УДК 622.276.53.054.23

На правах рукописи

Бадретдинов Атлас Мисбахович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОБЫЧИ

ОБВОДНЕННОЙ НЕФТИ

УСТАНОВКАМИ СКВАЖИННЫХ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2008

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии

Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР)

Защита состоится 25 сентября 2008 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.

Автореферат разослан 22 августа 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последние годы в России и во многих других нефтедобывающих регионах мира все большее распространение получают новые технологии и технические средства скважинной добычи нефти. Среди них к наиболее перспективным средствам подъема нефти относится установка скважинного винтового насоса (УСВН) с приводом от вращающейся штанговой колонны.

Малая энерго- и металлоемкость поверхностного привода установок, возможность использования серийно выпускаемых насосных штанг, простота и надежность рабочих органов насосов, широкий диапазон производительности позволяют УСВН уже на современном этапе успешно конкурировать с традиционными средствами подъема жидкости из скважин.

Возможность применения УСВН в скважинах, осложненных повышенным содержанием в добываемой продукции механических примесей, газа, а также при достаточно высоком создаваемом напоре (до 2000 м и более) позволили внедрять винтовые насосы в самых разнообразных по условиям эксплуатации нефтяных месторождениях.

К примеру, в ЗАО Татойлгаз в настоящее время 110 скважин оборудованы винтовыми насосными установками, что составляет 63а% от действующего фонда скважин. В том числе, на Урмышлинском месторождении 66 винтовых насосных установок, на Кузайкинском - 25, на Урустамакском - 19. В скважины спущены 84 насоса фирмы КУДУ, 25 - фирмы Вайзерфорд. Максимально достигнутый межремонтный период работы (МРП) некоторых скважин ЗАО Татойлгаз, оборудованных УСВН, на 01.01.2008 г. составил более 1000 суток при среднем значении 455асуток. Следовательно, существует достаточно большой резерв увеличения межремонтного периода скважин за счет совершенствования технологии добычи нефти винтовыми насосами. Согласно исследованиям других авторов, к наиболее влияющим факторам на работу УСВН относятся вязкость жидкости и, особенно, кривизна стволов скважин.

Значительный вклад в решение проблем применения УСВН с приводом от вращения штанг для добычи нефти внесли работы Абуталипова У.М., Багина Л.Н., Брота А.Р., Горбатова В.С., Бидмана М.Г., Балденко Д.Ф., Валеева А.М., Закирова А.Ф., Казака А.С., Пономарева В.Г., Мухина Т.И., Ратова А.М., Султанова Б.З., Уразакова К.Р. и др.

Вместе с тем, практика применения УСВН на различных стадиях разработки нефтяных месторождений выявила ряд новых актуальных задач, требующих своего решения. К таковым, прежде всего, относится высокая интенсивность смешения нефти и попутнодобываемой воды в винтовой паре насоса. Образование стойких высокодисперсных эмульсий обратного типа (вода в нефти) существенно увеличивает нагрузки на привод насоса, ухудшает условия промыслового транспорта и предварительного сброса попутнодобываемой воды на объектах добычи нефти. Предупреждение смешения и эмульгирования пластовых жидкостей позволило бы без существенных затрат отделять и утилизировать воду в разрабатываемые залежи для поддержания пластового давления или в принимающие водоносные пласты.

Целью работы является повышение эффективности добычи обводненной нефти установками скважинных винтовых насосов путем предупреждения смешения пластовых жидкостей в стволе скважины и утилизации попутнодобываемой воды в нижележащий поглощающий горизонт.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

1. установить основные виды осложнений в различных режимах эксплуатации добывающих скважин установками винтовых насосов на обводненных залежах нефтяных месторождений;

2. определить зависимости межремонтного периода работы, потребляемой мощности оборудования и коэффициента подачи насосов от технологических параметров эксплуатации, вязкости нефти и кривизны стволов скважин;

3. исследовать модель потока дрейфа и определить диапазон значений дебитов нефти и воды, при которых происходит их разделение в стволе обводненной скважины;

4. исследовать интенсивность эмульгирования и возможность предупреждения образования стойких эмульсий в рабочих парах винтовых насосов путем отбора нефти с малым содержанием воды из скважины и одновременной закачкой основного объема воды в нижележащий поглощающий горизонт;

5. разработать и провести опытно-промышленные испытания технологии добычи обводненной нефти с утилизацией пластовой воды, а также оценить ее эффективность.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач в работе были использованы методы математической статистики, регрессионного анализа, промысловые и лабораторные методы замера вязкости и дисперсного состава двухфазных систем, глубинных приборов замера давления, систем и программных продуктов регулирования процесса механизированной эксплуатации скважин.

