Оборудование для поддержания пластового давления и вытеснения нефти водой и газом

Наиболее эффективный метод повышения нефтеотдачи пла­стов при эксплуатации нефтяных месторождений — поддержа­ние пластового давления за счет закачки в пласт воды и газа. При этом создается напорный режим эксплуатации пласта, ко­торый имеет большую конечную нефтеотдачу по сравнению с режимами истощения.

В большинстве случаев (для отечественных месторождений — более 80%) используется система поддержания пластового дав­ления (ПДД) путем закачки воды. При этом наряду с пресными поверхностными источниками воды широко используют сточ­ные и пластовые.

Закачка газа, хотя и менее эффективна ввиду уменьшения коэффициентов охвата и нефтеотдачи, находит свое примене­ние. Этому способствуют значительная газовая шапка, отсут­ствие напора контурных вод, наличие в коллекторе большого содержания набухающих глин. Нагнетание в залежь естествен­ного газа компенсирует потери газовой энергии за предшеству­ющий период эксплуатации залежи.

Наиболее целесообразно осуществление сбора всего добыто­го газа на поверхности, отделение бензиновых фракций и на­гнетание в залежь сухого газа, который бы там вновь обогащал­ся продуктами испарения пластовой нефти. Применение есте­ственного газа в качестве рабочего агента часто вызывает труд­ности, связанные обычно с его недостаточным количеством на промыслах. В ряде случаев естественный газ можно заменить воздухом, который из-за низкой растворимости в нефти оказы­вает более эффективное выталкивающее действие на нее, чем сухой газ. Однако использование воздуха может привести к от­рицательным последствиям:

1. Длительное соприкосновение нефти с воздухом вызывает окисление нефти, возрастание ее удельного веса и вязкости, а также приводит к образованию смол в пласте, которые закупо­ривают отдельные поровые каналы залежи.

2. Смешение воздуха с пластовым газом ведет к уменьшению его калорийности и ухудшению условий переработки газа.

3. Если из-за трудностей переработки газа (при сильном заг­рязнении его воздухом) газовую продукцию скважин выпускать в атмосферу, то вместе с воздухом будут теряться ценнейшие бензиновые фракции.

4. Улавливание газовой продукции для ее сжатия, отбензинивания и последующего нагнетания в залежь часто сопряжено с опасностью получения взрывчатых смесей. Так, при содержа­нии в воздухе (при атмосферных условиях) от 5 до 15% (по объе­му) метана образуется гремучая (взрывчатая) смесь, очень опас­ная в обращении. Изменение температуры меняет пределы взрывчатости смеси воздуха с углеводородами. По опытным данным при росте температуры нижний предел взрывчатости смеси по­нижается, а верхний повышается, т.е. пределы взрывчатости раз­двигаются. Все это требует очень осторожного обращения со смесью воздух — газ и, главным образом, систематического на­блюдения за составом отбираемой из скважины смеси.

5. Взаимодействие воздуха с пластовой водой приводит к вы­падению некоторых солей (особенно железистых) в виде осадка в пласте.

6. Воздействие кислорода нагнетаемого воздуха на металли­ческие части оборудования (особенно при наличии соленой воды и сероводорода) вызывает усиленную коррозию оборудования, а также приводит к преждевременному выводу его из строя и скоп­лению продуктов коррозии на забое.

7. Наличие воздуха в продукции эксплуатационных скважин способствует образованию более стойких эмульсий.

Указанные нежелательные последствия применения воздуха в качестве рабочего агента не всегда проявляют себя. В общем слу­чае использование воздуха следует ограничивать только случая­ми, когда возможности применения другого рабочего агента, в частности естественного газа, совершенно исключены. Необхо­димо отметить, что в большинстве случаев применение воздуха для закачки в нефтяные или газовые пласты запрещено Госгортехнадзором в связи с повышенной пожаро- и взрывоопасностью.

Для закачки воды в нагнетательные скважины используются природные воды рек, морей, озер, водоносных горизонтов и сточ­ные воды с технологических объектов подготовки нефти.

