Способ управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин и устройство для его реализации

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для автоматического управления технологическими процессами. При реализации способа осуществляют открытие и закрытие запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела или электрического тока в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры и подземных клапанов-отсекателей в заданной последовательности. Способ осуществляют при помощи смонтированной в шкафу системы управления, включающей приборы КиП и А, а также гидравлическую систему. Гидравлическая система выполнена с возможностью управления исполнительными механизмами запорно-регулирующей арматуры с задержкой времени и в определенной последовательности. В шкафу дополнительно смонтировано оборудование для управления электрическими приводами запорно-регулирующей арматуры, которая установлена на фонтанной арматуре, а также трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления на одной общей раме. Технический результат заключается в упрощении процесса управления добычей полезных ископаемых, а также в повышении надежности эксплуатации скважин месторождения углеводородного сырья. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке устройств для автоматического управления технологическими процессами и предназначено повысить надежность эксплуатации скважин месторождения углеводородного сырья, преимущественно газовых или газоконденсатных.

Известен способ управления фонтанными арматурами куста скважин, заключающийся в открытии и закрытии фонтанной арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы боковых и стволовых задвижек, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела для управления приводами исполнительных механизмов используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, а открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы (Патент РФ №2362004, МПК Е21В 33/03, 43/12).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Предварительно в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, создают давление жидкости, используемой в станции управления в качестве рабочего тела. Использование пневмогидроаккумуляторов давления позволит поддерживать давление рабочего тела в системе в случае отключения станции от сети питания как минимум до 3-х раз. Далее жидкость под давлением поступает в исполнительные механизмы системы для дальнейшего использования. Открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы, т.к. именно такая последовательность действий при открытии/закрытии обеспечивает безаварийное открытие/закрытие скважины. Динамику работы системы управления фонтанными арматурами определяют характеристиками дополнительных аккумуляторов давления и регулировкой дросселей, установленных на линии подачи рабочей жидкости в приводы исполнительных механизмов, и подбирают таким образом, чтобы обеспечить безаварийное закрытие скважины в заданной последовательности. Жидкость, используемая в качестве рабочего тела, после использования в исполнительных механизмах системы поступает в бак гидравлический рабочего тела.

Для реализации указанного способа предложена станция управления фонтанными арматурами, содержащая шкаф станции, в котором смонтирована гидравлическая система для управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем скважин, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы, распределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления стволовой и боковой задвижками, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем, отличающееся тем, что в гидравлической системе установлены аккумуляторы давления, соединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления, мультипликаторами и трубопроводами для подачи рабочей жидкости в исполнительные механизмы боковой задвижки, стволовой задвижки, подземного клапана-отсекателя и клапана, регулирующего дебет скважины (Патент РФ№2362004, МПК Е21В 33/03, Е21В 43/12).

Основными недостатками данного устройства является то, что в этом случае запорно-регулирующая арматура, принадлежащая кусту скважин, в частности, шлейфовая и факельная и задвижки, управляется автономно, по отдельным командам, независимо от подземного клапана-отсекателя, стволовой и боковой задвижек, которые управляются по командам от шкафа управления станции, что снижает надежность работы всей системы в целом. Кроме этого, при установке данного устройства на кусте скважин требуется значительное время, обусловленное необходимостью установки и настройки в полевых условиях каждого элемента обвязки скважин, что также приводит к значительным материальным и временным затратам.

Известен способ управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, содержащего, как минимум, одну скважину, преимущественно две скважины, заключающийся в открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры обвязки каждой скважины, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, при этом в качестве рабочего тела для управления приводами исполнительных механизмов используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, размещенную в шкафу управления, при этом открытие фонтанной арматуры для подачи пластового флюида из скважины осуществляют в определенной последовательности с задержкой времени, определяемой технологическим регламентом и инертностью приводов исполнительных механизмов, а также безопасностью работы системы, при этом рабочую жидкость из насосно-акумуляторной установки шкафа управления дополнительно подают в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры, принадлежащей кусту скважин, например, в регулирующие клапаны для обеспечения заданного дебита и давления пластового флюида после фонтанной арматуры, размещаемые, например, на фонтанных арматурах или трубопроводах обвязки скважин, а также на факельные задвижки системы технологических и аварийных сбросов, например, на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовые задвижки системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор, которые при этом размещают на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например, на одной общей раме со шкафом управления, причем открытие запорно-регулирующей арматуры каждой скважины для подачи пластового флюида из скважины в коллектор осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, шлейфовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения указанной последовательности, причем данный алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, например, при помощи программного обеспечения, при этом подачу рабочей жидкости в исполнительные механизмы факельной задвижки и углового дроссельного клапана осуществляют по мере необходимости, например, при сбросе расхода пластового флюида на факельную установку, или регулировании дебита скважины соответственно.

