Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЯКОРИВАНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ В СКВАЖИНАХ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ШТАНГОВЫМИ НАСОСНЫМИ УСТАНОВКАМИ

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам заякоривания насосно-компрессорных труб (НКТ) гидравлическими якорями в скважинах, эксплуатируемых штанговыми насосными установками.

В процессе работы установки скважинного штангового насоса (УСШН) колонна НКТ периодически подвергается упругим деформациям вследствие циклического характера прикладываемых к глубинно-насосному оборудованию нагрузок. В результате происходит уменьшение эффективной длины хода плунжера и потеря подачи насоса. Кроме того, периодический характер нагрузок, воспринимаемых насосно-компрессорными трубами, приводит к потере устойчивости нижнего конца колонны НКТ, возникновению изгибающих напряжений в колонне и ее продольному изгибу, ведущему к интенсивному износу плунжерной пары, штанг и труб и существенному снижению межремонтного периода работы скважины.

С целью исключения деформации НКТ при работе УСШН применяются якоря-трубодержатели, устанавливаемые на нижнем конце колонны НКТ. Несмотря на наличие целого ряда отечественных и зарубежных технологий и устройств фиксирования НКТ на забое скважины, существующие технологии и методики заякоривания не предусматривают обоснование величины усилия, необходимого для натяжения колонны НКТ при заякоривании, требуя лишь, чтобы колонна насосно-компрессорных труб работала на растяжение.

Известно, что при запуске скважины в работу после проведения спуско-подъемных операций скважина обычно полностью заполнена пластовой водой (жидкостью глушения). Нижний конец НКТ в этот момент находится под воздействием продольной сжимающей нагрузки, обусловленной действием выталкивающей силы. Для того, чтобы добиться натяжения НКТ в этот момент, при заякоривании необходимо создать значительное избыточное давление на устье скважины. После выхода скважины на расчетный динамический уровень нижний конец НКТ находится под воздействием растягивающей нагрузки от веса столба жидкости.

Известен способ установки якоря для насосно-компрессорных труб, включающий спуск в скважину колонны НКТ с якорем в заданный интервал, создание избыточного давления за счет закачки жидкости в колонну НКТ с устья скважины (патент РФ №2634316, МПК Е21В 23/06, опубликован 25.10.2017).

Данный способ не предусматривает определение оптимальной величины избыточного давления на устье скважины, необходимого для натяжения колонны НКТ при заякоривании.

В предлагаемом изобретении ставится задача определения наиболее оптимальной величины растягивающего усилия, необходимого для натяжения колонны НКТ в заполненной скважине при проведении заякоривания насосно-компрессорных труб, при котором после выхода скважины на установившийся режим работы результирующая осевая нагрузка, действующая со стороны плашек якоря на обсадную колонну, необходимая для удержания НКТ в зафиксированном состоянии, будет минимальной.

Задача решается тем, что предварительно рассчитывают величину устьевого избыточного давления, определяющего натяжение колонны НКТ при заякоривании, и производят заякоривание созданием расчетного устьевого избыточного давления, такого, чтобы после выхода скважины на установившийся режим эксплуатации результирующая осевая нагрузка, действующая на обсадную колонну со стороны плашек якоря, создаваемая давлением жидкости в затрубном пространстве и колонне НКТ, а также силой упругости колонны НКТ, принимала минимально возможное значение за весь цикл работы скважинного штангового насоса, включающий ход плунжера вверх и вниз.

На первом шаге рассчитывают деформацию колонны НКТ в заполненной скважине под действием растягивающей нагрузки, создаваемой избыточным давлением в НКТ:

где ρ_НКТ - плотность материала НКТ;

g - ускорение свободного падения;

- площадь поперечного сечения по внешнему диаметру НКТ;

- площадь поперечного сечения по внутреннему диаметру НКТ;

L - глубина спуска насоса;

ρ_гл - плотность жидкости глушения (равна плотности жидкости в НКТ и затрубном пространстве в заполненной скважине);

р_з - устьевое избыточное давление; х - лагранжева координата по длине колонны НКТ;

γ_НКТ - коэффициент, характеризующий упругие свойства материала НКТ.

После фиксации колонны НКТ в натянутом положении сила натяжения в нижнем конце колонны НКТ составит величину:

На втором шаге определяют нагрузки, действующие в нижнем конце колонны НКТ после выхода скважины на установившийся режим работы, обусловленные давлением жидкости в НКТ и затрубном пространстве. Максимальная (растягивающая) нагрузка со стороны жидкости действует на колонну НКТ при ходе плунжера насоса вниз, когда вес жидкости в НКТ полностью воспринимается насосно-компрессорными трубами:

где - устьевое давление;

ρ_см - плотность газожидкостной смеси в НКТ;

ρ_н - плотность нефти в затрубном пространстве;

- давление газа в затрубном пространстве;

- динамический уровень жидкости.

Соответственно минимальная (сжимающая) нагрузка, действующая на колонну НКТ, достигается при ходе плунжера насоса вверх, когда вес жидкости в НКТ воспринимается насосными штангами:

Результирующая осевая нагрузка, действующая на обсадную колонну со стороны плашек якоря, необходимая для удержания НКТ в зафиксированном состоянии после выхода скважины на установившийся технологический режим, принимает минимальное значение при условии:

Из условия (5) с учетом (1)-(4) находят устьевое избыточное давление р_з по формуле:

Пример осуществления способа.

Скважина оборудована УСШН, штанговый насос установлен на глубине L=1000 м, на эту же глубину спущена колонна НКТ внутренним диаметром =62 мм и внешним диаметром =73 мм. Первоначально скважина заглушена пластовой водой плотностью ρ_гл=1150 кг/м₃. После запуска скважины в работу устанавливается динамический уровень =700 м, плотность газожидкостной смеси в НКТ ρ_см=900 кг/м³, плотность нефти в затрубном пространстве ρ_н=700 кг/м³. устьевое давление =0,5 МПа, давление газа в затрубном пространстве также =0,5 МПа. Тогда искомое значение устьевого избыточного давления р_з=6,7 МПа.

Предлагаемый способ заякоривания насосно-компрессорных труб в скважинах, эксплуатируемых штанговыми насосными установками, позволит повысить эффективность использования якорей-трубодержателей, минимизировать осевую нагрузку, действующую на обсадную колонну со стороны плашек якоря, а значит уменьшить износ труб в процессе эксплуатации скважины и повысить надежность якоря.