Научная новизна

1. Анализ и обобщение опыта эксплуатации скважин с УСВН на Урустамакском, Урмышлинском и Кузайкинском месторождениях в широком диапазоне геолого-промысловых условий показали снижение МРП скважин в 1,17Е2,3 раза и увеличение токовой нагрузки на оборудование в среднем в 1,31 раза при увеличении интенсивности искривления ствола скважины до 6,3 град/10 м и вязкости до 335 мПас.

2. Установлено, что коэффициент подачи УСВН (Кпод) при увеличении максимальной интенсивности искривления ствола скважины до 6,3 град/10ам снижается с 0,68 до 0,51. Наибольшее влияние на рост Кпод оказывает давление на приеме насоса.

3. Установлена высокая интенсивность эмульгирования водонефтяной смеси в винтовых парах УСВН, приводящая к 10Е14 кратному росту ее вязкости. При этом КПД насосной установки снижается в 1,28 раза.

4. Глубинными исследованиями изучена плотность потока дрейфа на забойных участках обводненных скважин и получены предельные дебиты нефти (29,8 м3/сут) и воды (108 м3/сут), при которых происходят захлебывание противотока нефти и воды в скважине и нарушение процесса разделения пластовых жидкостей, что позволило разработать способ добычи нефти с одновременной закачкой отделившейся в скважине воды в нижележащий горизонт.

Основные защищаемые положения:

• статистические зависимости влияния геолого-технических параметров эксплуатации скважин с УСВН и физических свойств жидкостей на межремонтный период работы, нагрузку на привод и коэффициент подачи установок;
• результаты исследования эмульгирования пластовых жидкостей в винтовых парах УСВН, закономерностей движения и условий разделения водонефтяной смеси в эксплуатационной колонне скважины с помощью модели потока дрейфа;
• технология разделения пластовых флюидов в зоне перфорации нефтенасыщенного пласта и утилизации попутнодобываемой воды в нижележащий поглощающий горизонт.

Практическая значимость работы

1. На основе анализа опыта эксплуатации более 250 скважин с УСВН на месторождениях Республик Татарстан и Башкортостан установлено снижение надежности их работы из-за присутствия абразива в жидкости, высокой вязкости жидкости и кривизны стволов скважин в рабочей зоне подвески насосов.
2. Разработана и внедрена в ЗАО Татойлгаз технология разделения пластовых жидкостей в зоне перфорации нефтеносного пласта и утилизации попутнодобываемой воды в нижерасположенный поглощающий горизонт с помощью сдвоенных винтовых насосов, один из которых откачивает нефтяную фазу, а другой - водную (патенты РФ № 2284410, №а2290496). Экономический эффект от внедрения технологии одновременной добычи нефти и закачки воды на скважине № 256 Кузайкинского месторождения составил 126,7 тыс. руб.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

• заседаниях научно-технического совета ЗАО Татойлгаз
  (2002-2007 гг.);
• V научно-практической конференции молодых ученых и специалистов нефтяной и геолого-разведочной отрасли Ханты-Мансийского автономного округа (г. Когалым, 2003 г.);
• научно-практической конференции, посвященной 60-летию девонской нефти (г. Октябрьский, 2004 г.);
• научно-практической конференции Опыт эксплуатации и повышения эффективности использования штанговых винтовых насосных установок для добычи нефти (г. Самара, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, получены 2 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 120 наименований. Изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 32 рисунка.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показаны ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе диссертации проводится анализ технических характеристик винтовых насосов с приводом от штанговых колонн и состояния обводненных скважин месторождений нефти Урало-Поволжья, оборудованных этими насосами. Показано, что современные насосные установки, выпускаемые промышленностью, способны откачивать нефть с глубин более 2000 м, дебитом до 200 м3/сут и более при температурах 90Е120аС. Разработанные типы центраторов позволяют добывать нефть из скважин с максимальным зенитным углом до 70 град. Для добычи высоковязкой нефти созданы поверхностные приводы с крутящим моментом до 1900 Нм. Современные УСВН расходуют электроэнергию на 60Е75а% меньше в сравнении с установками скважинных штанговых насосов (УСШН) при прочих равных условиях и межремонтном периоде до 1000 сут и более.

