Автор: В.М. Полунин (ООО «ПромХимТех»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №5/2018
Как правило, эксплуатационные газовые скважины производят не только природный газ. На поверхность из пласта может поступать также определенное количество нефти и воды. Увеличение количества жидкости в газовой скважине приводит к повышению давления в ее стволе и уменьшению отдачи газа. Дело в том, что для обеспечения определенного притока газа из пласта необходимо обеспечить разность давлений в стволе скважины и в пласте (давление в стволе должно быть меньше давления в пласте). В старых газовых скважинах дебит газа снижается, и соответственно снижается его скорость. При этом также зачастую происходит увеличение дебита жидкости. На определенном этапе скорость газа становится недостаточной, чтобы поднимать жидкость на поверхность, и пузырьки газа начинают подниматься уже по неподвижному столбу жидкости. Производительность скважины снижается, со временем давление падает, и скважина глохнет. Для предотвращения этой ситуации необходимо обеспечить удаление жидкости из скважины.
Методы удаления жидкости
Традиционный метод удаления жидкости состоит в отключении скважины от трубопровода и подключении ее к мобильному резервуару, в который происходит свободный излив до того момента, пока вновь не начинает идти газ. Давление в резервуаре специально понижается, газ выпускается через вентиляционный патрубок в атмосферу или сжигается. Летучие органические соединения попадают в окружающую среду, нанося вред экологии. Также при этом могут нарушаться требования действующего законодательства по допустимым выбросам. Жидкость, скопившуюся в резервуаре, необходимо утилизировать, как правило, с помощью автотранспорта. Все это создает неудобства и увеличивает стоимость производства.
Существуют и другие способы, например, такие как применение ПАВ (химических шашек), штанговых насосов, плунжерных лифтов, ПЭЦН (погружные электроцентробежные насосы). Они являются не столь эффективными и дорогостоящими в установке и эксплуатации.
Наиболее современным и технологичным способом удаления жидкости из газовых скважин является применение мультифазных насосных станций. Мультифазные системы производства Leistritz позволяют откачать скважинный флюид, понизить давление на оголовке скважины и в насосно-компрессорной трубе (НКТ).
Цикл удаления жидкости с помощью мультифазных станций Leistritz (рис. 1, 2) производится следующим образом. Мобильная мультифазная станция подключается в режиме байпаса в линию транспортировки газа. Мультифазный насос запускается на полное противодавление напорного трубопровода. На входе в насос имеется давление на оголовке закрытой скважины. Через небольшой промежуток времени станция создает перепад давления, снижая при этом давление на оголовке, и откачивает жидкость и газ из скважины. Таким образом, отдача газа будет увеличиваться. С увеличением скорости газа в НКТ будет обеспечиваться непрерывное удаление жидкости из скважины, при этом в скважине восстанавливаются требуемые дебит и давление. После восстановления объема перекачки газа мультифазная станция Leistritz может быть остановлена и отключена от трубопровода. Благодаря мобильности, станция может быть перевезена на следующий куст или месторождение к другим скважинам, нуждающимся в обработке. Цикл удаления жидкости может быть повторен с необходимой периодичностью.
Таким образом, мобильная мультифазная насосная станция Leistritz позволяет избежать выброса газа в атмосферу или его сжигания, а вместо этого в полном объеме направить его на узел подготовки газа (УПГ).
Конструкция и принцип работы
Рассмотрим более подробно конструкцию мобильной мультифазной насосной станции. Она состоит из следующих компонентов:
- мультифазного двухвинтового насоса Leistritz;
- двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном газе, оснащенного аккумуляторной батареей, радиатором, глушителем, коробкой отбора мощности и системой подготовки топлива;
- коробки передач/редуктора;
- муфты и кожуха муфты;
- стальной сварной рамы с бортами и общим дренажом, смонтированной на прицепе;
- теплообменника;
- всасывающего коллектора с фильтром и аварийным отсечным краном;
- нагнетательного коллектора с системой удержания жидкости, обратным клапаном, ручным отсечным краном и предохранительным клапаном, подключенным к всасыванию насоса;
- байпасного трубопровода с обратным клапаном;
- КИП (рис. 3) и клеммных коробок, подключение к SCADA;
- резервуара сбора утечек с контролем уровня.
