книги из ГПНТБ / Еникеев В.Р. Автоматические скребки для очистки подъемных труб от парафина

Рассмотренные нами представления о процессах, происходя­ щих в фонтанирующей скважине, позволяют сделать ряд практи­ ческих выводов относительно условий работы автоматического скребка и глубины установки нижнего амортизатора.

Если исходить из предположения, что выделение парафина

из нефти начинается одновременно с выделением метана или же несколько выше, то глубина установки нижнего амортизатора будет определяться давлением насыщения метана и буферным давлением скважины.

Поэтому для определения оптимальной глубины установки нижнего амортизатора желательно произвести поинтервальный замер давления вдоль ствола работающей скважипы с буферным давлением 2,5—3,0 ат (минимальнее при естественном фонтани­ ровании) и найти при атом точку, в которой давление равно

давлению насыщения метана (52—57 ат). Несколько выше этой точки устанавливается нижний амортизатор.

Для большинства месторождений девонской нефти глубину ус­ тановки нижнего амортизатора можно принять равной 750—900 at.

Например, на Серафимовском нефтяном месторождении нижние амортизаторы, установленные на глубине 760—820 м, не создают

и более) значительно увеличивается рабочий цикл автомати­ ческого скребка и создается ряд затруднений при обслуживании. При расположении нижнего амортизатора на небольшой глубине

возможно запарафинивапие эксплуатационных труб ниже него. Участок эксплуатационной колонны от нижнего амортиза­ тора до точки, в которой появляются отложения парафина, является наименее благоприятным для работы автоматического скребка, поскольку зазоры между клапанами скребка и стенками незапарафиненпых труб здесь наибольшие, а скорость восхо­ дящего потока меньшая, чем в расположенных выше интервалах.

В той части эксплуатационной колонны, где откладывается

парафин, при длительной работе скребка на стенках труб по­ стоянно держится слой парафина толщиной 1,5—2 мм. Эта парафи­

новая корка образует канал с относительно гладкими стенками, по которому и движется скребок. При наличии такого канала па

стенках труб покрываются неровности и уменьшаются зазоры между клапанами скребка и трубами.

Разумеется, нельзя утверждать, что такие условия имеются по всей длине запарафинивающегося участка труб. Могут быть

интервалы с рыхлым парафином, где постоянная корка отсут­

ствует, не исключена и неравномерность парафиновой корки.

Скребок при этом движется, касаясь одной стороной стенки трубы, а другой — парафиновой корки. Но в любом случае в запарафинивающемся участке труб скребок наиболее полно пере­ крывает их поперечное сечение. Учитывая относительно высокую

39

скорость движения газо-нефтяной смеси в этом участке по срав­ нению со скоростью неразгазированной нефти около нижнего амортизатора, можно утверждать, что условия работы скребка

вверхних интервалах подъемных труб являются наилучшими. При практических расчетах, когда определяется возмож­

ность применения скребка в скважине с данным дебитом, необ­ ходимо учитывать различие физических свойств нефти в интер­

вале нижнего амортизатора и дегазированной нефти. Для боль­ шинства девонских нефтей в интервале нижнего амортизатора

плотность их несколько ниже 0,8 г/смА, вязкость в момент вы­

деления газа наименьшая (около 2 сантипуаз), а по мере разгазпрованпя нефти увеличивается в 2—3 раза. Объем же нефти на глубине благодаря наличию растворенного газа больше, чем

объем дегазированной нефти, на 14—16%.

Пределы применения автоматических скребков

При обтекании тела потоком жидкости к нему приложены силы, обусловленные главным образом двумя причинами: раз­ ностью давления на торцы тела и трением между жидкостью и телом.

Сила, действующая на тело при обтекании его потоком, может

При помощи этой формулы можно найти зависимость скорости свободного тела от скорости окружающей его жидкости. При движении в трубах скорость свободного тела (скребка) может

где vc — скорость движения тела (скребка); vn — скорость потока

щие движение тела (скребка) в трубах, упрощенным способом,

приняв следующие допущения: тело (скребок) имеет форму ци­ линдра, завихрений потока в клапанах скребка и над скребком нет, а течение жидкости в зазорах между трубами и скребком ламинарное. При таких допущениях значения сил, действующих на скребок и скорость его движения, будут заведомо меньше действительных, что позволяет использовать результаты рас­

40

четов для определения возможности движения скребка при за­

данной скорости потока.