Комплекс оборудования для вытеснения нефти водой состо­ит в общем случае из участков водозабора, магистрали подвода воды (с трубопроводом большого диаметра и насосными перво­го, второго и, если требуется, третьего водоподъема), очистны­ми сооружениями подготовки воды к закачке ее в нефтяной пласт, кустовыми насосными станциями высокого давления на терри­тории промысла, разводящими трубопроводами с водораспреде­лительными гребенками, от которых вода идет к нагнетатель­ным скважинам. Скважины оснащены устьевой арматурой по типу фонтанной, колонной НКТ и часто — пакером, предохра­няющим основную часть обсадной колонны скважины от дей­ствия высокого давления закачиваемой воды.

ОБОРУДОВАНИЕ ВОДОЗАБОРА И ПОДГОТОВКИ ВОДЫ

Для поддержания пластового давления с помощью заводне­ния вода обычно берется из водоемов (рек, озер, морей) или из водоносного пласта. При эксплуатации месторождения, из кото­рого добывается нефть с пластовой, технической водой, эта вода также используется в системе поддержания пластового давления.

Из водоемов вода забирается поверхностными центробежны­ми насосами из специально подготовленного участка так, чтобы с водой не захватывался песок, или другие механические приме­си. Насосная станция может быть расположена на берегу водо­ема или в плавучей станции. В плавучей насосной станции уста­новлены поверхностные мощные насосные агрегаты. Обычно это центробежные насосы с электроприводом. Плавучая насосная станция забирает воду на одной и той же глубине от поверхнос­ти, независимо от колебания уровня воды в водоеме.

Часто отбираются подрусловые, более чистые воды. В этом случае невдалеке от водоема или реки бурится скважина или роется колодец, из которого вода забирается сифонной систе­мой или поверхностными насосами (при высоком расположе­нии уровня воды), или скважинными насосами различных ти­пов.

При сифонном отборе подрусловые скважины соединяются с вакуум-котлами, в которых создается разряжение в 0,04—0,047 МПа.

Вакуум поддерживается вакуум-насосами с подачей 0,03 м³/с и наибольшим разряжением в 0,086 МПа. Вода из скважин по­ступает в вакуум-котлы самотеком и далее отбирается поверхно­стными насосами.

 

Таблица 9.1

Параметры насосов типа АТН

Шифр насоса	Подача,м^3/ч	Давление насоса, МПа	Мощность двигателя, кВт
АТН-8-1-16		0,6
АТН-10-1-13
АТН-14-1-3		0,5
АТН-14-1-6		0,95

 

Сифонный отбор широко применяется на Туймазинском, Ромашкинском и других нефтяных месторождениях.

Водозабор с помощью сифона по капитальным затратам на 30—20% дешевле, чем водозабор скважинными насосами. При более низких уровнях жидкости (4 м и более от уровня приема поверхностного насоса) применяются погружные насосы типов АТН и ЭЦВ.

Насосы типа АТН (рис. 9.1, табл. 9.1) имеют приводной двигатель с вертикаль­ной осью, установленный над устьем сква­жины. Его вал соединен с длинным транс­миссионным валом, расположенным в ра­диальных резинометаллических опорах внутри НКТ. Снизу трансмиссионный вал соединен с валом погружного центробеж­ного насоса, размещенного под уровнем жидкости в скважине и нагнетающего ее на поверхность по НКТ.

Эти насосы применяются для отбора до 400 м³/ч воды с глубины до 40 м (возможна работа на глубинах до 100 м). Насосы удоб­ны тем, что все электрооборудование вы­несено на поверхность, работает в более благоприятной для него среде и легко об­служивается. Недостаток — длинный транс­миссионный вал, вращающийся с большой частотой (до 1400 мин¹). При больших глу­бинах спуска отмечается выход из строя опор вала [13].

В шифре насоса приняты следующие обозначения: АТН — артезианский труб­ный насос, первая цифра — диаметр скважины в миллиметрах, деленный на 25, следующая — минималь­ное погружение насоса под динамический уровень в метрах, а последняя — число ступеней насоса.

Рис. 9.1. Схема установки артезианского трубного насоса (АТН):

1 — электродвигатель; 2 — приводной вал насоса; 3 — радиальная опора вала; 4 — НКТ; 5 — центробежный насос; 6— обсадная колонна; 7— приемная сетка насоса

 

Насосы типа ЭЦВ (табл. 9.2) по составу и расположению оборудования скважин соответствуют насосам типа ЭЦН. Су­щественно упрощены у них погружные двигатели, которые вы­полняются водозаполненными без узлов гидрозащиты. Для них не так опасно попадание во внутреннюю полость пластовой воды, если она не имеет механических или агрессивных приме­сей. Упрощение достигнуто за счет применения водостойкой изо­ляции обмотки статора, но это снижает допустимую температу­ру нагрева двигателя. Поэтому температура откачиваемой воды не должна превышать 25 °С (а при специальных устройствах 40-50 °С).

