Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Впервые термин гидрогеология применил в 1802 г. известный французский естествоиспытатель Ламарк. Значение используемого им термина почти совпадает с определением, данным Пауэллом: «Гидрогеология — наука о явлениях разрушения (эрозии) и отложения посредством воды». Термины Ламарка и Пауэлла не применялись их современниками. Термин гидрогеология в значении «геологическое изучение подземных вод» первым применил Лукас в 1879 г.

Многие  стороны гидрогеологии представляют интерес только для ученых. Тем  не менее, гидрогеология — одна из наук о Земле, которая своим возникновением в значительной мере обязана требованиям практики. Действительно, многие важные открытия в гидрогеологии сделаны в результате исследований, проведенных с целью разрешения проблем большого экономического значения. Вероятно, такое положение сохранится и в будущем, поскольку потребности в воде с ростом населения и индустриализации, несомненно, будут увеличиваться.

 

3. Техника и технология добычи нефти

Существуют два основных способа добычи нефти: фонтанный  и механизированный. Если нефть изливается на поверхность под действием естественной энергии нефтяного пласта, способ добычи называется фонтанным, если же энергии пласта недостаточно для подъема жидкости на поверхность и приходится применять дополнительное оборудование для восполнения недостающей энергии, способ добычи называется механизированным. В зависимости от вида дополнительной энергии механизированный способ подразделяется на газлифтный (компрессорный и бескомпрессорный) и глубиннонасосный (скважины оборудованы штанговыми или погружными электроцентробежными насосами).

3.1. Фонтанная эксплуатация скважин

Оборудование фонтанной  скважины состоит из следующих основных элементов: колонны подъемных (насосно-компрессорных) труб, устьевой фонтанной арматуры с выкидными линиями, отсекателя скважины и технических манометров. При добыче парафинистых нефтей и отложении парафина в выкидных линиях фонтанную скважину дополнительно снабжают устройством для запуска резиновых шаров, предназначенных для очистки линий от парафина. Для измерения количества поступающей из скважины продукции предусмотрены автоматически действующие замерные установки, на распределительном коллекторе которых имеется штуцер, служащий для регулирования дебита скважины.

Подъемные трубы служат для  подъема на поверхность земли  продукции фонтанной скважины. Подъемные трубы выпускают с гладкими и высаженными концами, с внутренним диаметром 40,3;50,3; 62,0; 75,9; 88,6 и 100,3 мм. Обычно в фонтанные скважины спускают колонну труб одного диаметра. Диаметр труб подбирают опытным путем в зависимости от ожидаемого дебита, пластового давления, глубины скважины и условий эксплуатации. Подъемные трубы больших диаметров спускают в скважины при высоких предполагаемых дебитах и больших пластовых давлениях, а при небольших дебите и пластовом давлении лучше применять подъемные трубы меньшего диаметра. Применение подъемных труб меньшего диаметра является также одним из методов продления фонтанирования малодебитных скважин. Для предотвращения отложения парафина в колонне подъемных труб внутренние стенки их покрывают эпоксидными смолами, остекловывают или эмалируют. Однако следует иметь в виду, что нанесение покрытий на  внутренние стенки эксплуатационных труб является  довольно  дорогостоящей  операцией.

Для подвешивания колонны  подъемных труб, герметизации кольцевого пространства между обсадной колонной и колонной подъемных труб, контроля работы скважины и направления газожидкостной смеси в выкидную линию устье скважины оборудуют стальной фонтанной арматурой. Фонтанную арматуру, которая состоит из трубной головки и фонтанной елки, собирают из толстостенных стальных тройников, крестовин и задвижек. Выпускается фонтанная арматура тройниковая и крестовая. Тройниковая арматура используется обычно при наличии в продукции скважин песка. Наиболее распространена крестовая арматура, применяемая всюду при устойчивых породах  на забое скважин. Крестовая арматура имеет меньшую высоту по сравнению с тройниковой и поэтому более удобна для обслуживания.

 Фонтанный способ добычи  нефти наиболее дешевый и наименее  трудоемкий  по сравнению с  другими. Однако при эксплуатации  фонтанных скважин, иногда возникают  осложнения. К ним относятся: запарафинивание  подъемных труб, отложение солей в трубах, образование песчаной  пробки, появление воды и т.д. Для предотвращения отложения парафина в выкидных линиях после отсекателя устанавливается устройство для запуска шаров. Устройство позволяет периодически запускать вручную резиновые шары в выкидную линию. Шар движется за счет энергии потока газонефтяной смеси, и по мере его продвижения по трубам внутренние стенки их очищаются от отложений парафина. Периодичность запуска шаров определяется опытным путем. Необходимо иметь в виду, что резиновые шары хорошо очищают лишь свежие, незатвердевшие, рыхлые отложения парафина. Затвердевшие отложения могут со временем уплотняться и условия  очистки  ухудшаются.

