RU2784705C1

RU2784705C1 - Downhole pumping unit with sand filter

Info

Publication number: RU2784705C1
Application number: RU2022111610A
Authority: RU
Inventors: Руслан Альфредович Ахметшин
Original assignee: Публичное акционерное общество "Татнефть" имени В.Д. Шашина
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-11-29

Abstract

FIELD: oil industry.

SUBSTANCE: invention relates to the oil industry and is intended for the extraction of oil from wells, complicated by the removal of sand. A downhole pumping unit with a sand screen contains a sucker rod pump lowered on a tubing string and capable of being driven through the sucker rod string. An anchored sand filter consists of a branch pipe with a packer, a check valve located inside and a sand filter with a container attached from below. The sand anchor is below the outlet, but above the packer, and is provided with a plate on the outside for sedimentation of sand from the fluid stream on top. The downhole pump inlet is located at a distance from the sand filter outlet, which ensures the lowest possible sand and liquid entrainment, when the sand settling rate is higher than the fluid flow rate.

EFFECT: preventing sand from settling on the packer and entering the pump inlet.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для добычи нефти из скважин, осложненных выносом песка.The invention relates to the oil industry and is intended for the extraction of oil from wells, complicated by the removal of sand.

Известен узел сетчатого фильтра для отфильтровывания скважинных частиц в заборной части погружного скважинного насоса (патент RU № 2721345, МПК Е21В 43/08, опубл. 19.05.2020 Бюл. № 14), содержащий:A well-known strainer assembly for filtering borehole particles in the intake part of a submersible borehole pump (patent RU No. 2721345, IPC E21B 43/08, publ. 19.05.2020 Bull. No. 14), containing:

основную трубу, имеющую ось, закрытый нижний конец и открытый верхний конец для присоединения к заборной конструкции скважинного насоса внутри скважины;a main pipe having an axis, a closed lower end, and an open upper end for connection to an intake structure of a well pump inside a well;

основную трубу, содержащую первый сегмент трубы и второй сегмент трубы;a base pipe comprising a first pipe segment and a second pipe segment;

первое и второе множества перфорационных отверстий в боковых стенках, соответственно, первого и второго сегментов трубы;a first and a second plurality of perforations in the side walls, respectively, of the first and second pipe segments;

первый и второй сетчатые фильтры, установленные, соответственно, вокруг первого и второго сегментов трубы для отфильтровывания частиц в скважинном флюиде, поступающем, соответственно, в первое и второе множества перфорационных отверстий;first and second strainers installed around the first and second pipe segments, respectively, to filter particles in the well fluid entering the first and second plurality of perforations, respectively;

клапан второго сегмента трубы, установленный на втором сегменте трубы и находящийся в закрытом положении, перекрывающем протекание потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы, причем клапан второго сегмента трубы выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее протекание потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы;a second tubular segment valve mounted on the second tubular segment and in a closed position shutting off flow of well fluid through the second plurality of perforations from the second tubular segment to the first tubular segment, the second tubular segment valve being movable to an open position allowing flow flowing well fluid through the second plurality of perforations from the second tubular segment to the first tubular segment;

клапан второго сегмента трубы, имеющий зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью второго сегмента трубы в ответ на всасывание скважинного насоса, поддерживаемого опорной конструкцией скважинного насоса, и, при достижении выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, перепад давления вызывает перемещение клапана второго сегмента трубы из закрытого положения в открытое положение; иsecond pipe segment valve having a discharge zone that is affected by a pressure differential between the inside and outside of the second pipe segment in response to suction of the well pump supported by the well pump support structure, and upon reaching a selected lower limit of the second pipe segment valve, the pressure difference causes the valve of the second pipe segment to move from a closed position to an open position; and

держатель клапана второго сегмента трубы, который удерживает клапан второго сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления не достигнет выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, что указывает на то, что поток, протекающий через первый сетчатый фильтр и первое множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за засорения первого сетчатого фильтра.a second pipe segment valve holder that holds the second pipe segment valve in a closed position until the differential pressure reaches a selected lower limit of the second pipe segment valve, indicating that flow through the first strainer and the first plurality of perforations , decreased due to clogging of the first strainer.