В табл. 9.2 приведены технические характеристики некото­рых типоразмеров центробежных водяных насосов типа ЭЦВ.

 

Таблица 9.2

Параметры насосов типа ЭЦВ

Шифр насоса	Подача, м^3/ч	Напор, м	Мощность двигателя, кВт	Внутренний диаметр обсадной колонны, мм
ЭЦВ4-1,6-30	1,6		0,5
ЭЦВ4-6,3-45	6,3		1,6
ЭЦВ5-4-90
ЭЦВ5-4-200			5,5
ЭЦВ5-10-100			5,5
ЭЦВ6-16-160
ЭЦВ6-25-100
ЭЦВ8-25-300
ЭЦВ8-63-50
ЭЦВ10-160-65
ЭЦВ 12-210-145
ЭЦВ14-210-300
ЭЦВ16-670-205

 

Насосы рассчитаны на отбор воды с содержанием механи­ческих примесей не более 0,01 массовых %. Эти насосы выпус­каются с широкими пределами параметров: обсадные колонны от 114 до 426 мм, мощность от нескольких до 500 кВт, подача от 1,6 до 670 м³/ч, напор при подаче 25 м³/ч — до 650 м, а при 670 м³/ч — до 205 м. В системе водозабора обычно применяют­ся агрегаты для скважин 168—273 мм с мощностью в среднем 32-320 кВт.

В шифре насоса приняты следующие обозначения: Э — на­сос с электроприводом, Ц — центробежный, В — для отбора воды, первая цифра — внутренний диаметр обсадной колонны в миллиметрах, деленный на 25 и округленный, вторая — подача в метрах кубических в час; третья — напор насоса в метрах.

Кроме поверхностных вод для закачки используются и плас­товые воды. Чаще всего используются воды аптского, альбского и сеноманского ярусов. Эта вода имеет температуру около 40 °С. Химический состав вод примерно тот же, что и у законтурных вод нефтяных месторождений. При их смешивании не выпадает осадок, который мог бы засорять поры нефтеносного коллекто­ра. В пластовых водах этих ярусов не обнаружен кислород и сероводород. Воды имеют хорошие вытесняющие и вымываю­щие свойства по сравнению с поверхностными водами. Водо­носные пласты расположены на глубинах 700—1500 м. Пласты хорошо проницаемые, толщиной до 300—500 м. Часть скважин фонтанирует, в части скважин используются насосы ЭЦВ для отбора воды.

Использование пластовых вод значительно облегчает подго­товку воды для закачки в пласт, а иногда полностью исключает эту операцию.

К воде, закачиваемой в пласт, предъявляются следующие тре­бования:

— она должна быть по возможности чистой и не содержать больших количеств механических примесей, соединений железа и нефти. Например, для трещиноватых песчаников предельное содержание механических примесей 20—30 мг/л, содержание закисного железа — до 1 мг/л, нефти — до 50 мг/л;

— не должна содержать сероводорода и углекислоты во избе­жание коррозии оборудования;

— не должна содержать органических примесей (бактерий и водорослей), которые в процессе своей жизнедеятельнос­ти образуют сероводород;

— должна быть химически инертной по отношению к плас­товым жидкостям.

Закачиваемые воды обычно бывают загрязнены взвешенны­ми частицами глины, ила, песка, которые закупоривают поры пород призабойной зоны и уменьшают приемистость нагнета­тельной скважины. Для осаждения мельчайших частиц необхо­димо их укрупнять, выделять в осадок. Реагенты, добавляемые к воде для коагуляции взвеси (укрупнения взвешенных частиц), называются коагулянтами. Наиболее широко применяемый на практике коагулянт — сернокислый алюминий (сернокислый глинозем).

Вода на водоочистной установке подвергается тем или иным операциям по очистке (коагуляция, фильтрация, обезжелезивание, смягчение, хлорирование, стабилизация). Для получения надлежащих качеств воды в ряде случаев требуется проведение двух-трех процессов.

