RU2827420C1 - Способ добычи пластовой жидкости с повышенным содержанием газа и абразивных частиц и погружная установка с мультивихревым газосепаратором для его осуществления - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при добыче нефти из скважин с высоким содержанием свободного газа и абразивных частиц посредством установок электроцентробежных насосов. Способ добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц заключается в подводе указанной жидкости в газосепаратор, отводе дегазированной в газосепараторе жидкости в лопастной насос. Указанные газосепаратор и лопастной насос приводят в действие электродвигателем. Газосепаратор содержит вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, рабочее колесо, которое содержит втулку с лопастями, установленную на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство. В головке газосепаратора устанавливают разделительную втулку, формирующую две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа. Между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образуют кольцевой зазор, а на входе в подводящий узел в основании выполняют конусообразный диффузорный участок. Проточную часть рабочего колеса выполняют диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо выполняют меньше, чем на выходе. На выходе втулки рабочего колеса выполняют участок для образования обратных токов в виде торообразного выреза, посредством которого сепарируют пузырьки газа из основного потока с последующим их укрупнением. Втулку рабочего колеса выполняют с полым участком, соединенным отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки к центру, в этот полый участок, в виде ребер. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности работы погружной установки с газосепаратором и лопастным насосом и в снижении энергопотребления погружной установки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при добыче нефти из скважин с высоким содержанием свободного газа и абразивных частиц посредством установок электроцентробежных насосов.

Известно из патента RU 2442023 техническое решение, заключающееся в подводе газожидкостной смеси в газосепаратор, повышении ее напора в шнеке газосепаратора, закручивании потока газожидкостной смеси, разделении потока с последующим отводом отсепарированного газа в затрубное пространство и подаче дегазированной жидкости в электроцентробежный насос. При этом в ограниченных радиальных габаритах скважины предварительно до размещения установки электроцентробежного насоса в скважине определяют диапазон подач газожидкостной смеси, рассчитывают для каждого значения этого диапазона геометрические параметры шнека газосепаратора и затем комплектуют установку партией рассчитанных шнеков для каждого значения подачи в пределах одного габарита скважины.

Однако данный способ имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.

Известен из патента RU 2027912 способ откачивания жидкости, включающий подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока посредством воздействия лопастного колеса на смесь, разделение смеси в поле центробежных сил с последующим отводом отсепарированного газа в затрубное пространство скважины и нагнетание насосом дегазированной жидкости.

Однако на режимах, отличных от оптимальной подачи, при больших углах атаки возникают обратные токи на входе в шнек. При этом часть вращающейся жидкости с повышенным давлением может вытекать в затрубное пространство через отверстия в основании газосепаратора. Так как диаметр выхода этих отверстий совпадает с диаметром гильзы шнека. Обратные токи могут вызывать гидроабразивный износ элементов проточной части и диспергировать поток газожидкостной смеси (ГЖС), что приведет к снижению сепарирующих свойств, так как измельченные пузырьки малого диаметра сложнее сепарировать.

Известен из патента RU 2442023 газосепаратор установки электроцентробежного насоса, содержащий размещенные в корпусе последовательно установленные на валу по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями и с приемной сеткой, шнек, защитную гильзу. Сепаратор, выполненный в виде радиальных ребер, головку с каналами, выход которых связан с входом в насос, и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, при этом шнек имеет переменный шаг, а лопатки шнека установлены под входным углом, определяемым из условия безударного входа пластовой жидкости.

Однако данный газосепаратор имеет недостаточную надежность при откачивании жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц, так как в проточной части сепарационной камеры установлено высоконапорное осевое колесо, шнек переменного хода имеет большие углы на выходе, поэтому повышается вероятность возникновения обратных токов с выхода сепарационной камеры, где давление высокое, на вход, где давление существенно ниже. Обратные токи, захватывая механические примеси, имеют повышенную концентрацию абразивных частиц, являются причиной гидроабразивного износа элементов проточной части газосепаратора. Необходимо устранить, или, по крайней мере, существенно снизить их интенсивность.

