Оборудование для нагнетания в пласт воды и газа

Для вытеснения нефти из пласта применяются жидкости двух типов: не смешивающиеся и смешивающиеся с нефтью. К первым относится прежде всего вода, ко вторым – растворители. Последние весьма дороги, и поэтому в подавляющем большин­стве случаев в пласт закачивается вода, которая должна удовлетворять следующим требованиям:

количество взвешенных частиц не должно превышать 5 мг/л, хотя в отдельных случаях допускается увеличение их содержания до 25 мг/л;

содержание железа – не более 0,2 мг/л, нефти – не более 1 мг/л;

вода не должна вызывать коррозии оборудования, она должна быть обескислорожена.

Морская вода может закачиваться в том случае, если пластовая жидкость содержит щелочные и жесткие воды.

Помимо этого закачиваемая вода не должна содержать сульфатвосстанавливающих бактерий, под действием которых образуется сероводород.

При закачке жидкостей, не смешивающихся с нефтью, в нее могут вводиться поверхностно-активные вещества, улучшающие ее отмывающие способности. При этом коэффициент извлечения нефти из пластов достигает 50 – 70 %. Более высокий коэффициент извлечения (до 95 – 98%) достигается при закачке жидкостей-растворителей.

В качестве источников закачиваемой жидкости используются открытые (реки, озера, моря), подземные (артезианские, подрусловые и пластовые) источники и сточные воды. Обычно стараются использовать пресную воду из подрусел рек или артезианских скважин. В этих случаях состав воды не зависит от времени года и режим работы очистных устройств остается постоянным.

Количество воды, нагнетаемой в пласт, зависит от большого числа факторов и ориентировочно составляет: при площадном заводнении 8 – 10 м³/т добываемой нефти, при законтурном – 1 – 1,5 м³/т.

Конструкция сооружений для забора и подготовки воды, прежде всего, обусловлена требованиями, предъявляемыми к жидкости, закачиваемой в пласт.

В зависимости от качества водоподготовки на внутренней поверхности трубопроводов высокого давления, труб в нагнетательной скважине, наконец, в фильтровой зоне пласта и на самом фильтре скважины со временем откладываются трудно удаляемые соли. При недостаточно высоком качестве водоподготовки интенсивность солеотложения бывает весьма высокой, что приводит к постепенному уменьшению фактической площади сечения канала трубопровода и к росту потерь напора в трубопроводной системе куста, в прискважинной водопоглощающей части пласта.

Для подрусловых водозаборов в пойменной части реки (рис. 13.1) бурят скважины глубиной 20 – 30 м и обсаживают их трубами 1 диаметром 300 мм, в которые спускают водоподъемные трубы 2. Отбор жидкости из этих скважин может обеспечиваться за счет сифона, если уровень жидкости в резервуаре ниже, чем в реке, либо за счет разряжения в резервуаре, создаваемого вакуум-компрессором 5. Так как вода, прежде чем попасть в систему фильтруется через песок, то в какой-либо дополнительной очистке не нуждается, и насосами 6 подается в емкость 8, откуда магистральный трубопровод подводит ее к отдельным насосным станциям, от которых направляется в скважины.

Рисунок 13.1 – Схема водозаборов:

1 – обсадная колонна; 2 – подъемная колонна; 3 – гравийный фильтр; 4 – вакуум-котел;

5 – вакуум-компрессор; 6, 9 – насосы; 7 – шахта; 8 – резервуар чистой воды

При использовании сточной воды, поступающей из скважин, используются две системы ее очистки: открытая и закрытая. В первом случае вода, отделенная от нефти (рис. 13.2), направляется в отстойники, откуда сбрасывается в нефтеловушку 1, где от нее отделяются капли нефти диаметром свыше 80 мкм. Из нее отделившаяся нефть откачивается насосом 2, а вода поступает в пруды-отстойники 3, где содержащиеся в ней механические частицы оседают на дно, а оставшаяся нефть всплывает па поверхность. Далее насосом 4 вода направляется в попеременно работающие песчаные фильтры 5, где от нее отделяются взвешенные частицы, и поступает в буферную емкость 6, откуда насосом 7 (или же непосредственно из фильтров) направляется на кустовую насосную станцию (КНС). Насосы КНС под давлением порядка 14 – 20 МПа закачивают воду в пласт.

Для сооружения подобных систем подготовки воды необходимы большая площадь, значительные капитальные затраты. Пропускная способность системы не может быть увеличена в процессе эксплуатации.