На рис. 9.2 приведена типовая схема станции водоочистки. От насосов 1 водоподъема вода подается в смеситель 3. Туда же с потоком воды поступают коагулянт и реагенты из дозировочного устройства 2, способствующие укрупнению взвешенных частиц в воде, смягчению воды и освобождению ее от солей железа. В суспензионном осветлителе 4 коагулянт интенсивно перемешивается с водой, вследствие чего образуются хлопья, которые оседают в шахте осветлителя. Вода проходит через пес­чаные (или угольные) фильтры 5. Очищенная вода собирается в резервуары 6, откуда насосами 7 она подается далее к про­мыслу.

 

Рис. 9.2. Принципиальная схема станции очистки поверхностных вод:

1 — водовод; 2 — дозатор; 3 — смеситель; 4 — осветлитель; 5 — фильтр; 6— резервуар чистой воды; 7 — насосная станция второго водоподъема; 8 — насос для промывки фильтров; 9 — стояк для сброса грязной воды; 10 — лоток

 

Подготовленная вода подается на кустовые насосные стан­ции (КНС), которые подают воду в нагнетательные скважины. Насос 8 из резервуаров 6 подает периодически чистую воду в фильтры 5 для очистки их от взвешенных частиц.

Отдельные сооружения системы очистки представляют собой конические или цилиндрические металлические сосуды боль­шой емкости (гидросмесители, растворные баки), иногда удли­ненные бетонные смесители с квадратным или прямоугольным сечением с дырчатыми или щелевыми перегородками. Эти пе­регородки с отверстиями усложняют путь воды и реагентов, улуч­шая их смешивание.

Наиболее сложное сооружение-осветлитель (рис. 9.3), пред­назначенный для образования хлопьев и удаления их и механи­ческих примесей из воды. Обработанная реагентом вода, про­шедшая смесители, подается по центральному стояку 1 в камеру хлопьеобразования 5 через трубы с отверстиями 9. Из камеры хлопьеобразования вода выходит через днище, с отверстиями 10 в зону взвешенного осадка осветлителя. Для поддержания хло­пьев во взвешенном состоянии над каждым отверстием дырча­того днища создается расходящийся поток воды. Вода с хлопья­ми, фильтруясь через слой ранее образовавшегося взвешенного осадка, постепенно осветляется. Осветленная вода собирается переливом в периферийный лоток 3 и направляется в фильтры, в которых завершается очистка воды. Избыток осадка в освет­лителе идет через центральную шахту 2 в зону 7. Здесь вода от­сасывается по трубкам 4 в лоток, а осадок по трубке 8 подается в водосток или на иловые площадки. Для опорожнения осветли­теля предусмотрен клапан 6.

Габариты осветлителя можно себе представить, учитывая, что высота осадка в зоне 7 принимается равной 2—2,5 м, а высота зоны осветления — 1,5—2,5 м [13].

Рис. 9.3. Схема конструкции осветлителя воды

 

Для предупреждения коррозии и стабилизации по химичес­кому составу при помощи специальных дозировочных насосов в воду добавляют реагент — гексаметафосфат натрия (2—3 мг/л).

Для уничтожения бактерий и других микроорганизмов в воде применяют обработку ее хлором, озоном или облучением.

Сточные воды могут содержать нефть и углеводородные газы. Взвешенные частицы здесь могут быть представлены серийным железом, обломками кварца, зернами карбонатов и доломитов, частицами глины и окисного железа.

Железосодержащая вода после установки подготовки нефти (УПН) направляется в напорный отстойник, где отстаивается под давлением в течение 1—2 ч.

Сероводородная вода направляется в другой отстойник. За­тем из этих отстойников нефть направляется в резервуар, откуда насосом направляется на УПН. Шлам из отстойников по трубо­проводу под давлением сбрасывается в емкость, а воды напор­ных отстойников смешиваются и поступают в безнапорный от­стойник. Здесь основная масса взвешенного железа и нефти всплывает и удаляется при помощи механических средств. Пос­ле безнапорного отстойника вода поступает во вторичный от­стойник, где отстаивается в течение 3—6 ч. Здесь вода дополни­тельно отстаивается, очищается и стабилизируется по химичес­кому составу. Продукты очистки из безнапорного отстойника и вторичного отстойника направляются насосом в емкости, а чи­стая вода насосом направляется на кустовую насосную станцию, откуда — в нагнетательные скважины.