Также газосепаратор имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.

Известно из патента RU 161892 техническое решение, в котором раскрыт вихревой газосепаратор, содержащий корпус, входной модуль, вращающийся вал, шнек переменного хода, заключенный в защитную гильзу, и головку разделитель.

Данный сепаратор имеет аналогичные вышеуказанному источнику недостатки.

На режимах, отличных от оптимальной подачи, при больших углах атаки возникают обратные токи на входе в шнек. При этом часть вращающейся жидкости с повышенным давлением может вытекать в затрубное пространство через отверстия в основании газосепаратора. Так как диаметр выхода этих отверстий совпадает с диаметром гильзы шнека. Обратные токи могут вызывать гидроабразивный износ элементов проточной части и диспергировать поток газожидкостной смеси (ГЖС), что приведет к снижению сепарирующих свойств, так как измельченные пузырьки малого диаметра сложнее сепарировать.

Наиболее близкими аналогами к заявляемым способу и устройству являются технические решения, известные из патента RU 2774343. Способ заключается в подводе газожидкостной смеси в газосепаратор через конусообразный диффузорный участок основания, повышении напора газожидкостной смеси в шнековом узле, закручивании и разделении потока газожидкостной смеси в сепарационной камере, с помощью разделительной втулки, установленной в головке, формируют две области, удаленные друг от друга, дегазированную жидкость отбирают с периферии сепарационной камеры, отсепарированный газ – из области сепарационной камеры близкой к валу, с последующим отводом большей части отсепарированного газа в затрубное пространство и дегазированной жидкости в лопастной насос с последующим сжатием и растворением оставшегося газа.

Погружная установка содержит лопастной насос, электродвигатель и газосепаратор, содержащий вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, шнековый узел, установленный на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора установлена разделительная втулка, формирующая две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образован кольцевой зазор, а на входе в шнековый узел основание имеет конусообразный диффузорный участок.

Однако такой газосепаратор имеет недостаточную надежность и эффективность при откачивании жидкости с повышенным содержанием свободного газа и механических примесей.

При расчете проточной части шнека не учитывается баланс между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления и силой трения, которая увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку через проточную часть. Проточная часть шнека заполняется газовыми кавернами. В результате существенно снижается напор и соответственно закрутка потока на входе в сепарационную камеру, которая определяет эффективность сепарации. Помимо этого на малых подачах возникают обратные токи на входе в шнек, заполненные механическими примесями, которые могут привести к гидроабразивному перерезанию корпуса. Обратные токи могут диспергировать поток газожидкостной смеси (ГЖС), что приведет к снижению сепарирующих свойств, так как измельченные пузырьки малого диаметра сложнее сепарировать.

Технической проблемой группы заявляемых изобретений является создание технического решения, при котором в процессе работы газосепаратора внутри него снижается или полностью прекращается возникновение противотоков относительно основного потока пластовой жидкости (газожидкостной абразивной смеси) с высокой концентрацией механических примесей.

Это устраняет диспергирование, уменьшение диаметров пузырьков газа, предохраняет от износа внутреннюю поверхность корпуса газосепаратора, и в результате приводит к повышению надежности газосепаратора и эффективности сепарации. Повышает гидравлический КПД, напор и эффективность сепарации. Использование осевого колеса (шнека) с более высоким гидравлическим КПД приводит к снижению мощности и энергопотребления.

Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности и эффективности работы погружной установки с газосепаратором и лопастным насосом и снижение энергопотребления погружной установки.