На цилиндр, который находится в трубе, с восходящим по­

током действуют силы, обусловленные трением жидкости о по­ верхность цилиндра Т, разностью давления на верхний и ниж­ ний торцы цилиндра Р, а также сила тяжести G и архимедова сила Q, равная весу вытесненной жидкости. Если скребок не­ подвижен в потоке или движется равномерно, то равнодействую­

споверхностью цилиндра.

ДР и т определяются при помощи элементарных формул гидравлики через vc и vu.

R — внутренний радиус труб.

Исключив из формулы архимедову силу, которая для реаль­ ных скребков равна 40—60 г, и добавив силу трения скребка о стенки труб N, получим

скребка в дегазированной нефти к условиям его работы в ин­

тервале нижнего амортизатора.

Для определения пределов применения автоматических скреб­ ков были проведены их испытания на специальном стенде. Стенд,

смонтированный на эксплуатационной вышке, представляет собой две колонны насосно-компрессорных труб диаметром 2" и 2г/г",

протянутых от кронблочной площадки вышки до поверхности земли. В одну из колонн, в которую помещался тщательно отре­

гулированный скребок, подавалась дегазированная нефть или же

41

газо-нефтяная смесь, а по другой колонне поток направлялся вниз п затем по соответствующей обвязке в емкости для замера. Скребок непрерывно работал, совершая полные циклы. В резуль­ тате экспериментов с различными скребками в потоке дегазиро­ ванной нефти удельного веса 0,848 и вязкостью около 6 санти­ пуаз были получены следующие уравнения движения скребков:

для скребка УфНИИ-3 (вес 2700 г)

vc = — 12 4-1,08 г>п;

для скребка УфНИИ-ЗМ (вес 2900 г) vc = — 10 + 1,08 г?п;

для скребка конструкции А. Ф. Гильманшина (вес 1900 г) vc — — ■16 + 1,14 vn;

для скребка конструкции И. И. Фелька (вес 2350 г) vc=- 30+1,12г?п;

для 2" скребка УфНИИ (вес 2450 э)

г>с = - 17,5 +1,00 г;п.

Соответствующие графики с экспериментальными точками приведены на рис. 15. Во время экспериментов непрерывная

Рис. 15. Зависимость скорости подъема скребка в стенде от скорости восходящего потока дегазированной нефти.

1 — скребок УфНИИ-3 (опыт с трубами, имеющими парафиновую корку на стенках); 2 — скребок УфНИИ-ЗМ; з — скребок УфНИИ-3; 4 — скре­

бок конструкции А. Ф. Гильманшина; 5 — 2" скребок УфНИИ; 6 — скре­ бок для высокодебитных скважин.

42

работа скребков в стенде обеспечивалась при скорости подъема его более 8—10 см/сек, при меньшей скорости шариковый замок не срабатывает и, поднявшийся до верха стенда, скребок не скла­ дывается и зависает в потоке.

Вследствие того, что скорости потока точно определить воз­ можно только при непрерывной работе скребка в стенде, мини­ мальное значение этой скорости, при котором скребок начинает двигаться вверх, найдено экстраполяцией.

Из графика видно, что скребок УфНИИ-ЗМ начинает двигаться вверх при средней скорости потока в стенде, равной примерно

10 см/сек, для скребка УфНИИ-3 требуется несколько большая

скорость, примерно 12 см/сек. Суточный расход дегазированной

нефти, соответствующий этим значениям скорости, составит 22,1 т для скребка УфНИИ-ЗМ и 26,5 т для скребка УфНИИ-3.

Однако эти величины немогут характеризовать работу скребка

вскважине, так как вязкость дегазированной нефти в условиях эксперимента значительно выше, чем вязкость нефти в скважине

взоне нижнего амортизатора, различны также и удельные объемы нефти.

Пересчет уравнений движения скребка в дегазированной нефти к реальным условиям производится на основании формулы (20а). Очевидно, что в первый член уравнения движения скребка следует внести поправку на разницу вязкости, а во второй —

поправку на разницу объема дегазированной нефти по сравнению с объемом нефти около нижнего амортизатора в скважине.

Пример. Определить дебит, при котором обеспечивается

устойчивая работа скребка УфНИИ-3 в скважине, оборудован­ ной 21/г/' трубами, если вязкость нефти в интервале нижнего амортизатора равна 2,1 сантипуаза, а усадка пластовой нефти

равна 14%.

