скважинная насосная установка для добычи нефти и закачки воды в пласт

Формула изобретения

Скважинная насосная установка для добычи нефти и закачки воды в пласт, включающая пакер, установленный между верхними и нижним пластами, верхний и нижний насосы, спущенные на лифтовой колонне в скважину и установленные выше пакера, привод насосов, причем вход нижнего насоса размещен ниже динамического уровня выделившейся под действием гравитации воды из водонефтяной смеси верхнего пласта, а выход сообщен с подпакерным пространством, при этом вход верхнего насоса размещен выше динамического уровня выделившейся воды, а выход сообщен с лифтовой колонной, отличающаяся тем, что насосы снабжены приводом, размещенным на поверхности, а между червячными валами установлен редуктор, входной вал которого соединен с низом верхнего червячного вала, а выходной - с верхом нижнего червячного вала насосов, причем корпус редуктора жестко соединен с колонной лифтовых труб, а его передаточное отношение подобрано так, чтобы соотношение производительностей верхнего и нижнего насосов соответствовало соотношению количества поступления в скважину воды и нефти с условием обеспечения гравитационного разделения водонефтяной смеси верхнего пласта при противоположном вращении червячных валов, при этом колонна лифтовых труб выполнена с возможностью вращения под действием дополнительного привода, размещенного на поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к добыче обводненной нефти и утилизации попутно добываемой воды.

Известно «Устройство для сепарации нефти и воды» (патент US № 6202744, Е21В 43/40, опубл. 20.03.2001 г.), включающее пакер, установленный в скважине между пластами, выше которого размещены два разнонаправленных насоса с приводным электродвигателем, расположенным между насосами с возможностью их синхронного вращения, причем входные каналы насосов, выполненные в виде охватывающих разнонаправленных кожухов, размещены выше пакера, а расстояние между ними и интервал установки выполнены с возможностью регулировки за счет изменения высоты боковых буртов кожухов, при этом выход верхнего насоса сообщен с устьем скважины, а нижнего - с подпакерным пространством скважины.

Известна «Скважинная насосная установка для добычи нефти и закачки воды в пласт» (патент RU № 2284410, Е21В 43/40, 43/14, опубл. Бюл. № 27 от 27.09.2006 г.), содержащая насосы с возможностью их последовательного расположения в скважине и имеющая выходные и входные устройства, привод насосов и пакер, имеющий возможность расположения между пластами в скважине, один из которых с водонефтяной смесью, а другой, нижний - для приема воды, при этом скважинная насосная установка содержит винтовые насосы с их приводом на поверхности и полированный шток с сальником, соединяющим червячный ват верхнего насоса с червячным валом нижнего насоса, входное устройство которого имеет радиальные отверстия для поступления водной фазы из водонефтяной смеси, и пазы, причем нижний насос имеет кожух, образующий канал для нагнетания воды в нижний пласт через этот канал и пазы входного устройства нижнего насоса при том же вращении червячного вала.

Недостатками данной установки являются:

- сложность и высокая стоимость входного и выходного устройств нижнего насоса;

- неэффективное использование нижнего насоса из-за большого количества сужений и изменений направления потока жидкости в его входном и выходном устройствах, что приводит к невозможности определения точной разницы в производительности насосов, потерям давления, создаваемого насосом, и, как следствие, снижению коэффициента полезного действия (КПД) нижнего насоса;

- необходимость и сложность точного подбора насосов, чтобы производительность их соответствовала обводненности продукции верхнего пласта;

- невозможность регулировки соотношений производительностей насосов при изменении обводненности продукции верхнего пласта без извлечения их на поверхность, что требует дополнительных материальных и временных затрат.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство для сепарации нефти и воды» (патент US № 6202744, Е21В 43/40, опубл. 20.03.2001 г.), включающее пакер, установленный в скважине между пластами, выше которого размещены два разнонаправленных насоса, спущенных на лифтовой колонне, с приводным электродвигателем, расположенным между насосами с возможностью их синхронного вращения, причем входные устройства насосов, выполненные в виде охватывающих разнонаправленных кожухов, размещены выше пакера, а расстояние между ними и интервал установки выполнены с возможностью регулировки за счет изменения высоты боковых буртов кожухов, при этом выход верхнего насоса сообщен с лифтовой колонной, а нижнего - с подпакерным пространством скважины.