Заявленный технический результат достигается за счёт того, что в способе добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц, заключающемся в подводе указанной жидкости в газосепаратор, отводе дегазированной в газосепараторе жидкости в лопастной насос, при этом указанные газосепаратор и лопастной насос приводят в действие электродвигателем, при этом газосепаратор содержит вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, рабочее колесо, которое содержит втулку с лопастями, установленную на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора устанавливают разделительную втулку, формирующую две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образуют кольцевой зазор, а на входе в подводящий узел в основании выполняют конусообразный диффузорный участок, проточную часть рабочего колеса выполняют диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо выполняют меньше, чем на выходе, при этом на выходе втулки рабочего колеса выполняют участок для образования обратных токов в виде торообразного выреза, посредством которого сепарируют пузырьки газа из основного потока с последующим их укрупнением, причем втулку рабочего колеса выполняют с полым участком, соединенным отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки к центру, в этот полый участок, в виде ребер.

Также заявленный технический результат достигается за счёт того, в погружной установке для осуществления способа добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц, содержащей лопастной насос, электродвигатель и мультивихревой газосепаратор, содержащий вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, рабочее колесо, которое содержит втулку с лопастями, установленную на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора установлена разделительная втулка, формирующая две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образован кольцевой зазор, а на входе в подводящий узел основание имеет конусообразный диффузорный участок, проточная часть рабочего колеса является диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, при этом на выходе втулки рабочего колеса изготовлен участок для образования обратных токов в виде торообразного выреза, причем втулка рабочего колеса имеет полый участок, соединенный отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки к центру, в этот полый участок, в виде ребер.

Заявленный технический результат объясняется следующим образом.

Проточная часть рабочего колеса является диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой:

, коэффициент где – диаметр пузырька газа, угловая скорость вращения ротора, кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, плотность перекачиваемой смеси, плотность газа, меридиональная скорость в данном сечении проточной части, коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

При выполнении этих закономерностей изменение средней линии проточной части происходит по параболе, и выполняется оптимальное соотношение между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход рабочего колеса и силой трения, пропорциональной скорости потока, пузырьки газа проходят через проточную часть без образования газовых пробок и срыва подачи, ступень имеет высокий напор. Вышеуказанная формула, после учета свойств пластовой жидкости, может быть записана в виде: , где – коэффициент, .

Если проточная часть рабочего колеса разработана таким образом, то в потоке учитывается баланс между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления, и силой трения, которая увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку через проточную часть. За счет этого газовые пузырьки проходят через проточную часть без образования крупных газовых каверн, пробок и срыва подачи. Проточную часть в рабочем колесе и направляющем аппарате формируют не области с обратными течениями, вихревыми зонами, а стенки из твердого материала.

Соответственно высокий напор и КПД будет и при работе на жидкости без газа и на газожидкостной смеси.

Высокий КПД при работе на жидкости без газа можно объяснить плавным течением потока, отсутствием обратных токов и вихрей.

Чем меньше величина коэффициента , и (или) n, тем больше длина проточной части, меньше напорность, увеличение давления на единицу длины, и, соответственно, при той же величине меридиональной скорости потока выше допустимое содержание свободного газа. Однако, при этом больше монтажная длина и стоимость насоса. При больших значениях , и (или) n ступень хуже работает на ГЖС, но при этом ниже монтажная длина и стоимость.

Значение параметра вычисляются при заданном коэффициенте и физико-химических свойствах рабочей жидкости. Обычно находится в пределах: .

За счет высокого напора образуется высокая окружная скорость на выходе из рабочего колеса (шнека), на входе в сепарационную камеру, которая обеспечивает сепарацию пузырьков газа.

Если на выходе втулки рабочего колеса (шнека) изготовлен участок для образования обратных токов, например, в виде торообразного выреза, то на этом участке возникает дополнительный торообразный вихрь, который сепарирует в центр вихря часть пузырьков газа из основного потока и способствует их объединению, коалесценции. Пузырьки с большим диаметром легче сепарируются в сепарационной камере. За счет наличия дополнительного торообразного вихря сепаратор является мультивихревым.