При эксплуатации обводненных  скважин в пластовой воде могут  содержаться соли кальция, магния и иногда других металлов, которые могут осаждаться в подъемных и выкидных линиях. Для борьбы с отложениями солей предложено несколько методов. Один из них заключается в непрерывной подаче в скважину химического реагента, препятствующего осаждению солей. Выбор реагента в каждом конкретном случае зависит от химического состава солей, отлагающихся на поверхности труб.

Обязанности персонала по обслуживанию фонтанной скважины сводятся к тщательному и постоянному контролю за режимом ее работы, наблюдению за исправностью устьевого оборудования, выкидной линии и осуществлению текущего и мелкого ремонта.

3.2. Эксплуатация скважин штанговыми насосами

При насосной эксплуатации подъем жидкости из скважин на поверхность  осуществляется насосами — в основном штанговыми и бесштанговыми (погружными электроцентробежными). Откачка нефти из скважин при помощи штанговых  глубинных   насосов получила широкое распространение в силу их простоты и сравнительной дешевизны. Штанговые насосы позволяют отбирать нефть с глубин до 2500 м. Глубиннонасосными установками можно отбирать до 500 м³ жидкости в сутки в зависимости от диаметра и глубины спуска насоса.

Основными элементами ее являются: колонна насосных труб и глубинный  насос с плунжером, подвешенный  на штангах. Перечисленные элементы относятся к подземному оборудованию скважины. Глубинный  насос  приводится  в  движение  от станка-качалки, расположенного на поверхности земли и состоящего из балансира, шатунно-кривошипного механизма и двигателя.

Глубинный  насос  представляет  собой  обычный  поршневой насос одинарного действия с проходным поршнем (плунжером).

Привод   штангового   насоса (рис.3.)  1   служит   для   сообщения   возвратно-поступательного движения колонне штанг. Посредством канатной подвески привод соединяется с устьевым штоком 3. Устьевой шток движется в сальнике 4, который обеспечивает герметичность в верхней части колонны НКТ 6. К нижнему концу устьевого штока присоединяется колонна штанг 7, которая служит для передачи движения плунжеру скважинного насоса. Колонна штанг проходит внутри насосно-компрессорных труб. Насосно-компрессорные трубы образуют канал для движения продукции скважины от насоса к устью.  Скважинный насос 8 — плунжерного типа. Он состоит из цилиндра и полого плунжера.     Цилиндр насоса имеет всасывающий клапан, а плунжер— нагнетательный. Насос прикрепляется к нижней части колонны НКТ. При движении штанг вниз плунжер спускается в цилиндр насоса, а жидкость, которая содержится в последнем, переходит через открытый нагнетательный клапан в верхнюю часть цилиндра насоса и, соответственно, в насосно-компрессорные трубы. Всасывающий клапан в это время закрыт. При движении штанг вверх нагнетательный клапан закрывается, и плунжер поднимает вверх холящийся над ним столб жидкости. На поверхности жидкость поступает в выкидную линию скважины. Во время движения штанг вверх всасывающий клапан открывается, и жидкость из скважины входит в цилиндр.

 Рис.3.

1 - привод скважинного штангового насоса:

2 -канатная подвеска,

3 -устьевой шток;

4 - сальниковое устройство;

5 - устьевая арматура;

6 - колонна НКТ.

7 -колонне штанг;

8- скважинный насос. 

При ходе штанг вверх верхний клапан закрыт, так как на него действует давление  вышележащего столба жидкости. При этом под действием столба жидкости  в кольцевом пространстве открывается приемный клапан, и жидкость поступает в цилиндр насоса. При ходе плунжера вниз нижний клапан закрывается , а верхний открывается и через полый плунжер жидкость выдавливается из цилиндра насоса в насосные трубы. При непрерывной работе  насоса в результате подкачки жидкости уровень последней в насосных трубах поднимается до устья, и она поступает в выкидную линию через тройник.

Станки-качалки  оснащаются средствами для их отключения в случае обрыва штанг или при  появлении ударных перегрузок, при  повышении или понижении давления в нагнетательном трубопроводе, при обрыве фаз или токовых перегрузках и коротких замыканиях электродвигателя.

Работа  станков-качалок регулируется блоком управления типа БУС-2, в который  входит пусковая и другая электромеханическая  аппаратура,   обеспечивающая взаимосвязанную  работу средств автоматизации и технологического оборудования установки.

Штанговые насосные установки имеют серьезные  недостатки — тяжелое громоздкое оборудование при больших глубинах скважин, опасность различных неполадок, аварий со штангами вследствие больших нагрузок, ограниченное применение для добычи нефти в наклонных скважинах, не всегда достаточная производительность для отбора больших объемов жидкости, особенно из сильно обводненных скважин. В связи с этим в настоящее время все большее применение находят насосные установки с новым принципом действия.

