Способ получения газожидкостной смеси и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для получения газожидкостной смеси, используемой при работах на нефтяных и газовых скважинах, и устройствам для его осуществления. Способ получения газожидкостной смеси при скважинных работах для использования ее в качестве промывочного агента при равновесии или отрицательном перепаде давления в системе скважина-пласт включает смешивание жидкости и газа перед скважиной или в скважине, подачу газожидкостной смеси на забой и разделение выходящего из скважины газожидкостного потока с шламом на жидкую, твердую и газовую фазы с последующим повторением подачи жидкой фазы по замкнутому циклу. Характерной особенностью способа является то, что повторно по замкнутому циклу к месту смешивания подают и газовую фазу, предварительно повысив ее давление. Устройство для осуществления способа содержит насос для подачи в скважину жидкости, соединенный всасывающей линией с приемной емкостью, а нагнетательной -со скважиной, независимый источник инертного газа, сообщенный с нагнетательной линией указанного насоса, трехфазный сепаратор, сообщенный через первый дроссель с выходным трубопроводом скважины и соединенный отдельными трубопроводами с шламосборником, приемной емкостью насоса и факельной свечой. Характерной особенностью устройства является то, что оно снабжено бустерной насосно-компрессионной установкой, сообщенной отдельными трубопроводами с независимым источником инертного газа низкого давления, нагнетательной линией указанного насоса и линией газового вывода указанного трехфазного сепаратора. При этом в последней после места ее соединения с соответствующим трубопроводом указанной бустерной установки дополнительно установлен второй дроссель. Такое выполнение способа и устройства обеспечивает повышение эффективности получения газожидкостной смеси за счет существенного снижения капитальных и эксплуатационных расходов. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам получения газожидкостной смеси, используемой в качестве промывочного (циркуляционного) агента при работах на нефтяных и газовых скважинах, таких как бурение скважины с равновесием или с отрицательным перепадом давления (синонимы: с отрицательным дифференциальным давлением, с депрессией на пласт, английский термин "underbalance drilling), вскрытие продуктивного пласта, чистка песчаных пробок, вызов и интенсификация притока пластовой жидкости методом глубоких депрессий и т.п., и к устройствам для осуществления указанного способа.

При вышеперечисленных работах в качестве промывочного агента используют газожидкостную смесь, в которой жидкая фаза может быть представлена буровым раствором или водным раствором поверхностно-активного вещества, нефтью или дизельным топливом, а газовая фаза - инертным по условиям пожаровзрывобезопасности в углеводородной среде газом - азотом, природным или попутным газом, углекислым газом или выхлопным газом двигателя внутреннего сгорания. Газожидкостную смесь при этом получают путем смешивания на поверхности нагнетаемой насосом (например, буровым насосом) жидкости с инертным газом, нагнетаемым специальной установкой. Полученная газожидкостная смесь под высоким давлением нагнетателя, как правило, по трубной колонне в скважину до ее забоя и после выполнения своих функций (при бурении и вскрытии пласта - охлаждение бурового долота и вынос шлама, при чистке песчаных пробок - вынос материала пробки, при интенсификации притока - вынос закупоривающего каналы пласта материала) возвращается на поверхность по кольцевому пространству скважины, вынося с забоя твердые частицы. При этом газовая фаза газожидкостной смеси расширяется по мере приближения к поверхности и снижает тем самым забойное давление (см. , например, книгу Амияна А.В. Применение двухфазных пен в нефтедобыче.- M.: Высшая школа, 1983, с. 51-55, рис. 11-12 - Приложение 1). Регулируя соотношение фаз и устьевое давление с помощью дроссельного устройства, обеспечивают заданную величину депрессии на пласт. Выходящая из скважины газожидкостная смесь разделяется известным устройством (трехфазным сепаратором) на твердую, жидкую и газовую фазы, после чего шлам отводится в шламосборник, жидкость возвращается на прием насоса, а газ сбрасывается через факельную свечу в атмосферу, где сгорает в факеле, если он горюч. Основным недостатком описанного способа является непрерывный расход инертного газа, что резко удорожает проведение указанных выше работ.

Известен также способ, описанный S.D.Butter и др. в части, опубликованной в журнале "Oil and Gas Journal", v. 94, N 38, p. 31-39 от 16.09.96 г. "Monitoring downhole pressures and flow rates critical for underbalanced drilling" (США). Это способ, так же как и указанный выше, предусматривает непрерывный расход газа при получении газожидкостной смеси и имеет тот же недостаток. Согласно указанному источнику способ применяется при бурении с отрицательным перепадом давления в системе скважина-пласт.

За прототип заявленного технического устройства могут быть приняты способ и устройства, описанные в статье "UK's l st underbalanced, multilateral, CT-drilled well boosts production 400%", опубликованной в журнале "Dtilling Contractor" (США) за июль 1996 года, стр. 12-13 (Приложение 2).