Если втулка рабочего колеса (шнека) имеет полый участок, соединенный отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки в виде ребер, то это приводит к снижению объема газовых каверн в проточной части рабочего колеса (шнека). Соответственно – выше напор и эффективность сепарации.

Как показывают результаты численных и физических экспериментов на стенде, оптимальное количество лопастей в рабочем колесе составляет от 3 до 9. При меньшем числе лопастей снизится густота решетки и соответственно напор, при большем числе лопастей уменьшится площадь каналов проточной части из-за стеснения потока, повысится меридиональная скорость, потери на трение, соответственно снизится КПД и напор.

Если на выходе из газосепаратора установлен диспергирующий модуль и/или диспергирующие ступени, это позволить снизить средний диаметр пузырьков газа, вышедших из газосепаратора и поступающих на вход в насос.

Сущность группы изобретений поясняется фигурами 1-4, на которых показаны:

На фиг. 1 – схема погружной установки в составе двигателя, газосепаратора, модуля с компрессорными диспергирующими ступенями, насоса и насосно-компрессорных труб;

На фиг. 2 – общий вид газосепаратора в разрезе;

На фиг. 3 – рабочее колесо (шнек) с вихреобразующим вырезом в разрезе;

На фиг. 4 – рабочее колесо (шнек) в разрезе.

На фиг. 1-4 позициями 1-19 обозначены:

1 – электродвигатель;

2 – газосепаратор;

3 – модуль с компрессорными диспергирующими ступенями;

4 – лопастной насос;

5 – насосно-компрессорные трубы;

6 – корпус газосепаратора;

7 – защитная гильза;

8 – основание;

9 – вал газосепаратора;

10 – рабочее колесо (шнек);

11 – головка;

12 – каналы для прохода дегазированной жидкости;

13 – отверстия для выхода газа в затрубное пространство;

14 – конусообразный диффузорный участок основания;

15 – втулка шнека;

16 – торообразный вырез;

17 – полый участок;

18 – отверстия;

19 – ребра.

Погружная установка содержит электродвигатель 1, газосепаратор 2, модуль с компрессорными диспергирующими ступенями 3, лопастной насос 4 и насосно-компрессорные трубы 5.

Газосепаратор 2 содержит вал 9, корпус 6, установленную в корпусе 6 защитную гильзу 7, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание 8 с отверстиями, рабочее колесо (шнек) 10, установленное на валу 9, головку 11 с каналами 12 для прохода дегазированной жидкости в лопастной насос 4 и отверстиями 13 для выхода газа в затрубное пространство.

На входе в рабочее колесо (шнек) 10 основание 8 имеет конусообразный диффузорный участок 14. Конусообразный диффузорный участок 14 на входе в рабочее колесо (шнек) 10 может быть образован конусообразной гильзой, установленной в корпусе газосепаратора 6.

Втулка 15 рабочего колеса (шнека) 10 может дополнительно содержать торообразный вырез 16.

В варианте конструктивного исполнения втулка 15 рабочего колеса (шнека) 10 имеет полый участок 17, соединенный отверстиями 18 с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки в виде ребер 19.

Проточная часть рабочего колеса 10 является диагональной, радиус втулки 15 увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо 10 меньше, чем на выходе, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе 10 от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой:

, коэффициент где – диаметр пузырька газа, угловая скорость вращения ротора, кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, плотность перекачиваемой смеси, плотность газа, меридиональная скорость в данном сечении проточной части, коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

Рабочее колесо 10 может быть выполнено в виде шнека с лопастями винтообразной формы. Количество лопастей в рабочем колесе 10 составляет от 3 до 9. Лопасти рабочего колеса 10 могут иметь ведомый диск.

На выходе из газосепаратора может быть установлен диспергирующий модуль и/ или диспергирующие ступени.

Способ осуществляют следующим образом.