Недостатками данной установки являются:

- расположение электродвигателя с кабелем в скважине, затрудняющее обслуживание и повышающее вероятность аварийных ситуаций;

- неэффективное использование насосов из-за изменений направления потока жидкости в их входных устройствах, выполненных в виде разнонаправленных кожухов, что приводит к сложностям в определении производительности насосов, потерям давлений, создаваемых насосами, и, как следствие, снижению их КПД;

- необходимость и сложность точного подбора насосов, чтобы производительность их соответствовала обводненности продукции верхнего пласта;

- невозможность регулировки соотношений производительностей насосов при изменении обводненности продукции верхнего пласта без извлечения их на поверхность, что требует дополнительных материальных и временных затрат.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание насосной установки, увеличение эффективности и упрощение конструкции за счет устранения дополнительных устройств, перекрывающих входы насосов, облегчение обслуживания и регулировки за счет расположения привода на устье скважины, а также упрощение подбора насосов требуемой производительности с учетом обводненности продукции верхнего пласта без их замены и исключение использования разнонаправленных насосов для снижения себестоимости.

Техническая задача решается скважинной насосной установкой для добычи нефти и закачки воды в пласт, включающей пакер, установленный между верхними и нижним пластами, верхний и нижний насосы, спущенные на лифтовой колонне в скважину и установленные выше пакера, привод насосов, причем вход нижнего насоса размещен ниже динамического уровня выделившейся под действием гравитации воды из водонефтяной смеси верхнего пласта, а выход сообщен с подпакерным пространством, при этом вход верхнего насоса размещен выше динамического уровня выделившейся воды, а выход сообщен с лифтовой колонной.

Новым является то, что насосы снабжены приводом, размещенным на поверхности, а между червячными валами установлен редуктор, входной вал которого соединен с низом верхнего червячного вала, а выходной - с верхом нижнего червячного вала насосов, причем корпус редуктора жестко соединен с колонной лифтовых труб, а его передаточное отношение подбирается так, чтобы соотношение производительностей верхнего и нижнего насосов соответствовало соотношению количества поступающих в скважину воды и нефти с условием обеспечения гравитационного разделения водонефтяной смеси верхнего пласта при противоположном вращении червячных валов, при этом колонна лифтовых труб выполнена с возможностью вращения под действием дополнительного привода, размещенного на поверхности.

На чертеже изображена схема насосной установки в продольном разрезе.

Скважинная насосная установка для добычи нефти и закачки воды в пласт содержит пакер 1, установленный между верхними 2 и нижним 3 пластами, верхний 4 и нижний 5 винтовые насосы, спущенные на лифтовой колонне 6 в скважину 7 и установленные выше пакера 1, привод насосов (на чертеже не показан), размещенный на поверхности (на устье скважины 7). Вход 8 нижнего насоса 5 размещен ниже динамического уровня 9 выделившейся под действием гравитации воды из водонефтяной смеси верхнего пласта 2, а выход 10 сообщен с подпакерным пространством 11. При этом вход 12 верхнего насоса 4 размещен выше динамического уровня 9 выделившейся воды, а выход 13 сообщен с лифтовой колонной 6 для подъема обводненной нефти на поверхность скважины 7. Корпусы верхнего 4 и нижнего 5 насосов жестко соединены участком лифтовой колонны 6'. Между верхним 14 и нижним 15 червячными валами установлен редуктор 16, входной вал 17 которого соединен с низом верхнего червячного вала 14, а выходной 18 - с верхом нижнего червячного вала 15 соответствующих насосов 4 и 5. Корпус 19 редуктора 16 жестко соединен с колонной лифтовых труб 6'. Передаточное отношение редуктора 16 подбирается так, чтобы соотношение производительностей верхнего 4 и нижнего 5 насосов соответствовало соотношению количества поступающих в скважину воды и нефти с условием обеспечения гравитационного разделения водонефтяной смеси верхнего пласта 2 при противоположном вращении червячных валов 14 и 15. Привод (на чертеже не показан) насосов 4 и 5 расположен на поверхности и соединен с верхним червячным валом 14 колонной штанг 20. Колонна лифтовых труб 6 снабжена сверху оправкой (на чертеже не показана), соединенной с возможность герметичного вращения с устьевой арматурой (на чертеже не показана) под действием дополнительного привода (на чертеже не показан), размещенного на поверхности.

Установка работает следующим образом.