Мультифазный двухвинтовой насос (рис. 4) является насосом объемного типа, рабочими органами которого являются два ротора (винта). Ведущий винт приводится через муфту от двигателя. Необходимо отметить, что ведомый винт не находится в зацеплении с ведущим. Между кромками винтов всегда присутствует зазор, как и между винтом и корпусом насоса. Отсутствие контакта винтов снижает износ и обеспечивает длительный срок службы. Ведомый винт приводится во вращение посредством синхронизирующих шестерней, установленных на валах и расположенных с неприводной стороны насоса. Мультифазная среда, попадая в рабочую камеру, образуемую между витками винтов, перемещается вдоль винта из области всасывания в область нагнетания. Таким образом, насос создает расход. Перепад давления создается за счет противодавления системы (трубопровода), на которую работает насос.
При перекачивании мультифазной смеси (газ, нефть и вода) жидкость в камере отбрасывается на периферию под действием центробежных сил, газ же находится ближе к центру ротора. При движении потока от всасывания к нагнетанию внутренняя перетечка жидкости движется в обратном направлении, при этом наибольшая перетечка имеет место в последних камерах винта. Это объясняется тем, что распределение давления по длине винта неравномерно. В первых от всасывания камерах давление растет незначительно, а в камерах ближе к нагнетанию оно возрастает в квадратичной зависимости. В двухвинтовых насосах, работающих на жидкости, распределение давления по длине винта равномерно (рис. 5). Отметим также, что с увеличением давления в камере объем газа уменьшается, жидкости в последних камерах по этой причине становится больше. В последних камерах именно противодавление системы создает внутреннюю перетечку в обратном направлении, и именно оно совершает работу по сжатию газа. Насос, как уже было сказано, лишь перемещает среду из области низкого давления в область высокого давления.
В мультифазных двухвинтовых насосах используются двухпоточные винты, то есть мультифазный поток направляется от всасывающего патрубка к двум противоположным сторонам винта, проходит через рабочие камеры и выходит по центру ротора в область нагнетания (см. рис. 4). Таким образом, увеличивается производительность насоса и обеспечивается баланс осевых сил.
Для нормальной работы мультифазного насоса зазоры между винтами и корпусом (рис. 6) должны уплотняться жидкостью, поэтому при перекачивании 100% газовой фазы в насосе должна быть жидкость (рис. 7). При сжатии газа происходит выделение тепла, и жидкость также выполняет функцию охлаждения. Для обеспечения постоянного нахождения жидкости в насосе мультифазная насосная станция оснащается системой удержания жидкости и теплообменником для охлаждения. В зависимости от параметров ~3% расхода отбирается снагнетания и подается в специальную емкость, где происходит сепарация жидкости и газа. Жидкость направляется обратно на всасывание насоса. Твердые частицы улавливаются и не направляются на всасывание вместе с жидкостью (рис. 7).
Испытания
Испытания мультифазной станции Leistritz по удалению жидкости из газовой скважины проводились в США в Университете Луизианы (рис. 8). Испытания подтвердили высокую эффективность использования мультифазной технологии для данного применения. На рис. 9 видно падение давления на входе в станцию (давление на устье скважины) и увеличение расхода по газу.
Примеры применения
Примером успешного применения мобильных установок для удаления жидкости из газовых скважин является месторождение Piceance корпорации Encana в США (рис. 10). На рис. 11 представлены тренды до и после применения мультифазной технологии Leistritz удаления жидкости. Давление на оголовке скважины было высоким по причине скопления большого объема жидкости, и производительность по газу была низкая. Это было также обусловлено высоким давлением в газопроводе.
Для обработки скважин была привезена и подключена мобильная мультифазная станция. Видно, что после ее включения давление на оголовке сразу понизилось, и производительность скважины возросла. После отключения мобильной установки скважина продолжала эксплуатироваться с уже установившимися улучшенными показателями. Таким образом, мобильная мультифазная насосная станция Leitstritz является прекрасным решением для решения задачи удаления жидкости и оптимизации эксплуатации газовых скважин.
