установка скважинная штанговая насосная для закачки воды в пласт

Формула изобретения

1. Установка скважинная штанговая насосная для закачки воды в пласт, содержащая пакер, установленный выше пласта, колонну труб с нагнетательным и всасывающим клапанами, плунжерный насос с цилиндром, спускаемым на колонне труб и установленным выше клапанов, и плунжером, соединенным со штангами и устьевым штоком с герметизатором на устье, при этом всасывающий клапан сообщен с надпакерным пространством, нагнетательный - с подпакерным пространством, отличающаяся тем, что герметизатор устьевого штока снабжен емкостью для смазки, межтрубное пространство скважины сообщено с подводящим воду трубопроводом, а плунжер дополнительно снабжен устройством для его принудительного хода вниз, при этом ниже нагнетательного клапана установлен дополнительный нагнетательный клапан, сообщенный с подпакерным пространством и с выходом нагнетательного клапана через разъединительное устройство.

2. Установка скважинная штанговая насосная для закачки воды в пласт по п.1, отличающаяся тем, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде соединенных с ним грузов.

3. Установка скважинная штанговая насосная для закачки воды в пласт по п.1, отличающаяся тем, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде пневмоаккумулятора, рабочей полостью которого является верхняя часть колонны труб.

4. Установка скважинная штанговая насосная для закачки воды в пласт по п.1, отличающаяся тем, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде соединенных с ним дополнительных грузов и пневмоаккумулятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к установкам для закачки необходимых объемов воды в пласты с целью поддержания пластового давления или ее утилизации, например, на кусте скважин.

Известна установка для закачки жидкости из водоносного пласта скважины в нефтеносный пласт (патент RU № 2288353, МПК E21B 43/14, опубл. 27.11.2006 г. Бюл. № 33), содержащая пакер, колонну труб с всасывающим клапаном, погружной штанговый насос, который установлен выше всасывающего клапана в составе колонны труб, дополнительно оснащенный каналом, через который надпоршневая полость насоса сообщена с нефтеносным пластом, и имеющей возможность ее герметизации на устье скважины с насосными штангами штангового насоса. При этом подпоршневая полость насоса имеет возможность сообщения с водоносным пластом при открытом положении всасывающего клапана. Колонна насосных штанг имеет датчик веса, установленный на устье скважины и имеющий возможность отключения и включения привода в зависимости от заполнения заколонного пространства жидкостью из водоносного пласта.

Недостатком установки является низкая надежность работы, связанная с тем, что давление закачки создается при ходе колонны штанг вверх, вследствие чего возрастает максимальная нагрузка на колонну штанг, увеличивается амплитуда ее нагрузок, особенно при использовании насосов больших типоразмеров и в скважинах с высоким давлением принимающего жидкость пласта, что снижает долговечность работы колонны штанг и установки в целом.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является установка для закачки жидкости из водоносного пласта скважины в нефтеносный пласт (патент RU № 2287672 МПК E21B 43/14, опубл. 20.11.2006 г. Бюл. № 32), содержащая пакер, колонну труб с нагнетательным и всасывающим клапанами, размещенными ниже и выше пакера, насос. Установка имеет возможность герметизации на устье скважины заколонного пространства скважины. Насос выполнен погружным в виде цилиндра с поршнем, который установлен в составе колонны труб выше всасывающего и нагнетательного клапанов, при этом всасывающий клапан расположен в зоне водоносного пласта, а нагнетательный - в зоне нефтеносного пласта с возможностью всасывания жидкости из водоносного пласта через заколонное пространство до тех пор, пока поршень не достигнет крайнего верхнего положения при ограниченных возвратно-поступательных его перемещениях относительно цилиндра и закачки жидкости из цилиндра через заколонное пространство ниже пакера в нефтеносный пласт, пока поршень не достигнет крайнего нижнего положения, причем колонна насосных штанг на устье скважины оснащена датчиком нагрузки с возможностью отключения и включения привода насоса в зависимости от заполнения заколонного пространства жидкостью из водоносного пласта.

Недостатками установки являются:

- ограниченная область применения, поскольку ее невозможно использовать в нагнетательных скважинах, где требуется высокое избыточное давление закачки, поскольку при ходе поршня вниз веса колонны штанг может быть недостаточно для создания давления, необходимого для закачки жидкости в пласт, особенно при использовании насосов больших типоразмеров;

- низкая надежность работы установки, связанная с отсутствием фильтра на входе во всасывающий клапан насоса, куда при всасывании вместе с жидкостью могут попасть различные механические включения, в том числе и плавающие, что может привести к выходу из строя всасывающего и нагнетательного клапанов;

- низкая эффективность применения установки за счет значительных сроков ремонта скважины, поскольку перед извлечением из скважины вышедшего из строя оборудования созданное при работе установки высокое избыточное давление в закачиваемом пласте не позволяет заглушить скважину применяемы-ми на промыслах жидкостями глушения, что потребует длительного стравливания давления из этого пласта, увеличивает сроки простоя скважины и приведет к потерям нефти из находящихся под влиянием нефтяных скважин.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы расширить область применения установки в нагнетательных скважинах с высоким давлением закачки, повысить надежность работы установки за счет повышения надежности работы всасывающего и нагнетательного клапанов, а также повысить эффективность эксплуатации скважины за счет сокращения сроков ее ремонта.