Недостатками данного устройства является прокачка через погружной насос мелкодисперсных фракций песка, просочившихся через сетчатый фильтр и подхваченных потоком жидкости, что приводит к быстрому выходу насоса за счет абразивного воздействия этими фракциями, а также отсутствие возможности обратной промывки.The disadvantages of this device are the pumping through the submersible pump of fine sand fractions that have seeped through the strainer and picked up by the liquid flow, which leads to a quick pump exit due to the abrasive effect of these fractions, as well as the lack of backwashing.

Наиболее близким по технической сущности является скважинная штанговая насосная установка для добычи нефти в условиях, осложненных выносом песка и поглощением промывочной жидкости (патент ПМ RU № 136081, МПК Е21В 43/00, опубл. 27.12.2013 Бюл. № 36), состоящая из штангового скважинного насоса, имеющего возможность привода в действие через колонну насосных штанг, колонны насосно-компрессорных труб, песочного якоря на приеме насоса, причем она содержит пакер, присоединенный к контейнеру песочного якоря через перфопатрубок, при этом между перфопатрубком и пакером установлен обратный клапан, а ниже пакера - дополнительный песочный якорь с контейнером.The closest in technical essence is a downhole rod pumping unit for oil production in conditions complicated by sand production and absorption of drilling fluid (patent PM RU No. 136081, IPC E21V 43/00, publ. downhole pump, which has the ability to drive through the pump rod string, tubing string, sand anchor at the pump intake, and it contains a packer connected to the sand anchor container through a perforated pipe, while a check valve is installed between the perforated pipe and the packer, and below packer - an additional sand anchor with a container.

Недостатками данной установки являются возможность аварийных ситуаций при съеме пакера с якорем ввиду осаждения мелких фракций песка, просочившихся через дополнительный песочный якорь, подхваченных потоком жидкости и подымающийся выше пакера, большое количество изменений потока добываемой жидкости через перфорированные патрубки перед входом в насосную установку, что увеличивает сопротивление потоку и требует использования более мощных устьевых приводов (станков-качалок, цепных приводов или т.п.), что приводит к повышению энергетических затрат, при этом не исключается поступление в насосную установку с потоком жидкости мелкодисперсных фракций, приводящих к быстрому выходу насоса за счет абразивного воздействия, так как сечения для потока по его ходу меняется незначительно, а также отсутствие возможности обратной промывки.The disadvantages of this installation are the possibility of emergency situations when removing the anchored packer due to the settling of fine sand fractions that seeped through the additional sand anchor, picked up by the fluid flow and rising above the packer, a large number of changes in the flow of the produced fluid through the perforated pipes before entering the pumping unit, which increases the resistance flow and requires the use of more powerful wellhead drives (pumping units, chain drives, etc.), which leads to an increase in energy costs, while it is not excluded that fine fractions enter the pumping unit with the liquid flow, leading to a quick pump output due to abrasive action, since the cross section for the flow changes slightly along its course, as well as the lack of the possibility of backwashing.

Технической задачей предполагаемого изобретения является создание скважинной насосной установки с противопесочным фильтром, позволяющей поводить обратную промывку насоса, упростить съем пакера после работы, за счет установки выше него на песочном якоре кольцевой тарелки, на которую осаждаются мелкие фракции песка, снизить сопротивление потоку жидкости за счет уменьшения переходов с изменением направления потока и максимально уменьшить захват мелких фракций песка за счет увеличения сечения над песочным фильтром и соблюдением расстояния между фильтром и входом скважинного насоса, обеспечивающим минимальное попадание этих фракций на вход насоса, что соответственно приводит к увеличению его срока службы.The technical objective of the proposed invention is the creation of a downhole pumping unit with a sand filter, which makes it possible to backwash the pump, simplify the removal of the packer after operation, by installing an annular plate above it on a sand anchor, on which fine sand fractions are deposited, reduce the resistance to fluid flow by reducing transitions with a change in flow direction and to minimize the capture of fine sand fractions by increasing the cross section above the sand filter and maintaining the distance between the filter and the well pump inlet, which ensures that these fractions enter the pump inlet to a minimum, which accordingly leads to an increase in its service life.

Техническая задача решается скважинной насосной установкой с противопесочным фильтром, включающей штанговый скважинный насос, спускаемый на колонне насосно-компрессорных труб и имеющий возможность привода в действие через колонну насосных штанг, и песочный фильтр с якорем, состоящий из патрубка с пакером, расположенным внутри обратным клапаном и присоединённым снизу песчаным фильтром с контейнером.The technical problem is solved by a downhole pumping unit with an anti-sand filter, which includes a sucker-rod pump, lowered on a tubing string and capable of being driven through the sucker rod string, and a sand filter with an anchor, consisting of a branch pipe with a packer located inside a check valve and attached bottom sand filter with container.