Вводим поправки в уравнение (20а).

Поправка на различную вязкость нефти для первого члена:

Поправка на увеличение объема нефти для второго члена:

После введения поправок в соответствующее уравнение по­ лучим

vc' = — 34,2 + 1,25 v„’.

Очевидно, что скребок начинает движение при

vc' > 0

или иначе при

Vn + 747- = 27,3 см!сек.

43

Такая скоростыютока вблизи нижнего амортизатора будетобе- ■‘спечена при дебите скважины (замеренному на поверхности), рав­ ном

скребок УфНИИ-3 устойчиво работает при дебите 40—50 т/сутки. Расхождение с практическими данными вызвано, во-первых, неточностью формулы (20а) (формула дает завышенные значения)

и, во-вторых, возможным наличием свободного газа в зоне ниж­ него амортизатора. Выше отмечалось, что в тех интервалах экс­

плуатационных труб, где выделяется па-рафин, условия движения скребка являются наплучшпми.

Положительное влияние парафиновой корки па стенках труб

па условия подъема скребка можно видеть из опыта, проведен­

ного со скребком УфНИИ-3 (рис. 15). Этот эксперимент был проведен после длительной работы стенда па газо-нефтяной смеси при движении автоматических скребков, после этого был испытан скребок УфНИИ-3, но уже на дегазированной нефти.

Получено уравнение движения

г;с = — 8,5-f- 1,08 vn,

в котором первый член почти в полтора раза меньше, чем при эксперименте с трубами, на которых не было отложений парафина.

Эксперименты над скребками при движении через стенд газо­ нефтяной смеси под давлением 6—8 ат показали, что вследствие низкой плотности смеси характеристики скребков заметно из­

vc" = — 33 4" 0,83 vr. н.

Сравнение этих зависимостей с уравнениями движения скребка в потоке дегазированной нефти показывает, что скорость потока газо-нефтяной смеси, при которой обеспечивается подъем скребка, должна быть в 3—4 раза больше, чем скорость дегази­ рованной нефти. Несмотря на это, условия движения скребка в верхней части эксплуатационной колонны являются лучшими,

чем условия его движения около нижнего амортизатора, по­

скольку ухудшение характеристики скребков компенсируется ростом удельного объема жидкости (смеси) в 3—8 раз и вязкости

нефти почти в 2 раза. Во время экспериментов наблюдалась устойчивая работа скребка УфНИИ-ЗМ при расходе газо-нефтяной

■44

■о нижний амортизатор. Для каждой конструкции существует

некоторая минимальная абсолютная скорость падения, при ко­ торой кинетическая энергия подвижного узла оказывается не­

достаточной, чтобы преодолеть усилие возвратной пружины и

бок для высокодебитных скважин.

гидравлические сопротивления, возникающие при раскрывании клапанов. Утяжеление скребка приводит к некоторому увели­

чению скорости его падения, что позволяет использовать скре­ бок при несколько увеличенном дебите, но условия раскрывания

его на нижнем амортизаторе от этого улучшаются мало.

Почти для всех автоматических скребков инерционного типа минимальная скорость падения, при которой нарушается работа

механизма, равна 185—215 см/сек. Те же скребки при сбрасыва­ нии их с определенной высоты в воздухе будут нормально рас­

крываться, падая со скоростью 80—100 см/сек.

Зависимость абсолютной скорости падения различных скреб­ ков от скорости восходящего потока представлена на рис. 16.

Эти зависимости приближенные, так как точность прибора,

45

регистрирующего моменты прохождения скребком определенных точек, не была достаточной.

Уравнения движения скребка имеют вид (вес тот же, что и при подъеме):

для скребка УфНИИ-3

&п. с = 265 — 1,03 vn;

для скребка УфНИИ-ЗМ

vn, с = 240 — 1,08 г?п;

для скребка конструкции А. Ф. Гильманшина

^.0 = 290- 1,251/,,;

для скребка конструкции И. И. Фелька

с = 342 — 1,68 г>п.

Скребок УфНИИ для 2" труб имеет примерно такую же зави­ симость, что и скребок УфНИИ-3.

Экспериментальные данные для условий работы вблизи ниж­ него амортизатора в этом случае не пересчитываются, поскольку

влияние изменения вязкости на скребок со сложенными клапа­ нами проявляется в незначительной степени, а плотность нефти в интервале нижнего амортизатора мало отличается от плотности

в условиях опыта. Незначительна также и разность скоростей в условиях опыта и вблизи нижнего амортизатора (около 16%). Значения скорости падения скребка в экспериментах могут быть приближенно приняты как действительные скорости падения

скребка вблизи нижнего амортизатора.