Для реализации указанного способа используется устройство, содержащее шкаф станции, в котором смонтирована гидравлическая система для управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем скважин, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы, распределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления стволовыми и боковыми задвижками, так и по линии управления подземными клапанами-отсекателями, причем в гидравлической системе установлены аккумуляторы давления, соединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления, мультипликаторами и трубопроводами для подачи рабочей жидкости в исполнительные механизмы боковых и стволовых задвижек, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины, при этом в шкафу дополнительно смонтированы линии управления шлейфовыми и, например, факельными задвижками, при этом шлейфовые и факельные задвижки установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например, на одной общей раме (патент РФ №2453686, Заявка №2010146722/03 от 18.11.2010, МПК Е21В 43/12, Е21В 34/16 - прототип).

При реализации способа осуществляют открытие и закрытие запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры и подземных клапанов-отсекателей в заданной последовательности, а также клапанов, регулирующих дебет каждой скважины. Способ осуществляют при помощи смонтированной в шкафу станции управления, включающей приборы КиП и А, а также гидравлическую систему. Гидравлическая система содержит пневмогидроаккумуляторы давления, объединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами, и выполнена с возможностью управления исполнительными механизмами запорно-регулирующей арматуры с задержкой времени и в определенной последовательности. При этом в шкафу станции дополнительно смонтированы линии управления шлейфовыми и факельными задвижками, которые установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например на одной общей раме.

Недостатками являются сложность конструкции, обусловленная наличием гидравлических приводов запорно-регулирующей арматуры, необходимость организации обогрева оборудования в специальных термошкафах.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, повышение надежности работы запорно-регулирующей арматуры всей обвязки скважины, обеспечение автономной работы комплекса обвязки куста газовых скважин на неэлектрофицированных месторождениях и снижение затрат, связанных с обвязкой и эксплуатацией скважин.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, содержащего, как минимум, одну скважину, заключающемся в открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем приведения в действие соответствующих исполнительных механизмов запорно-регулирующей арматуры, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, причем в качестве рабочего тела для управления приводом, по крайней мере, одного исполнительного механизма используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в гидравлической установке высокого давления, содержащей оборудование для повышения давления жидкости, и размещенной в шкафу управления, при этом факельные задвижки системы технологических и аварийных сбросов на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовые задвижки системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор размещают на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления на одной общей раме со шкафом управления, причем открытие запорно-регулирующей арматуры каждой скважины для подачи пластового флюида из скважины в коллектор осуществляют в последовательности, определенной технологическим процессом, закрытие - в обратном порядке, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения указанной последовательности, при этом данный алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, предпочтительно, при помощи программного обеспечения, согласно изобретению, рабочую жидкость из гидравлической установки высокого давления подают в исполнительные механизмы подземных клапанов-отсекателей, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполняют электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещаемых на фонтанной арматуре, выполняют или гидравлическими или электрическими.

В варианте применения способа, в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют установку на базе двигателя Стирлинга, при этом тепло, вырабатываемое при работе двигателя Стирлинга, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.

В варианте применения способа, в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют дизельно - генераторную установку, при этом тепло, вырабатываемое при работе упомянутой установки, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.

Для реализации указанного способа предложено устройство, содержащее шкаф станции, в котором смонтирована система для управления запорно-регулирующей арматурой, и подземным клапаном-отсекателем, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы с приводами, при этом шлейфовые и факельные задвижки установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, на одной общей раме, источник энергии для обеспечения работы приводов исполнительных механизмов, в котором, согласно изобретению, исполнительный механизм подземного клапана-отсекателя выполнен гидравлическим, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполнены электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещенных на фонтанной арматуре, выполнены или гидравлическими или электрическими.

В варианте изготовления, источник электрической энергии выполнен в виде автономной установки на базе двигателя Стирлинга и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.