Новым является то, что песочный якорь ниже выхода, но выше пакера, снаружи снабжен тарелкой для осаждения сверху песка из потока жидкости, а вход скважинного насоса расположен на расстоянии от выхода песочного фильтра, обеспечивающим минимально возможный захват песка с жидкостью, при скорости осаждения песка выше скорости потока жидкости.What is new is that the sand anchor is below the outlet, but above the packer, is equipped with a plate on the outside for settling sand from the liquid stream from above, and the well pump inlet is located at a distance from the sand filter outlet, providing the minimum possible capture of sand with liquid, at a sand settling rate higher than fluid flow rate.

На чертеже изображена схема скважинной установки, спущенной в свежину, в продольном разрезе.The drawing shows a diagram of a downhole installation, lowered into fresh water, in a longitudinal section.

Скважинная насосная установка с противопесочным фильтром включает в себя штанговый скважинный насос 1, спускаемый на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) 2 и имеющий возможность привода в действие через колонну насосных штанг 3 (показаны условно), и песочный фильтр 4 с якорем (не показан) для фиксации песочного фильтра 4 в требуемом интервале скважины 5. Песочный фильтр 4 состоит из патрубка 6 с пакером 7, расположенным внутри обратным клапаном 8 и присоединённым снизу песчаным фильтром 9 (сетчатым, щелевым, проволочным и/или т.п.) с контейнером 10. Песочный фильтр 4 ниже выхода 11, но выше пакера 7, снаружи снабжен тарелкой 12 для осаждения сверху мелких фракций песка из потока жидкости. Вход 13 скважинного насоса 1 расположен на расстоянии Н от выхода 11 песочного фильтра, обеспечивающим минимально возможный захват фракций песка с жидкостью, перекачиваемой насосом 1.A downhole pumping unit with a sand filter includes a sucker rod pump 1 lowered on a tubing string (tubing string) 2 and capable of being driven through the string of sucker rods 3 (conditionally shown), and a sand filter 4 with an anchor (not shown). ) for fixing the sand filter 4 in the required interval of the well 5. The sand filter 4 consists of a branch pipe 6 with a packer 7 located inside the check valve 8 and a sand filter 9 (mesh, slotted, wire and / or the like) connected from below with a container 10. Sand filter 4 below exit 11, but above packer 7, is equipped with a plate 12 on the outside for sedimentation of fine sand fractions from the liquid stream from above. The inlet 13 of the downhole pump 1 is located at a distance H from the outlet 11 of the sand filter, which ensures the minimum possible capture of sand fractions with the liquid pumped by the pump 1.

Конструктивные элементы, уплотнения и технологические соединения, не влияющие на работоспособность скважинной установки, на чертеже не показаны или показаны условно.Structural elements, seals and technological connections that do not affect the performance of the downhole installation are not shown in the drawing or are shown conditionally.

Скважинная насосная установка с противопесочным фильтром работает следующим образом.Downhole pumping unit with sand filter operates as follows.

Сначала в скважину 5 спускают противопесочный фильтр с якорем, при помощи которого фиксируют фильтр в интервале скважины 5 так, чтобы его патрубок 6 песчаного фильтра 4 с пакером 7, разобщающим внутреннее пространство скважины 5, располагались выше продуктивного пласта 14, а песчаный фильтр 9 с контейнером 10, перекрытым снизу заглушкой 15, – в подпакерном пространстве 16 скважины 5.First, an anti-sand filter with an anchor is lowered into the well 5, with the help of which the filter is fixed in the interval of the well 5 so that its branch pipe 6 of the sand filter 4 with the packer 7, separating the internal space of the well 5, is located above the productive formation 14, and the sand filter 9 with the container 10, covered from below with a plug 15, - in the under-packer space 16 of well 5.

Конструктивные элементы противопесочного фильтра с якорем могут изготавливаться любой известной конструкции в любых сочетаниях (авторы на это не претендуют), например, пакер 7 с якорем – см. патенты RU №№ 2560010, 2675392, 2674781 или т.п., патрубок 6 – см. патенты RU № 88383, SU № 468033 или т.п., песчаный фильтр 9 с контейнером 10 – RU №№ 43304, 77332 или т.п., тарелка 12 может быть изготовлена плоской (см. чертеж) или в виде конуса (см. RU № 88383), расширяющегося снизу-вверх.Structural elements of a sand filter with an anchor can be made of any known design in any combination (the authors do not claim this), for example, packer 7 with an anchor - see patents RU No. 2560010, 2675392, 2674781 or the like, branch pipe 6 - see . patents RU No. 88383, SU No. 468033 or the like, sand filter 9 with container 10 - RU No. 43304, 77332 or the like, plate 12 can be made flat (see drawing) or in the form of a cone ( see RU No. 88383), expanding from bottom to top.

