пресную воду с добавлением 2% ного раствора щелочи, 0,2% ПАВ-деэмульгатора и 5% легкой нефти.

Пресная вода с различными добавками повышает смачиваемость маловязкой жидкостью металлических поверхностей и способствует более надежному созданию пристеночного слоя из нее, что в свою очередь снижает гидравлические сопротивления при перекачивании высоковязкой нефти по затрубному пространству и тем самым облегчает работу штангового насоса.

Всего целесообразно подавать маловязкой жидкости в количестве 20-35% от добываемой нефти, причем отношение количества маловязкой жидкости, подаваемой через радиальные отверстия, к количеству маловязкой жидкости, подаваемой через тангенциальные отверстия, поддерживают не менее отношения длины окружности в поперечном сечении внутренней поверхности эксплуатационной колонны к длине окружности в поперечном сечении наружной поверхности НКТ. Такое перераспределение объема маловязкой жидкости позволяет с уверенностью создавать сплошные (без промежутков) слои маловязкой жидкости и на внутренней поверхности эксплуатационной колонны и на наружной поверхности НКТ. Нужное соотношение поддерживается путем подбора соответствующих диаметров (сечений) и/или количества радиальных и/или тангенциальных отверстий.

Таким образом, патентуемые способ и устройство обеспечивают повышение добычи высоковязкой нефти.

Как показали эксперименты на ряде скважин, прирост добычи высоковязкой нефти составляет 50-100% при одновременном снижении аварийности работы штангового насоса (исключаются обрывы штанг и их недоспуски), поскольку работа и спуск штанг при монтаже насоса в скважине производятся в среде маловязкой жидкости, а перекачка (подъем) высоковязкой нефти при меньших гидравлических сопротивлениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство СССР N 1183709, Е 21 43/00, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1654549, Е 21 В 43/00, 1991.

3. Техника и технология добычи нефти и обустройство нефтяных месторождений, сборник "Обзорная информация", М. ВНИИОЭНГ, вып. 22, 1988.