Указанная техническая задача решается установкой скважинной штанговой насосной для закачки воды в пласт (далее - установка), содержащей пакер, установленный выше пласта, колонну труб с нагнетательным и всасывающим клапанами, плунжерный насос с цилиндром, спускаемым на колонне труб и установленным выше клапанов, и плунжером, соединенным со штангами и устьевым штоком с герметизатором на устье, при этом всасывающий клапан сообщен с надпакерным пространством, нагнетательный - с подпакерным пространством.

Новым является то, что герметизатор устьевого штока снабжен емкостью для смазки, межтрубное пространство скважины сообщено с подводящим воду трубопроводом, а плунжер дополнительно снабжен устройством для его принудительного хода вниз, при этом ниже нагнетательного клапана установлен дополнительный нагнетательный клапан, сообщенный с подпакерным пространством и с выходом нагнетательного клапана через разъединительное устройство.

Новым является то, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде соединенных с ним грузов.

Новым является также то, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде пневмоаккумулятора, рабочей полостью которого является верхняя часть колонны труб.

Новым является также и то, что устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде соединенных с ним дополнительных грузов и пневмоаккумулятора.

На фиг. 1 схематично показана установка с устройством для принудительного хода плунжера вниз, выполненным в виде соединенных с ним дополнительных грузов.

На фиг. 2 схематично показана установка с устройством для принудительного хода плунжера вниз, выполненным в виде пневмоаккумулятора, рабочей полостью которого является верхняя часть колонны труб.

Установка содержит пакер 1 (см. фиг. 1), установленный выше пласта 2, колонну труб 3 с нагнетательным 4 и всасывающим 5 клапанами, плунжерный насос 6 с цилиндром 7, спускаемым на колонне труб 3 и установленным выше нагнетательного 4 и всасывающего 5 клапанов, и плунжером 8, соединенным со штангами 9 и устьевым штоком 10 с герметизатором 11 на устье 12, при этом всасывающий клапан 5 сообщен с надпакерным пространством 13, а нагнетательный клапан 4 - с подпакерным пространством 14.

Герметизатор 11 устьевого штока 10 снабжен емкостью 15 для смазки 16. Межтрубное пространство 17 скважины сообщено с подводящим воду трубопроводом 18, а плунжер 8 дополнительно снабжен устройством 19 для его принудительного хода вниз. Ниже нагнетательного клапана 4 установлен дополнительный нагнетательный клапан 20, сообщенный с подпакерным пространством 14 и с выходом 21 нагнетательного клапана 4 через разъединительное устройство 22.

Устройство 19 для принудительного хода вниз плунжера 8 выполнено:

- в виде соединенных с ним грузов 23, расположенных выше и/или ниже плунжера 8;

- в виде пневмоаккумулятора 24 (см. фиг. 2), рабочей полостью 25 которого является верхняя часть колонны труб 3;

- в виде соединенных с ним грузов 23 (см. фиг. 1), расположенных выше и/или ниже плунжера 8 и пневмоаккумулятора 24 (см. фиг. 2), рабочей полостью 25 которого является верхняя часть колонны труб 3 (на фиг. вместе не показано).

Монтаж в скважине установки производится в следующем порядке. Сначала в скважину на заданную глубину на технологической колонне труб с применением известного посадочного инструмента, например, ИПМ5 (на фиг. не показано), спускают пакер 1 (см. фиг. 1) с присоединенным к нему дополнительным нагнетательным клапаном 20, который может быть размещен как выше пакера 1, так и под пакером 1 (на фиг. не показано). Посадочный инструмент устанавливается выше пакера 1 и нагнетательного клапана 20. По достижению заданной глубины производится посадка пакера 1 в скважине, после чего технологическая колонна при помощи посадочного инструмента отсоединяется и извлекается на поверхность, а пакер 1 с дополнительным клапаном 20 и корпусом 26 посадочного инструмента автономно остаются в скважине. Затем в скважину на колонне труб 3 спускают насосное оборудование в следующей последовательности: в самом низу устанавливается ниппель 27, затем нагнетательный 4 и всасы-вающий 5 клапан, к которому присоединяется цилиндр 7 насоса 6. При применении установки в глубоких скважинах между цилиндром 7 и всасывающим клапаном 5 устанавливают необходимой длины хвостовик 28. Спуск оборудования на колонне труб 3 ведут до посадки ниппеля 27 в корпус 26. Затем на штангах 9 спускают плунжер 8 в цилиндре 7. Полость колонны труб 3 над плунжером 8 за-полняется жидкостью через вентиль 29.

Плунжер 8 спускают на штангах 9 вместе с грузами 23 или без них.

Установка с грузами 23 работает следующим образом.

