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. 8.1) 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.
При использовании сточной воды, поступающей из скважин, используются две системы ее очистки: открытая и закрытая. В первом случае вода, отделенная от нефти (рис. 8.2), 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 на 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.
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.
Рис. 8.1. 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
126
Рис. 8.2. 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
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 [7, 15].
8.2. Оборудование водозабора
Для поддержания пластового давления с помощью заводнения вода обычно берется из водоемов (рек, озер) или из водоносного пласта. При эксплуатации месторождения, из которого добывается нефть с пластовой водой, последняя 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, ил и 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.
Водозабор с помощью сифона 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. 8.3) 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.
127
Рис. 8.3. 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
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 мин–1). При больших глубинах спуска отмечается выход из строя опор вала.
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.
Насосы типа ЭЦВ 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
128
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).
Насосы рассчитаны на отбор воды с содержанием механических примесей не более 0,01 маc. %. 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.
Вшифре 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. 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 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 [7].
8.3. Подготовка воды для нагнетания в нефтеносные пласты
Вода, закачиваемая в нефтеносные пласты, должна иметь минимальное количество взвешенных частиц, солей железа, ионов кальция и магния и сульфатвосстанавливающих бактерий, способствующих образованию сероводорода в нефтяных пластах. Взвешенные частицы, соли железа, ионы кальция и магния приводят к засорению пор пласта. Сульфатвосстанавливающие бактерии в процессе своей жизнедеятельности приводят к образованию сероводорода, а сероводород – к резкому росту коррозии оборудования.
Система подготовки воды для нагнетания в нефтяные пласты с помощью реагентов, фильтров и отстойников очищает воду (рис. 8.4). От насосной станции первого водоподъема вода подается в смеситель. Туда же с потоком воды поступают коагулянт и реагенты, способствующие укрупнению взвешенных частиц в воде, смягчению воды и освобождению ее от солей железа. В суспензионном осветлителе 4 образуются хлопья, которые оседают в шахте осветлителя. Вода проходит через песчаные фильтры 5. Очищенная вода собирается в резервуары 6, откуда насосами 7 она подается далее к промыслу.
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.
129
Рис. 8.4. 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
Наиболее сложное сооружение – осветлитель (рис. 8.5), 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.
Рис. 8.5. Схема осветлителя
Осветленная вода собирается переливом в периферийный лоток 5 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 [7, 15].
130
8.4. Оборудование для нагнетания воды в нефтеносные пласты
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 на 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 К соединены с питающим трубопроводом 3 (рис. 8.6), который может быть кольцевым и опоясывать месторождение или его часть или линейным. От КНС жидкость под давлением направляется к нагнетательным скважинам 1, причем по мере разработки добывающие скважины 2 переводятся 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 к необходимости 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. 8.7) 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 к распределительной гребенке, от которой через регуляторы расхода подается к нагнетательным скважинам.
Наиболее ответственными элементами КНС являются насосные агрегаты. Требования, предъявляемые к ним, следующие:
–КПД 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
иплунжерные.
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 КПД при отклонении подачи от оптимальной. Получение малой подачи и больших давлений при высоком КПД для них невозможно.
Насосы объемного действия, как правило, выполняются многоплунжерными с рабочими давлениями до 50 МПа, числом оборотов коленчатого вала 250 – 1000 мин–1. Их КПД при работе в широком диапазоне подач составляет 80–85 %.
131