 

 

3.3.Эксплуатация  скважин электороцентробежными  и винтовыми насосами

Преимуществами  электроцентробежных насосов являются простота обслуживания, высокая производительность (до 1500 м³/сут), относительно большой межремонтный период работы (15—20 мес., иногда и более). Они могут успешно работать как в вертикальных, так и в наклонных скважинах.

Центробежные  насосы для откачки жидкости из скважины принципиально не отличаются от обычных  центробежных насосов, используемых для  перекачки жидкости на поверхности  земли. Погружные центробежные  электронасосы (ПЦЭН) – это многоступенчатые  центробежные насосы с числом ступеней  в одном блоке до 120, приводимые во вращение  погружным электродвигателем  специальной конструкции. Установка погружного центробежного электронасоса (Рис.4.) состоит из насосного агрегата, спускаемого в скважину на насосно-компрессорных трубах 5, кабеля 6, арматуры устья 7, станции управления 10 и автотрансформатора 9.

Погружной насосный агрегат состоит из следующих основных частей: центробежного многоступенчатого насоса 4, погружного электродвигателя 1 и протектора 2 (или протектора с компенсатором). Все эти узлы соединены между собой посредством фланцев. Валы двигателя, протектора и насоса имеют на концах шлицы и соединяются шлицевыми муфтами.

 

Рис. 4. Установка погружного центробежного насоса

Так как электродвигатель расположен непосредственно под насосом, насос имеет боковой прием жидкости, которая поступает в него из кольцевого пространства между эксплуатационной колонной и электродвигателем через фильтр-сетку.

Наземное  оборудование скважин состоит из устьевой арматуры 7, автотрансформатора 9 и станции управления 10. Автотрансформатор предназначен для компенсации падения напряжения в кабеле 6, подводящем ток к погружному электродвигателю 1 и навиваемом с установленного на поверхности барабана 8. Для зашиты от пыли и снега трансформатор устанавливают в будке. Станция управления позволяет вручную или автоматически запускать в действие, останавливать установку и контролировать ее работу.

Устьевая арматура 7 предназначена  для отвода продукции скважины в  выкидную линию, герметизации затрубного пространства с учетом ввода в это пространство кабеля и перепуска газа из этого пространства при чрезмерном увеличении его давления.

Погружной электроцентробежный насос  состоит  из расположенных вертикально на общем валу многоступенчатого центробежного насоса, электродвигателя и протектора, служащего для защиты электродвигателя от попадания в него пластовой жидкости. Питание электродвигатель получает по бронированному кабелю , спускаемому вместе с насосными трубами, у башмака которых устанавливается  насос. Управление работой  и отключение в случае  аварии погружного электроцентробежного  насоса производиться специальной автоматической станцией управления БУС-2, устанавливаемой  в будке недалеко  от устья скважины. В этой же будке  устанавливается автотрансформатор  для компенсации падения напряжения в бронированном кабеле. Длина насоса определяется его типом и числом ступеней  и изменяется от 5,1 до 10,8 м. От числа ступеней зависит и напор насоса. Протектор помимо защиты электродвигателя от попадания пластовой жидкости  служит также для подачи по мере расхода жидкого масла в электродвигатель и консистентной смазки в подшипники насоса. На выкидной линии  может быть установлен отсекающий клапан для блокировки скважины в случае ее фонтанирования; при добычи парафинистой нефти  предусматривается устройство для запуска шаров.

  

 

  а- ход  вниз                                           б-ход вверх

Рис.5.    Принципиальная схема ГПН дифференциального типа (одинарного действия)

ГПН дифференциального  типа подача насосом пластовой жидкости  происходит  только при ходе вверх. Рис.5. Рабочая жидкость подается  по каналу 6 в пространство под поршень двигателя и далее через специальный канал 7 в поршне, перекрываемый управляющим каналом 5 , попадает в полость над поршнем 4.

Винтовые насосы

В последнее время конструкторами ОКБ разработаны высоконапорные одновинтовые насосы для добычи от 10 до 40 метров кубических в сутки жидкости при напоре 1000 м. В качестве привода для них используется электродвигатели ПЭД, применяемые в установках с погружными электронасосами. Напор развивается специальным винтом, вращающимся в упругой резиновой обойме, охватывающей винт. Характеристика одновинтовых насосов близка к характеристике центробежных насосов: с изменением напора насоса изменяется и его производительность.

Наличие лишь одной подвижной  детали, простота устройства и обслуживания являются важными преимуществами одновинтовых насосов перед насосами других типов, поэтому они должны найти широкое применение.