После установки противопесочного фильтра в скважину 5 спускают на колонне НКТ 2 штанговый скважинный насос 1 и устанавливают так, чтобы выход 11 песочного фильтра 2 находился на расстоянии Н от входа 13 скважинного насоса 1. Колонну штанг 3 плунжера 17 скважинного насоса 1 соединяют с устьевым приводом (станок-качалка, цепной привод, гидравлический привод или т.п. – не показан). Устьевой привод запускают в работу, и он при помощи колонны штанг 3 придает возвратно-поступательное перемещение плунжеру 17, под действием которого жидкость из надпакерного пространства 18 скважинным насосом 1 по колонне НКТ 2 поднимается на поверхность, снижая уровень жидкости в надпакерном пространстве 18 ниже давления пласта 14. Под действием давления пласта 14 жидкость проходит из подпакерного пространства 16 скважины 5 очищаясь от крупных частиц через песчаный фильтр 9, за счет всего однократного изменения направления потока благодаря патрубку 19 и большой массы крупные фракции песка из жидкости осаждаются в контейнере 10, а мелкие и легкие фракции песка потоком жидкости переносятся в надпакерное пространство 18 через клапан 8. Клапан 8 исключает переток жидкости из надпакерного пространства 18 в подпакерное 16 при остановке, обслуживании или извлечении из скважины 5 скважинного насоса 1. При попадании жидкости выше выхода 11 песчаного фильтра 4, она попадает скважину 5, внутренний диаметр D которой значительно превосходит внутренний диаметр d патрубка 19, что приводит к резкому снижению скорости потока жидкости в скважине 5 и, как следствие, осаждению мелких фракций песка на тарелку 12, защищающую пакер 7 от осаждения на него большого количества песка, мешающего съему пакера 7 при необходимости. Например, при использовании эксплуатационных труб 146 мм (с внутренним диаметром D=132 мм) в качестве патрубка 19 трубу НКТ 48 мм (с внутренним диаметром d=40 мм) скорость потока жидкости снижается примерно 11 (одиннадцать) раз, позволяя большому количеству мелких фракций песка осаждаться, так как их скорость осаждения выше чем скорость потока жидкости. Однако, для осаждения требуется время, которое обеспечивается прохождением жидкости расстояния H от выхода 11 песочного фильтра 4 до входа 13 скважинного насоса 1. Для определения оптимального расстояния Н, обеспечивающего минимально возможный захват фракций песка с жидкостью скважинным насосом 1, на поверхности берут анализ жидкости и проверяют на содержание фракций песка. Расстояние Н увеличивают до того положения, когда количество фракций песка в жидкости перестает снижаться, то есть остается только взвесь, скорость осаждения которой меньше скорости потока жидкости в скважине 5. После чего скважинный насос 1 фиксируют и продолжают добычу пластовой жидкости (например, вода, нефть, вода-нефть, газированная жидкость или т.п.). Как показала практика количество фракций песка, проходящей через скважинный насос 1, при такой реализации снижается примерно в 4 – 5 раз, а межремонтный период насоса 1 увеличивается как минимум в 3 раза. При этом усилие срыва пакера 7 с якорем снизилось в среднем в 2,3 раза по сравнению с аналогом.After installing the sand filter in well 5, a downhole rod pump 1 is lowered on the tubing string 2 and installed so that the outlet 11 of the sand filter 2 is at a distance H from the inlet 13 of the borehole pump 1. The rod string 3 of the plunger 17 of the borehole pump 1 is connected to the wellhead drive ( pumping unit, chain drive, hydraulic drive or the like - not shown). The wellhead drive is put into operation, and with the help of a string of rods 3, it gives a reciprocating movement to the plunger 17, under the action of which the liquid from the above-packer space 18 by the downhole pump 1 along the tubing string 2 rises to the surface, reducing the liquid level in the above-packer space 18 below the formation pressure 14. Under the action of formation pressure 14, the liquid passes from the under-packer space 16 of the well 5, being cleaned of large particles through the sand filter 9, due to only a single change in the flow direction due to the nozzle 19 and a large mass, large fractions of sand from the liquid are deposited in the container 10, and small and light fractions of sand are transferred by fluid flow to the above-packer space 18 through valve 8. The valve 8 prevents the flow of fluid from the above-packer space 18 into the under-packer 16 during shutdown, maintenance or extraction from the well 5 of the downhole pump 1. If the liquid enters above the outlet 11 of the sand filter 4, it enters well 5, internal th diameter D of which significantly exceeds the inner diameter d of the branch pipe 19, which leads to a sharp decrease in the fluid flow rate in the well 5 and, as a result, the sedimentation of fine sand fractions on the plate 12, which protects the packer 7 from the deposition of a large amount of sand on it, which interferes with the removal of the packer 7 if necessary. For example, when using production pipes 146 mm (with an internal diameter of D=132 mm) as a branch pipe 19 tubing pipe 48 mm (with an internal diameter of d=40 mm), the fluid flow rate is reduced by about 11 (eleven) times, allowing a large amount of fines sand to settle, since their settling rate is higher than the fluid flow rate. However, sedimentation requires time, which is provided by the passage of the liquid distance H from the outlet 11 of the sand filter 4 to the inlet 13 of the downhole pump 1. To determine the optimal distance H, which ensures the minimum possible capture of sand fractions with liquid by the downhole pump 1, an analysis of the liquid is taken on the surface and checked for the content of sand fractions. The distance H is increased to the point where the number of sand fractions in the liquid ceases to decrease, that is, only the suspension remains, the settling rate of which is less than the fluid flow rate in the well 5. After that, the downhole pump 1 is fixed and the production of formation fluid (for example, water, oil) is continued. , water-oil, carbonated liquid or the like). As practice has shown, the amount of sand fractions passing through the downhole pump 1 is reduced by about 4–5 times with this implementation, and the overhaul period of pump 1 is increased by at least 3 times. At the same time, the breaking force of packer 7 with an anchor decreased on average by 2.3 times compared to its analogue.