Используя экспериментальные точки, приведенные на рис. 16г можно найти максимальные пределы применения различных скребков по дебиту.

Пример. Определить максимальный дебит скважины, при котором обеспечивается устойчивая работа скребка УфНИИ-3- весом 2700 г.

Из соответствующего графика видно, что при скорости паде­ ния менее 180 см/сек скребок не раскрывается.

Используя уравнение, характеризующее скорость падения скребка УфНИИ-3, находим скорость потока, при которой скре­

бок падает со скоростью 180 см/сек-.

q = Vit Ун'86400 = 0,785 (0,°62 ж)20,82 м!сек х

X 0,848 т/м* • 86400 — 182 т/сутки.

46

Очевидно, что при большем дебите скребок весом 2700 г будет работать неустойчиво. Увеличив вес скребка, можно незначительно повысить значение максимального дебита. Ожидаемый эффект определяется элементарным расчетом. Известное значение мак­

симального дебита умножается на поправочный коэффициент:

где Р2 — вес скребка с дополнительным грузом; Р± — вес скребка без дополнительного груза (2700 г).

Увеличение веса скребка происходит и при небольшом дебите скважины, если буферное давление менее 4—5 ат. Это необхо-

состояния нефти около нижнего амортизатора.

димо для того, чтобы обеспечить достаточно быстрое падение скребка в зоне интенсивного выделения газа и парафина. В против­ ном случае корпус скребка может запарафиниться и скорость его падения около .нижнего амортизатора значительно уменьшится.

Области применения скребков различной конструкции могут быть приближенно определены из графика, представленного на рис. 17. В графике минимальные и максимальные значения деби­ тов найдены расчетом по результатам экспериментов при условии,

что около нижнего амортизатора нефть движется в однофазном со­ стоянии.

Исключение сделано для скребка УфНИИ-3, для которого предел дебита зависит от прочности корпуса.

Так как предельные расчетные значения дебптов не являются абсолютно точными, в зависимости от местных условий вполне

47

возможна устойчивая работа скребков при дебите на 8—10 т меньше и на 10—15 т больше, чем указано в графике. Это поло­ жение подтверждается опытом; на графике точками отмечены условия, при которых была обеспечена устойчивая работа скребков: соответствующих конструкций. Пределы применения автомати­ ческих скребков по буферному давлению приняты на основе ре­

можно применять в скважинах с дебитами от 50 до 200 т/сутки. В условиях девонских нефтяных месторождений Приуралья это обеспечивает автоматизацию процесса очистки парафина в 70— 80% фонтанных скважин.

Пределы применения автоматических скребков, приведенные на рис. 17, справедливы только для фонтанных скважин, в сква­

жинах с погружными электронасосами могут быть достигнуты положительные результаты при меньших значениях дебита. Например, известен случай устойчивой работы 2" скребка УфНИИ в скважине, оборудованной погружным электронасо­ сом ЭН-40 с дебитом 48 т)сутки. Это объясняется тем, что нефть,

вязкости и в большем объеме. Устойчивой работе скребка способ­ ствует также повышенная турбулентность потока над насосом. Можно предположить, что максимальные пределы применения скребков в этом случае также снижаются.

Автоматические скребки весьма чувствительны к качеству

регулировки. Исключительное влияние на работу скребка оказы­ вает площадь щелей и зазоров между корпусом, клапанами скребка и стенками труб. Если регулировка скребка произведена

небрежно и клапаны, удерживаемые фиксаторной планкой, не касаются кромками стенки труб, то характеристика скребка резко ухудшается. Например, скребок УфНИИ-ЗМ при такой регулировке не имеет никаких преимуществ по сравнению со скреб­ ком УфНИИ-3. Аналогичное явление наблюдалось и при испыта­ нии 2" скребков.

Дальнейшее усовершенствование автоматических скребков наверняка позволит применять их в скважинах с дебитами да

35—40 т сутки.

Подъемная сила и перепад давления, создаваемые автоматическим скребком

Подъем скребка начинается при определенной скорости движения потока относительно скребка. Например, скребок УфНИИ-3 начинает подниматься при скорости потока 12 см!сек..

Во время подъема скребка скорость движения потока относительно»

48