Согласно этому способу и устройству для его осуществления газожидкостную смесь для использования в скважине в качестве промывочного агента получают на поверхности путем смешивания жидкости, нагнетаемой насосом, и азота, который подается в нагнетательную линию от азотной криогенной установки, включающей резервуар жидкого азота, криогенный насос и испаритель.

Азот может подаваться также азотной компрессорной установкой высокого давления, включающей воздушный компрессор низкого давления, блок разделения воздуха и воздушный компрессор высокого давления (вариант выполнения способа и устройства). Образовавшаяся таким образом газожидкостная смесь поступает в скважину и по трубной колонне (как правило) направляется к забою скважины, где и выполняет указанные выше функции.

Смешивание жидкой и газовой фаз может происходить и в самой скважине, если она оборудована так называемой "паразитной" колонной, по которой газ поступает на заданную глубину. В этом случае жидкая фаза нагнетается как обычно по трубной колонне и смешивается с газовой фазой в месте ввода последней.

Газожидкостная смесь, содержащая шлам, затем поднимается от забоя скважины по ее затрубному пространству и, выходя из устья скважины через дроссельное устройство, направляется в трехфазный сепаратор. В сепараторе газожидкостная смесь разделяется на газовую фазу, которая направляется на факельную свечу, через которую она сбрасывается в атмосферу и сжигается в факеле (если в скважине она достаточно обогатилась горючим пластовым газом), твердую фазу, отводимую в шламосборник, и жидкую фазу, направляемую в приемную емкость насоса. Жидкая фаза, таким образом, используется повторно, т. е. работает по замкнутому циклу, а газовая фаза - однократно, т.е. работает по незамкнутому циклу.

Основным недостатком способа-прототипа является то, что циркуляция газожидкостной смеси является незамкнутой по газовой фазе, что вызывает непрерывный расход инертного газа для получения газожидкостной смеси и резко удорожает проведение указанных выше работ. Согласно указанному выше источнику (статья в журнале "Oil and Gas J.") расходы, связанные с использованием жидкого газа, могут составлять 25% от общей стоимости работ.

Устройство-прототип также обладает существенными недостатками, связанными с основным недостатком способа - незамкнутым газовым циклом со сбросом газа в атмосферу. В варианте с использованием жидкого азота - это наличие дорогой работающей непрерывно азотной установки высокого давления и высокой производительности, опасность работы с жидким азотом, требующей средств специальной защиты операторов, необходимость в сети заправочных станций жидким азотом и т.д.

В варианте с азотной компрессорной установкой высокого давления, работающей по так называемой "мембранной" технологии, - это наличие в ее составе мощного непрерывно работающего дожимного компрессора.

Кроме того, постоянный выброс в атмосферу значительного количества отработавшего в скважине газа, обогащенного в ряде случаев пластовым газом и отделенного на поверхности от газожидкостной смеси или сжигание его в факеле (при достаточном количестве пластового газа и его горючести) ухудшают экологическую обстановку на месте работы.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков прототипа и обеспечение повышения эффективности способа и устройства получения газожидкостной смеси при скважинных работах для использования ее в качестве промывочного агента при равновесии или отрицательном перепаде давления в системе скважина-пласт за счет замкнутости циркуляции газожидкостной смеси и по газовой фазе; удешевление полученной газожидкостной смеси, повышение безопасности работы и улучшение экологической обстановки на месте работы.

Для решения поставленной технической задачи в способе получения газожидкостной смеси при скважинных работах для использования ее в качестве промывочного агента при равновесии или отрицательном перепаде давления в системе скважина-пласт, включающем смешивание жидкости и газа перед скважиной или в скважине, подачу фаз этой смеси в скважину и разделение выходящего из скважины потока на жидкую, твердую и газовую фазы с последующим повторением подачи жидкой фазы по замкнутому циклу, повторно по замкнутому циклу к месту смешивания подают и газовую фазу, предварительно повысив ее давление.

Решение поставленной технической задачи достигается также и тем, что устройство для осуществления заявляемого способа содержит насос для подачи в скважину жидкости, соединенный всасывающeй линией с приемной емкостью, а нагнетательной - со скважиной, независимый источник инертного газа, сообщенный с нагнетательной линией указанного насоса, трехфазный сепаратор, сообщенный через первый дроссель с выходным трубопроводом скважины и соединенный отдельными трубопроводами со шламосборником, приемной емкостью насоса и факельной свечой. Характерной особенностью устройства является то, что оно снабжено бустерной насосно-компрессионной установкой, сообщенной отдельными трубопроводами с независимым источником инертного газа низкого давления, нагнетательной линией указанного насоса и с линией газового вывода сепаратора.