Предлагаемая установка благодаря исключению дополнительных фильтров непосредственно на входе 13 скважинного насоса 1 повышает эффективность проведения обратной промывки скважинного насоса 1 и колонны НКТ 2 от отложений вследствие уменьшения потерь напора по сравнению с аналогом.The proposed installation, due to the exclusion of additional filters directly at the inlet 13 of the downhole pump 1, increases the efficiency of backwashing of the downhole pump 1 and the tubing string 2 from deposits due to a decrease in pressure loss compared to the analogue.

Предлагаемая скважинная насосная установка с противопесочным фильтром позволяет упростить съем пакера после работы, за счет установки выше него на песочном якоре кольцевой тарелки, на которую осаждаются мелкие фракции песка, снизить сопротивление потоку жидкости за счет уменьшения переходов с изменением направления потока и максимально уменьшить захват мелких фракций песка за счет увеличения сечения над песочным фильтром и соблюдением расстояния между фильтром и входом скважинного насоса, обеспечивающим минимальное попадание этих фракций на вход насоса, что соответственно приводит к увеличению его срока службы, а также повышению эффективности проведения обратной промывки скважинного насоса и колонны НКТ от отложений.The proposed downhole pumping unit with a sand filter makes it possible to simplify the removal of the packer after work, by installing an annular plate above it on a sand anchor, on which fine sand fractions are deposited, to reduce the resistance to fluid flow by reducing transitions with a change in flow direction and to minimize the capture of fine fractions sand by increasing the cross section above the sand filter and maintaining the distance between the filter and the well pump inlet, which ensures that these fractions enter the pump inlet to a minimum, which accordingly leads to an increase in its service life, as well as an increase in the efficiency of backwashing the well pump and tubing string from deposits .

Claims

A downhole pumping unit with an anti-sand filter, including a sucker rod pump lowered on the tubing string and capable of being driven through the pump rod string, and a sand filter with an anchor, consisting of a branch pipe with a packer located inside a check valve and a sand filter connected from below a filter with a container, characterized in that the sand anchor is lower than the outlet, but higher than the packer, is equipped on the outside with a plate for sedimentation of sand from the fluid flow from above, and the well pump inlet is located at a distance from the sand filter outlet, providing the minimum possible capture of sand with fluid, at a speed sedimentation of sand above the fluid flow rate.