После монтажа установки в скважине и обвязки устья 12 с трубопроводом 18 установку пускают в работу. По трубопроводу 18 вода подается в межтрубное пространство 17, по которому далее поступает вниз, в надпакерное пространство 13. Производительность подачи воды по трубопроводу 18 соответствует производительности насоса 6. При ходе плунжера 8 вверх вода из надпакерного пространства 13 через фильтр 30 поступает через открывшийся всасываю-щий клапан 5 в полость хвостовика 28 и в полость цилиндра 7 под плунжером 8. При ходе плунжера 8 вниз давление воды в полости под плунжером 8 под действием веса штанг 9, веса столба воды в колонне труб 3 и грузов 23, расположенных выше и ниже плунжера 8, начинает возрастать. Под действием этого давле-ния открываются нагнетательный клапан 4 и дополнительный нагнетательный клапан 20, а вода, поступившая ранее в насос 6 при ходе плунжера 8 вверх, будет при ходе плунжера 8 вниз нагнетаться в подпакерное пространство 14 и далее в пласт 2. Далее цикл работы установки повторяется.

Масса грузов, необходимая для осуществления закачки в пласт воды по предполагаемому давлению закачки для обеспечения заданной приемистости, может быть определена по формуле

где Q_гр - масса грузов, кг;

Р_зак - предполагаемое давление закачки, Па;

F_пл - площадь сечения плунжера, м²;

Q_шт - вес штанг, Н;

b - коэффициент потери веса штанг и грузов в жидкости;

Q_ж - вес жидкости в колонне труб, Н;

Т_пл - сила трения в плунжерной паре насоса, Н;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Работа установки с пневмоаккумулятором 24 (см. фиг.2) аналогична работе установки с грузами 23 (см. фиг.1).

После монтажа установки в скважине (см. фиг.2) колонну труб 3 заполняют водой, оставляя верхнюю часть колонны труб 3 незаполненной. Через вентиль 29 верхнюю часть колонны труб 3 заполняют газом под давлением, образуя рабочую полость 25 пневмоаккумулятора 24.

При ходе штанг 9 и плунжера 8 вверх жидкость, находящаяся над плунжером 8, также поднимается вверх, при этом преодолевается давление газа в рабочей полости 25 пневмоаккумулятора 24. При ходе штанг 8 вниз давление газа в рабочей полости 25 через столб жидкости в колонне труб 3 действует сверху на плунжер 8 и способствует преодолению противодавления в пласте 2, возникающего при закачке в него воды.

Давление газа в рабочей полости 25 пневмоаккумулятора 24 в зависимости от предполагаемого давления закачки воды в пласт определяют по формуле

где Р_пн - давление газа в пневмоаккумуляторе, Па.

При необходимости закачки воды в пласт с очень низкой приемистостью и недостаточности усилий для преодоления давления закачки при ходе плунжера вниз рассмотренными выше вариантами выполнения установки, может быть ор-ганизована третья компоновка установки, в которой совмещены обе рассмотренные выше компоновки, и в которой устройство для принудительного хода вниз плунжера выполнено в виде соединенных с ним дополнительных грузов 23 (см. фиг.1) и пневмоаккумулятора 24 (см. фиг.2) одновременно (на фиг. вместе не показано).

Работа такой компоновки устройства аналогична рассмотренным выше компоновкам установки. В этом случае, в соответствии с формулой (2), давление газа в рабочей полости 25 (см. фиг.2) пневмоаккумулятора 24 в зависимости от предполагаемого давления закачки воды в пласт определяют с учетом массы грузов 23 по формуле

Применение фильтра 30 (см. фиг. 1) на входе во всасывающий клапан 5 позволяет исключить попадание механических примесей в клапаны 5, 4 и 20, повысить надежность их работы и, соответственно, надежность работы установки в целом.

Уровень жидкости в колонне труб 3 во всех компоновках установки располагается ниже устьевого штока 10, поэтому герметизатор 11 устьевого штока 10 не может смазываться и охлаждаться этой жидкостью. С целью исключения сухого трения и перегрева герметизатора 11 при возвратно-поступательном движении устьевого штока 10, герметизатор 11 снабжен емкостью 15, в которую заливают смазку 16. Такое выполнение герметизатора 11 обеспечивает его смазку, охлаждение и надежную долговечную работу.

При выходе насоса 6 из строя его извлекают из скважины, при этом в скважине остается автономно размещенный в скважине пакер 1 и дополнительный нагнетательный клапан 20. Разъединение от автономно размещенного в скважине оборудования производится с помощью разъединительного устройства 22. Поскольку при работе насоса в пласт производилась закачка воды, то давление в пласте и подпакерной полости значительно превышает гидростатическое давление в надпакерной полости скважины, за счет чего дополнительный нагнетательный клапан 20, в качестве которого может быть использован и клапан-отсекатель (на фиг. не показан), находится в закрытом состоянии, что позволяет извлечь из скважины все оборудование, соединенное с колонной труб 3, при этом исключить излив воды из скважины на устье без применения жидкостей глушения или длительного стравливания давления из пласта.

Такое выполнение установки позволяет расширить область ее применения в нагнетательных скважинах с высоким давлением закачки, повысить надежность работы установки за счет повышения надежности работы всасывающего и нагнетательного клапанов, а также повысить эффективность эксплуатации скважины за счет сокращения сроков ее ремонта.