При этом в последней после места ее соединения с соответствующим трубопроводом бустерной насосно-компрессионной установки дополнительно установлен второй дроссель.

Технические признаки заявляемых способа и устройства могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники (трубопроводы, дроссели, азотно-компрессорные установки низкого давления, бустерные насосно-компрессионные установки, в частности выпускаемые отечественной фирмой ЗАО НПАК "РАНКО" и т.д.). Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы для его осуществления и достаточны, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи - повышение эффективности способа и устройства получения газожидкостной смеси при скважинных работах.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется примером его выполнения на чертеже, на котором дано схематическое изображение устройства для осуществления способа получения газожидкостной смеси при скважинных работах при равновесии или отрицательном перепаде давления в системе скважина-пласт.

Суть заявляемого способа заключается в том, что газожидкостную смесь для использования ее в качестве промывочного агента при скважинных работах получают путем смешивания жидкости (водного раствора поверхностно-активного вещества, нефти или дизельного топлива и т.п.), подаваемой насосом (например, обычным буровым насосом) с получаемым при запуске системы от отдельного источника инертным по условиям пожаровзрывобезопасности газом (азот, CO₂, природный или попутный газ, выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания и т. д.), вне скважины (например, инертный газ вводится в нагнетательную линию насоса) или в скважине (жидкая фаза нагнетается насосом по трубной колонне к забою скважины, а инертный газ - бустерной установкой по так называемой "паразитной" колонне в затрубном пространстве скважины. От забоя газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству скважины, вынося шлам. При этом на забое поток газожидкостной смеси может в той или иной степени обогащаться пластовым флюидом (нефтью, газом), когда давление столба газожидкостной смеси ниже пластового давления. По достижении устья скважины газожидкостную смесь разделяют на твердую, жидкую и газовую фазы. Жидкую фазу направляют на прием насоса, и далее она работает по замкнутому циклу. Твердые частицы отводят в шламосборник. Далее известным способом повышают давление отделенной от газожидкостной смеси газовой фазы и повторно подают ее по замкнутому циклу к месту смешивания с жидкостью. При этом примененный на начальном этапе независимый источник инертного газа низкого давления, использовавшийся при запуске системы, отключают от последней. С помощью известного устройства (факельной свечи) избыточную часть газовой фазы сбрасывают в атмосферу. Соотношение фаз и устьевого давления может регулироваться известным способом (дросселированием), чем обеспечивается заданная величина забойного давления на пласт.

Повышение давления газовой фазы перед повторным ее вводом в место смешивания с жидкостью также осуществляется известными средствами, в частности с помощью бустерной насосно-компрессионной установки, например такого типа, как выпускает фирма ЗАО НПАК "РАНКО". Регулирование давления газа, направляемого после разделения газожидкостной смеси на бустерную установку, также осуществляется дросселированием.

Заявляемый способ получения газожидкостной смеси для скважинных работ обеспечивает по сравнению с прототипом существенное снижение капитальных и эксплуатационных расходов за счет следующего: 1) многократноe снижениe общего расхода инертного газа на всю скважинную операцию благодаря замкнутой по всей фазе циркуляции; 2) использованиe более простых (менее мощных по давлению и расходу) источников инертного газа, которые эксплуатируются в течение короткого времени (при запуске системы), а не непрерывно, как это имеет место в способе-прототипe; 3) на месторождениях, где имеется природный или попутный газ низкого давления (0,5-1 МПа), отпадает необходимость использования дорогостоящих азотных установок (в том числе и часто используемых на Западе азотных криогенных установок); 4) ликвидируются или сокращаются газовые выбросы в атмосферу: при замкнутой циркуляции по газовой фазе в случае равновесия в системе скважина-пласт сброс газа в атмосферу исключен полностью, в случае же отрицательного перепада в этой системе при вскрытии пласта сброс газа уменьшается на величину, соответствующую доле газа, участвующей в циркуляции.

Устройство для осуществления заявляемого способа изображено на прилагаемом чертеже.