Рисунок 13.2 – Открытая схема установки очистки сточных вод:

1 – нефтеловушка; 2 – нефтяной насос; 3 – отстойник; 4 – насос; 5 – песчаные фильтры;

6 – отстойник для загрязненной воды; 7 – насос для проведения промывки фильтров;

8 – емкость для чистой воды; 9 – насос для подачи воды на КНС

Сопоставляя показатели работы систем для закачки воды в пласт, необходимо отметить, что наиболее рациональной являются системы с использованием пластовой воды, которая после соответствующей обработки закачивается в пласт. Подобная система в целом, включая и пласт, представляет собой замкнутый контур, вредное влияние которого на окружающую природу минимально по сравнению с другими системами.

При подготовке воды в установках закрытого типа процессы отделения воды от нефти идут под избыточным давлением, легкие фракции и газ собираются и в дальнейшем используются.

Очищенная и обработанная вода направляется из резервуаров к насосным станциям – стационарным или блочным. Первые представляют собой капитальное помещение, в котором располагаются насосы с приводными двигателями, аппаратура управления и контроля, электрическое оборудование и бытовые помещения. Станции второго типа состоят из блоков, изготавливаемых и комплектуемых всем необходимым па заводе. Размеры блоков обеспечивают их транспортировку по железным и автомобильным дорогам. Монтаж блочного оборудования в 8 – 10 раз быстрее, чем сооружение капитальных станций.

Кустовые насосные станции соединены с питающим трубопроводом, который может быть кольцевым и опоясывать месторождение или его часть или линейным. От КНС жидкость под давлением направляется к нагнетательным скважинам, причем по мере разработки добывающие скважиныпереводятся в нагнетательные. При этом соответственно видоизменяется и схема нагнетательных трубопроводов.

При сооружении систем кустовых станций почти половина денежных средств, более половины металла затрачивается на трубопроводы высокого давления и внутрискважинное оборудование. Отложение солей, коррозия резко сокращают сроки службы этих металлоемких, дорогостоящих коммуникаций, приводят кнеобходимости выполнения непрерывно нарастающих объемов крайне трудоемких ремонтных работ по смене трубопроводов, резко усложняющих функционирование промысла, увеличивающих трудоемкость добычи нефти. Поэтому при оборудовании трубопроводной сети особо важное значение имеют качество изоляционной защиты труб и использование труб с внутренним противосоляным покрытием.

Блочная кустовая станция (рис. 13.3) состоит из ряда блоков: насосных, управления, электроаппаратуры, распределительного и бытового. Вода из магистрального трубопровода подается в резервуары или, минуя их, на прием насосов. Число одновременно работающих насосных блоков определяется суммарным расходом жидкости. Один или два блока обычно являются резервными. По напорному трубопроводу жидкость направляется краспределительной гребенке, от которой через регуляторы расхода подается кнагнетательным скважинам.

Рисунок 13.3 – Схема блочной КНС:

1 – магистральный водопровод; 2 – буферная емкость; 3 – приемный коллектор;

4, 9, 11 –задвижки; 5 – центробежные насосы; 6 – электродвигатели; 7 – задвижки с дистанционным управлением; 8 – высоконапорный коллектор; 10 – сборный коллектор для грязной воды; 12 – емкость

Наиболее ответственными элементами КНС являются насосные агрегаты.

Требования, предъявляемые к ним, следующие:

к. п. д. на рабочем режиме не ниже 70 – 75 %;

равномерная подача;

моторесурс при работе на максимальных параметрах не менее 7 – 10 тыс. ч, а продолжительность безостановочной работы – 600 – 1000 ч;

минимальные габаритные размеры;

устойчивость материала деталей гидравлической части к перекачиваемым жидкостям.

Насосы, используемые для закачки жидкостей в нефтяные пласты, как правило, специализированные, их основные параметры: подача от 2 до 1000 м³/ч, давление 3 – 50 МПа.

Для закачки воды в пласт используются насосы двух типов – центробежные и плунжерные.

Центробежные насосы просты в монтаже и обслуживании, легко поддаются автоматизации и дистанционному контролю, могут длительно работать без обслуживающего персонала, обеспечивают высокую равномерность подачи. Однако они работают с пониженным к. п. д. при отклонении подачи от оптимальной. Получение малой подачи и больших давлений при высоком к. п. д. для них невозможно.