В варианте изготовления, источник электрической энергии выполнен в виде дизельно-генераторной установки и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.

В предложенном способе управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, обеспечение автономности работы модуля обеспечивается применением отдельно стоящих блоков - автономных источников питания на базе двигателя Стирглинга или дизельно-генераторной установки. Применение автономных источников питания позволяет отказаться от потребления внешней электроэнергии, например, от линий электропередач, что в свою очередь позволяет уменьшить затраты на обустройство куста газовых скважин. Функционирование источников автономного питания обеспечивается двумя этапами: выработка электроэнергии, сохранение и выдача электроэнергии. Выработка электроэнергии производится несколькими способами для обеспечения повышения надежности и безопасности, например, устройства на базе двигателя Стирлинга и дизельно-генераторная установка. Накопление электроэнергии реализуется применением аккумуляторных батарей, что также позволяет обеспечить оптимальное и рациональное потребление электроэнергии потребителями в течение всего времени эксплуатации комплекса оборудования.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующие сущность предлагаемого изобретения, не известны в настоящее время. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки предлагаемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений, с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем, что предложенное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы управления фонтанными арматурами куста скважин, изготовлено заявителем и прошло испытания с достижением заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сбоку устройства для реализации указанного способа, на фиг. 2 показан вид сверху устройства для реализации указанного способа, на фиг. 3 - пневмогидравлическая схема устройства.

Предложенный способ может быть реализован при помощи модуля, имеющего следующую конструкцию.

При описании работы рассматривается вариант исполнения модуля с гидроприводным подземным клапаном отсекателем, и со стволовой, боковой, шлейфовой задвижками, угловым дроссельным клапаном с электроприводами.

На раме 1 модуля установлены шкаф управления 2, газопровод 3 и метанолопровод 4, закрепленные на стойках рамы.

В состав газопровода входят шлейфовая задвижка 5 с электроприводом, факельная задвижка с ручным приводом 6, расходомер 7, датчик температуры среды 8, датчик давления среды 9.

В состав метанолопровода входит блок дозирования ингибитора 10, размещенный на стойках рамы.

На раме 1 размещены лотки 11 для размещения кабелей, соединяющих электрооборудование модуля с выходными клеммными коробками 12 силовых и информационных цепей.

Импульсная трубка для управления ПКО выходят из шкафа управления 2 и подсоединяется к выходной панели, расположенной на стойках рамы 1.

Импульсные трубки, идущие на фонтанную арматуру, подсоединяются к панели при монтаже на месте эксплуатации.

В шкафу управления 2 располагаются блок управления ПКО для управления подземным клапаном-отсекателем по гидравлической импульсной линии 13, электрооборудование и блоки управления и индикации для управления стволовой 14, боковой 15, шлейфовой 5 задвижками, угловым дроссельным клапаном 16 с электроприводами. Стволовая 14 и боковая 15 задвижки, угловой дроссельный клапан 17 с электроприводами размещаются на фонтанной арматуре.

Также в состав модуля входит источник автономного электрического питания 17 или 18, размещенный на отдельной раме и электрически связанный с оборудованием модуля при помощи электрических кабелей 19.

Предложенный способ может быть реализован при помощи указанного модуля следующим образом.

Газопровод подсоединяют к фонтанной арматуре скважины, с одной стороны, и газосборному коллектору, с другой.

Источник автономного электрического питания 17 приводят в рабочее положение для получения электрической энергии для оборудования модуля.

В пневмогидроаккумуляторах давления, объединенным с баком рабочего тела, насосами создают давление жидкости, используемой в шкафе управления в качестве рабочего тела. Использование пневмогидроаккумуляторов давления позволяет поддерживать давление рабочего тела в системе в случае отключения шкафа от сети питания. Далее жидкость под давлением поступает через импульсные трубки в исполнительный механизм подземного клапана-отсекателя (не обозначен) каждой скважины. С задержкой времени, определяемой порядком и интервалами времени открытия скважины, на арматуру с электроприводами, в частности, на шлейфовую задвижку 5, угловой дросселирующий клапан 16, стволовую 14 и боковую 15 задвижки подается электрический сигнал, при этом открытие фонтанной арматуры, и арматуры, принадлежащей кусту скважин, для подачи пластового флюида из скважины в коллектор, осуществляют в заранее установленной последовательности.

