СПОСОБ КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СЖАТИЯ И ПЕРЕКАЧКИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F04B35/02 F04B39/06 

Изобретение относится к области сжатия и перекачки газа и, в частности, представляет собой способ квазиизотермического сжатия и перекачки газа жидкостным насосом возвратно-поступательного действия и устройство для осуществления этого способа, в частности для использования при добыче нефти и газа.

Известен способ квазиизотермического сжатия газа компрессором, при котором температура сжимаемого газа поддерживается в диапазоне, обусловленном технологическими требованиями применения сжатого газа, за счет испарения жидкости, впрыскиваемой в камеру сжатия. Этот способ реализован в устройствах, защищенных авт. св. СССР N N 706562, кл. F 04 B 39/06, 1979 г.; 779623, кл. F 04 B 39/06, 1980; 892019, кл. F 04 B 39/06, 1981 г.; 909285, кл. F 04 B 39/06, 1982 г.; 969966, кл. F 04 B 39/06, 1982 г.; 1195048, кл F 04 B, 1985 г. ; 1195049, кл. F 04 B 39/06, 1985 г.; 1610208, F 04 B 35/02, 1990 г., а также, в пат. США N 2025142, кл. 417-438, 1943 г. Известен также способ сжатия и подачи газа к потребителю при бурении и освоении скважин, заложенный в техническом решении по авт. св. СССР N 714044, кл. F 04 B 23/10, 1980 г., который может быть выбран за прототип заявляемого способа.

Известный способ заключается в том, что сжатие поступающего от автономного источника газа (или газожидкостной смеси) осуществляется с помощью жидкостного насоса возвратно-поступательного действия с клапанным распределением в дополнительной камере, соединенной с рабочим цилиндром насоса, из которого сжатый газ (или газожидкостная смесь) подается к потребителю через нагнетательный клапан насоса.

Известная установка для осуществления этого способа, описанная в том же источнике, содержит поршневой насос с клапанным распределением, в котором между рабочим цилиндром и нагнетательным клапаном установлена дополнительная камера, соединенная через выпускной клапан с источником газа или газожидкостной смеси.

Основными недостатками известных способа и устройства являются:
- пенообразование в камере сжатия (в дополнительной камере и в смежном с ней участке рабочего цилиндра насоса) и срыв подачи насоса при повышенной частоте вращения его привода;
- растворение компремируемого газа в рабочей жидкости, которая является и жидкостью охлаждения;
- недостаточная эффективность охлаждения за счет относительно небольшой площади контакта "жидкого поршня", образованного рабочей жидкостью со сжимаемым газом.

Обычно газ, который требуется сжать и подать потребителю на нефтепромысле, имеет температуру до 40^oC и давление 1,5-2 МПа. В соответствии с технологическими требованиями потребителя его давление должно составлять 20-30 МПа и выше, а температура не должна превышать 80^oC. Вместе с тем, при сжатии газа до указанных давлений его температура повышается до 400^oC и охлаждение его до требуемой потребителем температуры с применением известных способов представляет значительные трудности.

В связи с изложенным, основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение является устранение указанных недостатков прототипа и обеспечение повышения эффективности способа и устройства для квазиизотермического сжатия и перекачки газа с использованием жидкостного насоса за счет устранения пенообразования в камере сжатия и т.о. предотвращения срыва подачи насоса при повышенной частоте вращения его привода; устранение растворения компремируемого газа в рабочей жидкости (которая является и жидкостью охлаждения) и за счет более эффективного охлаждения сжимаемого газа.

Для решения поставленной технической задачи в способе квазиизотермического сжатия и перекачки газа жидкостным насосом возвратно-поступательного действия, включающем подачу газа в дополнительную камеру, сообщенную с рабочей камерой насоса, сжатие и последующую перекачку газа осуществляют путем воздействия на него давления нагнетаемой насосом жидкости через плавучую проницаемую твердофазную среду, размещенную на границе раздела жидкой и газовой фаз и обладающую капиллярным эффектом и развитой поверхностью.