После включения электродвигателя 1 рабочее колесо (шнек) 10 начинает закачивать газожидкостную смесь из затрубного пространства через основание 8 в сепарационную камеру между валом 9 и защитной гильзой 7.

Рабочее колесо (шнек) 10 подводит и закручивает ГЖС. Под воздействием центробежной силы в сепарационной камере происходит разделение ГЖС, дегазированная жидкость собирается на выходе на периферии сепарационной камеры и по каналам 12 отводится в лопастной насос 4.

Отсепарированный газ собирается в центре вокруг вала 9 и через отверстия 13 отводится в затрубное пространство.

В варианте конструктивного исполнения на выходе из втулки 15 рабочего колеса (шнека) 10 в вырезе 16 образуется торообразный вихрь, в котором осуществляется предварительная сепарация и укрупнение пузырьков газа.

В варианте конструктивного исполнения ребра 19 отводят газовые каверны из лопастной решетки рабочего колеса (шнека) 10 в полый участок (полости) 17, изготовленные внутри втулки 15.

Это приводит к снижению объема газовых каверн в проточной части рабочего колеса (шнека). Соответственно – выше напор и эффективность сепарации.

Газосепаратор 2 не может полностью удалить весь свободный газ. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД на входе в лопастной насос 4 может быть установлен модуль с компрессорными диспергирующими ступенями 3 с целью диспергирования, уменьшения среднего диаметра пузырьков газа, сжатия и растворения в пластовой жидкости.

Пройдя через лопастной насос 4, пластовая жидкость поступает в насосно-компрессорные трубы 5 и поднимается на поверхность.

Таким образом, решается задача настоящего изобретения по повышению надежности и эффективности работы установки с газосепаратором и лопастным насосом.

Claims (6)

1. Способ добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц, заключающийся в подводе указанной жидкости в газосепаратор, отводе дегазированной в газосепараторе жидкости в лопастной насос, при этом указанные газосепаратор и лопастной насос приводят в действие электродвигателем, при этом газосепаратор содержит вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, рабочее колесо, которое содержит втулку с лопастями, установленную на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора устанавливают разделительную втулку, формирующую две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образуют кольцевой зазор, а на входе в подводящий узел в основании выполняют конусообразный диффузорный участок, отличающийся тем, что проточную часть рабочего колеса выполняют диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо выполняют меньше, чем на выходе, при этом на выходе втулки рабочего колеса выполняют участок для образования обратных токов в виде торообразного выреза, посредством которого сепарируют пузырьки газа из основного потока с последующим их укрупнением, причем втулку рабочего колеса выполняют с полым участком, соединенным отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки к центру, в этот полый участок, в виде ребер.

2. Погружная установка для осуществления способа добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц по п.1, содержащая лопастной насос, электродвигатель и мультивихревой газосепаратор, содержащий вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, рабочее колесо, которое содержит втулку с лопастями, установленную на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора установлена разделительная втулка, формирующая две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образован кольцевой зазор, а на входе в подводящий узел основание имеет конусообразный диффузорный участок, отличающаяся тем, что проточная часть рабочего колеса является диагональной, радиус втулки увеличивается от входа к выходу, наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, при этом на выходе втулки рабочего колеса изготовлен участок для образования обратных токов в виде торообразного выреза, причем втулка рабочего колеса имеет полый участок, соединенный отверстиями с лопастной решеткой, в котором установлено устройство для отвода газовых каверн из лопастной решетки к центру, в этот полый участок, в виде ребер.

3. Погружная установка по п. 2, отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено в виде шнека с лопастями винтообразной формы.

4. Погружная установка по п. 2, отличающаяся тем, что количество лопастей в рабочем колесе составляет от 3 до 9.

5. Погружная установка по п. 2, отличающаяся тем, что лопасти рабочего колеса имеют ведомый диск.

6. Погружная установка по п. 2, отличающаяся тем, что на выходе из газосепаратора установлен диспергирующий модуль и/или диспергирующие ступени.