Устройство содержит насос 1 для подачи в скважину жидкости, соединенный всасывающей линией 2 с приемной емкостью 3. В качестве насоса 1 может быть использован обычный буровой насос. Нагнетательная линия 4 насоса соединена со скважиной 5. Устройство содержит также независимый источник подачи инертного газа 6. В качестве такого источника может быть использована азотная компрессорная установка, включающая воздушный компрессор низкого давления 7 и блок разделения воздуха 8. Как вариант выполнения изобретения в качестве независимого источника инертного газа может быть использован газопровод 9, из которого природный или попутный газ невысокого давления может отводиться к трубопроводу 10 (этот вариант показан на чертеже справа от независимого источника 6). Трубопровод 10, сообщенный с независимым источником инертного газа 6 (или 9), сообщен, кроме того, с бустерной насосно-компрессионной установкой 11 (конструкция такой установки известна и в настоящей заявке не описывается; например, такая установка выпускается фирмой ЗАО НПАК "РАНКО") и через нее и трубопровод 12 - с нагнетательной линией 4 насоса 1 или с "паразитной" колонной напрямую (не показана). Выходной трубопровод 13 скважины 5 через первое дроссельное устройство 14 известной конструкции сообщен с обычным трехфазным сепаратором 15. Вывод твердой фазы сепаратора 15 осуществлен посредством трубопровода 16 в шламосборник 17. Жидкостный вывод сепаратора 15 отдельным трубопроводом 18 соединен с приемной емкостью 3 насоса 1. С помощью трубопровода 19 газовый вывод сепаратора 15 сообщен с компрессионной камерой бустерной насосно-компрессионной установки 11. С помощью трубопровода 20 вывод сепаратора 15 сообщен с факельной свечой 21. После места соединения трубопроводов 19 и 20 в последнем установлен второй (дополнительный) дроссель 22.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Вначале включают бустерную насосно-компрессионную установку 11, в составе которой имеется собственный бак с рабочей жидкостью (не показан). После небольшого промежутка времени работы на сброс жидкости в бустерную насосно-компрессионную установку 11 по трубопроводу 10 от независимого источника 6 или 9 низкого давления (но не менее 0,5-1 МПа) подают инертный газ. Этот газ сжимается установкой 11 до требуемой величины, определяемой давлением циркуляции, и по трубопроводу 12 подается в трубопровод 4, ведущий к скважине 5.

Затем в работу вводят жидкостный насос 1, с помощью которого из приемной емкости 3 в нагнетательный трубопровод 4 подается жидкость, и, таким образом, в скважину (обычно через трубную колонну) подается газожидкостная смесь. Последняя, захватив с забоя твердые частицы (буровой шлам, закупоривающие каналы пласта частицы и пр.), выходит на поверхность по кольцевому пространству скважины и по трубопроводу 13 направляется в трехфазный сепаратор 15. С помощью дросселя 14 оператор может регулировать давление в скважине (т.е. поддерживать требуемую разницу пластового и забойного давления, что определяет глубину депрессии). В трехфазном сепараторе газожидкостная смесь разделяется на твердую, жидкую и газовую фазы. Твердая фаза направляется по трубопроводу 16 в шламосборник 17. Жидкая фаза через поплавковый клапан (не показан) по трубопроводу 18 направляется в приемную емкость 3 насоса 1. Газовая фаза направляется по трубопроводу 20 к факельной свече 21 через дроссель 22, а по трубопроводу 19, соединенному с трубопроводом 20 перед дросселем 22, - в газовую камеру установки 11. После установления заданного режима циркуляции в скважине источник газа низкого давления 6 или 9 отключают, и далее работа ведется (в отличие от прототипа) с циркуляцией жидкой и газовой фаз по замкнутому циклу. В процессе работы в скважине газожидкостная смесь может обогащаться пластовым газом и, если расход газа на выходе возрастает, то его излишек сбрасывается на факельную свечу 21 через дополнительный дроссель 22, с помощью которого обеспечивают поддержание определенного давления в сепараторе, что дает возможность получать от бустерной установки 11 необходимый расход инертного газа.

Формула изобретения

1. Способ получения газожидкостной смеси при скважинных работах для использования ее в качестве промывочного агента при равновесии или отрицательном перепаде давления в системе скважина - пласт, включающий смешивание жидкости и газа перед скважиной или в скважине, подачу газожидкостной смеси на забой и разделение выходящего из скважины газожидкостного потока с шламом на жидкую, твердую и газовую фазы с последующим повторением подачи жидкой фазы по замкнутому циклу, отличающийся тем, что повторно по замкнутому циклу к месту смешивания подают и газовую фазу, предварительно повысив ее давление.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее насос для подачи в скважину жидкости, соединенный всасывающей линией с приемной емкостью, а нагнетательной - со скважиной, независимый источник инертного газа, сообщенный с нагнетательной линией указанного насоса, трехфазный сепаратор, сообщенный через первый дроссель с выходным трубопроводом скважины и соединенный отдельными трубопроводами с шламосборником, приемной емкостью насоса и факельной свечой, отличающееся тем, что оно снабжено бустерной насосно-компрессионной установкой, сообщенной отдельными трубопроводами с независимым источником инертного газа низкого давления, нагнетательной линией указанного насоса и линией газового вывода указанного трехфазного сепаратора, причем в последней после места ее соединения с соответствующим трубопроводом указанной бустерной установки дополнительно установлен второй дроссель.

РИСУНКИ

Рисунок 1