Насосы объемного действия (получившие за рубежом широкое распространение), как правило, выполняются многоплунжерными с рабочими давлениями до 50 МПа, числом оборотов коленчатого вала 250 – 1000 мин^–1. Их к. п. д. при работе в широком диапазоне подач составляет 80 – 85 %.

Применяются трех-, пяти-, семи-, девятиплунжерные насосы одинарного действия, что обеспечивает нормальную работу приемных и напорных трубопроводов, на которых устанавливаются воздушные колпаки с разделительной мембраной. Скорость движения плунжеров достигает 1,2 – 1,5 м/с, причем в зависимости от длины хода изменяется максимальное число оборотов: для 75 мм – 450 – 500 мин^–1, 100 мм – 400 мин^–1, 125 мм – 350 мин^–1, 150 мм – 230 – 260 мин^–1.

В настоящее время выявилась тенденция создания быстроходных короткоходовых плунжерных насосов, что позволяет уменьшить их массу за счет уменьшения габаритов рамы и в ряде случаев отказаться от применения редукторов, понижающих число оборотов приводного двигателя. С другой стороны, данное направление приводит к ухудшению условий работы деталей пары уплотнение – плунжер.

Для изготовления плунжеров применяются высокоуглеродистые и нержавеющие хромистые стали с высокой поверхностной твердостью (HRC 55), получаемой в результате обработки ТВЧ. Рабочая поверхность плунжеров полируется, отклонение ее от цилиндрической формы допускается не более 0,01 – 0,02 мм. Известно использование керамических плунжеров.

Уплотнения плунжеров обычно изготавливаются из маслобензостойких резин или специальных эластомеров.

Вал насоса с двигателем соединяется:

непосредственно с помощью компенсационной муфты – при использовании в качестве привода тихоходного ДВС или синхронного двигателя;

с помощью зубчатого редуктора, монтируемого на фланце приводной части насоса;

с помощью клиноременной передачи.

В нашей стране для нагнетания жидкости в пласт применяются центробежные многоступенчатые секционные насосы ЦНС с подачей до 1000 м³/с, при давлении 0,4 – 20 МПа. В зависимости от типоразмера их к. п. д. изменяется от 44 до 80 %.

Напор насосов ЦНС регулируется изменением числа ступеней. Конструкция насоса представляет собой набор секций, зажатых между всасывающей и нагнетательной крышками и стянутых шпильками. Вал насоса установлен на подшипниках скольжения с принудительной смазкой, осевое усилие воспринимается упорным подшипником.

Для повышения долговечности основные детали насоса изготовляют из хромистых сталей: рабочие колеса и направляющие аппараты – литые из стали 20Х13Л, вал 40ХФА.

Насосный агрегат имеет систему смазки и охлаждения, которая подает масло к подшипникам при пуске и работе насоса, обеспечивает его охлаждение.

Для сокращения расходов на строительство кустовых насосных станций в последние годы начато использование центробежных электронасосов в качестве водозаборных и одновременно нагнетательных, для чего они спускаются в скважины, пробуренные на пласты с водой, пригодной для закачки в нефтесодержащие пласты. В этом случае закачка осуществляется без водоподготовки, а одновременно с забором воды обеспечивается дополнительный напор (до 1200 – 1300 м), необходимый для нагнетания воды в пласт. Таким образом, вода перепускается из пласта в пласт без контакта с воздухом, т. е. без ее аэрации, без установок водоподготовки, без сооружения кустовых скважин. Однако при этом усложняется контроль и ремонт внутрискважинных насосов, двигателей, снижается к. п. д. насосов и двигателей.

Помимо этого при удачном сочетании расположения водяного пласта и пласта, в который нагнетается вода, используют межпластовый переток, а для обеспечения соответствующего напора устанавливают ЦЭН, обеспечивающий перекачку воды из одного пласта в другой без подъема ее на поверхность.

В отдельных случаях, когда имеется высоконапорный водяной пласт, удается обеспечить подачу в продуктивный пласт без применения ЦЭН, только лишь за счет использования энергии пласта.

Как видно, закачка воды в пласт – процесс весьма энергоемкий. Энергоемкость определяется количеством подаваемой насосами жидкости и необходимым напором, а также к. п. д. привода и насоса. В свою очередь, необходимый напор зависит от длины напорных трубопроводов, глубин нагнетательных скважин, эффективной площади сечения каналов в зоне фильтра – призабойной части пласта, в которой нагнетается вода. И одной из важнейших задач является поддержание параметров этой системы на уровне, обеспечивающем требуемый удельный расход энергии при закачке воды в пласт.