Анализ напорных характеристик винтовых насосов показывает наличие нулевой подачи при малых оборотах ротора, что связано с возникновением утечек жидкости через винтовую пару. К примеру, при напоре 800 м и нулевой подаче частота вращения ротора типоразмера насоса 15/800 (подача, м3/сут /напор, м) составляет около 50 мин-1. Зависимость подача развиваемое давление имеет нелинейный характер. Существенное снижение подачи из-за утечек в винтовой паре происходит при давлениях более 6 МПа для всех модификаций насосов.

Перевод скважин с УСШН на эксплуатацию с УСВН позволяет при меньших энергозатратах увеличить дебит жидкости. К примеру, перевод скважин №№ 1331, 242, 21, 619 и 1314 в НГДУ Краснохолмскнефть на эксплуатацию насосами фирмы Griffin позволил прирастить их дебит с 5,5 до 22,0 м3/сут.

Опытно-промышленные испытания УСВН в 27 скважинах АНКаБашнефть в целом показали достаточно высокую эффективность при отборе жидкости с глубины до 1300 м и массовом содержании песка в жидкости до 1 %. Однако присутствие абразива приводит к износу винтовой пары и постепенному снижению дебита. В первые 12Е18 месяцев эксплуатации дебит скважин в среднем снижается на 30Е50 %.

К факторам, существенно снижающим надежность работы УСВН, относится кривизна стволов скважин в рабочей зоне подвески насосов. Возникновение знакопеременных напряжений в теле штанг в скважинах №№а402, 395, 713 и 171 с интенсивностью искривления более 1,5 град/10 м привело к снижению наработки колонны штанг в среднем до 120 сут.

Осложнения в эксплуатацию скважин с УСВН вносят эмульгирование водонефтяной смеси в контактных зонах винтовой пары и значительное повышение ее вязкости. К примеру, на скважине № 242 повышение вязкости эмульсии до 1,8 Пас приводило к снижению межремонтного периода в среднем до 90 сут. При этом происходили поломки привода УСВН и обрывы колонны штанг.

Аналогичный характер отказов, согласно исследованиям других авторов, имеет место при эксплуатации скважин с УСВН на месторождениях Республики Татарстан. В общей сложности в этой республике эксплуатируются уже более 250 установок винтовых насосов для добычи нефти в самых различных горно-геологических условиях.

Во второй главе выполнен регрессионный анализ влияния различных факторов на межремонтный период работы скважин с УСВН и коэффициент подачи насосов. С одной стороны, уравнения регрессии позволяют прогнозировать МРП и подачу насосов при совместном влиянии геолого-технических параметров эксплуатации, с другой, проводить целенаправленную разработку мероприятий, снижающих влияние осложняющих факторов.

Анализ был проведен по Урмышлинскому, Кузайкинскому и Урустамакскому месторождениям ЗАО Татойлгаз, исходный материал которых включал весь комплекс геолого-технических параметров эксплуатации, наработку УСВН, фактический дебит, токовую нагрузку и вязкость жидкости на устье скважин. Кроме того, в число исследуемых факторов вошли данные по максимальным значениям кривизны стволов в рабочей зоне подвески насосов.

В результате обработки данных по 115 скважинам для расчета потребляемой токовой нагрузки J, МРП и коэффициента подачи УСВН (Кпод) получены регрессионные уравнения:

J = 12,6 + 0,0077n + 0,001 + 0,6528max - 0,0046Lн, А, (1)