Добываемый пластовый флюид поступает со скважины в газопровод 3 и далее в газосборный коллектор. Расход флюида измеряют при помощи расходомера газа 7. Для исключения гидратообразования, в линию подачи газа от фонтанной арматуры подается ингибитор из трубопровода подачи ингибитора 4.

Закрытие указанной арматуры осуществляют в порядке, обратном открытию, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения заданной последовательности, причем требуемый алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, при помощи программного обеспечения.

Размещение факельной задвижки 6 системы технологических и аварийных сбросов на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовой задвижки 5 системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор, на трубопроводе, в непосредственной близости от шкафа управления 2, на одной общей раме 1, позволяет значительно сократить время на монтаж, настройку и испытания оборудования, существенно уменьшить площадь, необходимую для установки оборудования для обслуживания скважины. В этом случае все оборудование, в частности, работа факельной 6 и шлейфовой задвижек 5, расходомера 7, системы подачи ингибитора 10, шкафа управления 2, которое монтируется на одной общей раме 1, испытывается и проверяется в заводских условиях, после чего в полной заводской готовности поставляется на место эксплуатации.

Жидкость, используемая в качестве рабочего тела, после использования в исполнительных механизмах системы поступает в бак гидравлический рабочего тела, размещенный в шкафу управления 2.

Для контроля текущего состояния шкафа управления 2 и модуля в составе блока управления предусмотрены измерительные каналы аналоговых сигналов и каналы обработки дискретных сигналов для подключения первичных преобразователей и датчиков, входящих в систему управления станции и модуля, а также каналы для формирования управляющих воздействий на исполнительные органы.

В варианте исполнения, электрическая энергия, необходимая для управления электроприводами запорно-регулирующей арматуры, вырабатывается при помощи источника 17 автономного электрического питания на базе двигателя Стирлинга, при этом тепло, вырабатываемое при работе двигателя Стирлинга, используется для обогрева шкафа управления и оборудования, размещенных на раме 1.

В варианте исполнения, электрическая энергия, необходимая для управления электроприводами запорно-регулирующей арматуры, вырабатывается при помощи дизель - генераторной установки 18, при этом тепло, вырабатываемое при работе упомянутой установки, используется для обогрева шкафа управления и оборудования, расположенных на раме 1.

Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного устройства подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность работы запорно-регулирующей арматуры всей обвязки скважины и снизить затраты, связанные с обвязкой и эксплуатацией месторождений углеводородного сырья, преимущественно, газоконденсатного скважин.

1. Способ управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, содержащего, как минимум, одну скважину, заключающийся в открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем приведения в действие соответствующих исполнительных механизмов запорно-регулирующей арматуры, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, причем в качестве рабочего тела для управления приводом, по крайней мере, одного исполнительного механизма используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в гидравлической установке высокого давления, содержащей оборудование для повышения давления жидкости, и размещенной в шкафу управления, при этом факельные задвижки системы технологических и аварийных сбросов на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовые задвижки системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор размещают на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления на одной общей раме со шкафом управления, причем открытие запорно-регулирующей арматуры каждой скважины для подачи пластового флюида из скважины в коллектор осуществляют в последовательности, определенной технологическим процессом, закрытие - в обратном порядке, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения указанной последовательности, при этом данный алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, предпочтительно, при помощи программного обеспечения, отличающийся тем, что рабочую жидкость из гидравлической установки высокого давления подают в исполнительные механизмы подземных клапанов-отсекателей, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполняют электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещаемых на фонтанной арматуре, выполняют или гидравлическими или электрическими.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют установку на базе двигателя Стерлинга, при этом тепло, вырабатываемое при работе двигателя Стирлинга, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют дизельно-генераторную установку, при этом тепло, вырабатываемое при работе упомянутой установки, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.

4. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее шкаф станции, в котором смонтирована система для управления запорно-регулирующей арматурой, и подземным клапаном-отсекателем, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы с приводами, при этом шлейфовые и факельные задвижки установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, на одной общей раме, источник энергии для обеспечения работы приводов исполнительных механизмов, отличающееся тем, что исполнительный механизм подземного клапана-отсекателя выполнен гидравлическим, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполнены электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещенных на фонтанной арматуре, выполнены или гидравлическими или электрическими.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источник электрической энергии выполнен в виде автономной установки на базе двигателя Стерлинга и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источник электрической энергии выполнен в виде дизельно-генераторной установки и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.