Предварительно изучают продуктивность и обводненность верхнего пласта 2, из чего определяют необходимое время для гравитационного разделения водонефтяной смеси, поступающей в скважину 7 из верхнего 2 пласта. Исходя из этих данных определяют суммарную производительность насосов 4 и 5 и их соотношение производительностей, а также минимальное расстояние между входами 8 и 12 соответствующих насосов 4 и 5 с учетом промежуточного слоя (на чертеже не показан), образующегося на границе «нефть-вода» 9 (динамический уровень воды) при разделении водонефтяной смеси. Подбирают насосы 4 и 5 и настраивают передаточное отношение редуктора 16 подбором шестерен (на чертеже не показаны) так, чтобы соотношение производительностей верхнего 4 и нижнего 5 насосов соответствовало соотношению количества поступающих в скважину воды и нефти с условием обеспечения гравитационного разделения водонефтяной смеси верхнего пласта 2. При этом редуктор 16 обеспечивает противоположное вращение червячных валов 14 и 15.

Затем в скважину спускают и устанавливают между пластами 2 и 3 пакер 1, собирают скважинную установку согласно необходимым требованиям, определенным в результате изучения верхнего пласта 2. Необходимое расстояние между входами 8 и 12 насосов 4 и 5 устанавливают путем подбора длины входного 17 и выходного 18 валов редуктора 16 и за счет подбора длины участка лифтовой колонны 6' с закрепленным в нем корпусом 19 редуктора 16.

Далее установку на лифтовых трубах 6, присоединенных к верхнему насосу 4 и сообщенных с его выходом 13, спускают в скважину 7, предварительно оснастив нижний насос 5 хвостовиком 21, сообщающим с подпакерным пространством 11, после герметичного взаимодействия с пакером 1, выход 10 нижнего насоса 5.

После установки привод при помощи колонны штанг 20 соединяют с червячным валом 14 верхнего насоса 4, соединенного через входной вал 16, редуктор и выходной вал 17 с червячным валом 15 нижнего насоса 5. При помощи привода и редуктора 16 начинают вращать червячные валы 14 и 15 в противоположные стороны. Так как насосы 4 и 5 выполнены разнонаправленными, то верхний насос 4 через свой вход 12, расположенный выше динамического уровня воды 9, качает по лифтовым трубам 6 нефть на поверхность, а нижний насос 5 через свой вход 8, расположенный ниже динамического уровня воды 9, качает воду через хвостовик 21 и подпакерное пространство 11 в нижний пласт 3.

В ходе эксплуатации происходит изменение обводненности продукции верхнего пласта 2 (чаще всего увеличению обводненности), что может привести к подъему динамического уровня воды 9 до входа 12 верхнего насоса 4, что недопустимо. Поэтому при увеличении обводненности выделившейся нефти из продукции верхнего пласта 2, откачиваемой верхним насосом 3 по колонне лифтовых труб 6 на поверхность, колонне лифтовых труб 6 придают вращение I дополнительным приводом, позволяющее увеличить отбор выделившейся воды нижним насосом 5 по отношении к верхнему насосу 4 и закачку ее в нижний пласт 3, снижая динамический уровень воды 9. Такую операцию можно производить как в постоянном режиме для стабилизации динамического уровня воды 9, так и периодически - периодически снижая этот уровень 9.

Иногда происходит и снижение обводненности продукции верхнего пласта 2 (при проведении его стимуляции, например, обработкой реагентами). Поэтому в качестве лифтовых труб 6 на таких скважинах используют колонну лифтовых труб, а при снижении обводненности выделившейся нефти из продукции верхнего пласта 2, откачиваемой верхним насосом 3 по колонне лифтовых труб 6 на поверхность, колонне лифтовых труб 6 придают вращение II дополнительным приводом, позволяющее увеличить отбор выделившейся нефти верхним насосом 4 по отношении к нижнему насосу 5, повышая динамический уровень воды 9. Такую операцию можно производить как в постоянном режиме для стабилизации динамического уровня воды 9, так и периодически - периодически снижая этот уровень 9. При последующем увеличении обводненности верхнего пласта 2 вращение колонны лифтовых труб 6 прекращают или предают ей противоположное вращение I.

Расположение на поверхности скважины 7 привода позволяет проводить за ним постоянный контроль и, в случае необходимости, ремонт, затрачивая минимальное время и исключая аварийные ситуации.

Наличие редуктора 16 позволяет упростить подбор насосов 4 и 5 с требуемой производительностью и исключить использование более дорого и редко используемого насоса 5 обратной направленности, то есть с закрученным налево червячным валом 15 и корпусом насоса 5.

Предлагаемая скважинная насосная установка является простой и надежной в обслуживании и эффективной в эксплуатации конструкцией за счет расположения привода на поверхности и отсутствия устройств, перекрывающих входы насосов и снижающих их КПД, при этом она позволяет упростить подбор насосов требуемой производительности и исключить использование дефицитных и дорогих насосов с левой винтовой парой, при этом исключить замену насосов при изменении обводненности продукции верхнего пласта за счет возможности вращения лифтовых труб.