Решение поставленной технической задачи достигается также и тем, что в устройстве для осуществления заявляемого способа, включающем жидкостной насос возвратно-поступательного действия с поршневым элементом, размещенным в его рабочей камере, всасывающий коллектор для рабочий жидкости, дополнительную камеру, соединенную с рабочей камерой насоса и сообщенную через всасывающий газовый клапан с источником газа, а через нагнетательный газовый клапан - с трубопроводом подачи газа к потребителю, между нагнетательным газовым клапаном и трубопроводом подачи газа к потребителю последовательно смонтированы соединенные между собой теплообменник и сепаратор капельной жидкости, выход которого сообщен со всасывающим коллектором насоса, а в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз размещена плавучая перегородка, изготовленная из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. Указанная плавучая перегородка может быть выполнена в виде плавучего поршня, изготовленного из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. Она может быть выполнена также в виде слоя волокнистого материала, в виде плавучего твердотельного поршня, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью и оснащенного окнами, заполненными волокнистым материалом, обладающим капиллярным эффектом, или же в виде слоя плавучих проницаемых гранул. Возможность осуществления настоящего предлагаемого изобретения доказывается мировой практикой использования жидкостных насосов для сжатия и перекачки газа, в частности в нефтегазодобывающей промышленности. В отечественной практике также известны многочисленные разработки ВНИИБТ и ЗАО НПАК "РАНКО", используемые в выпускаемых в настоящее время установках и защищенные рядом авторских свидетельств и патентов (например, авт.св. СССР N 714044, 1039295 и др.)
Технические признаки заявляемых способа и устройства могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники (жидкостной насос возвратно-поступательного действия с дополнительной камерой, клапаны, теплообменник, сепараторы капельной жидкости, плавучий поршень из проницаемого пористого материала или из твердого материала с окнами, заполненными волокнистым материалом, плавучие перегородки из волокнистого материала или из проницаемых гранул и т. д.). Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы для его осуществления и достаточны, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи - повышение эффективности способа и устройства для квазиизотермического сжатия и перекачки газа.

В дальнейшем настоящее предлагаемое изобретение поясняется на примерах его выполнения, схематически изображенных на прилагаемых чертежах, на которых
фиг. 1 - схематическое изображение устройства для осуществления заявляемого способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа насосом возвратно-поступательного действия с плавучей перегородкой в виде поршня, изготовленного из пористого материала и размещенного в дополнительной камере;
фиг. 2 - схематическое изображение устройства для осуществления заявляемого способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа, характеризующегося наличием в дополнительной камере насоса плавучей перегородки в виде слоя волокнистого материала;
фиг. 3 - схематическое изображение устройства для осуществления заявляемого способа, характеризующегося выполнением плавучей перегородки в виде твердотельного поршня, снабженного окнами, заполненными волокнистым материалом;
фиг. 4 - схематическое изображение варианта выполнения устройства, характеризующегося наличием плавучей перегородки в виде слоя плавучих проницаемых гранул.

Согласно заявляемому способу квазиизотермическое сжатие в камере сжатия и последующая перекачка газа осуществляется жидкостным насосом возвратно-поступательного действия. Развиваемое при ходе нагнетания жидкостного насоса давление жидкой среды (например, воды) передается газу, находящемуся в камере сжатия, через плавучую проницаемую среду, размещенную на границе жидкой и газовой фаз. Указанная среда имеет щели (некапиллярные каналы) и капиллярные каналы, поперечные размеры и свойства поверхности которых обеспечивают капиллярный (фитильный) эффект за счет сил поверхностного натяжения на границе "газ-поверхность пар-жидкость". Проницаемая среда представляет собой материал с хорошей теплопроводностью (например, таким материалом могут быть медь, бронза, латунь, алюминий и др.), имеющий высокую теплоемкость. Кроме того, эта среда имеет пористую структуру (которая достигается современными технологиями, не являющимися объектом настоящего предлагаемого изобретения).

При этом не менее половины пор представляют собой сквозные (капиллярные) каналы. Поперечные размеры каналов и свойства поверхности их должны обеспечивать капиллярный эффект.

Несквозные каналы, выходящие на поверхность указанной проницаемой среды, имеют развитую поверхность, физико-химические свойства которой обеспечивают хорошую ее смачиваемость жидкой фазой.

В процессе осуществления способа сжимаемый в камере сжатия газ охлаждается за счет испарения жидкости с поверхности несквозных каналов, постоянно смачиваемых жидкостью капиллярных каналов, и с торцов капиллярных каналов пористой среды, имеющей высокие теплоемкость и теплопроводность. Тепло, передаваемое по стенкам пор вниз, распространяется в нижнюю часть среды, ускоряя скорость движения жидкости в капиллярах (за счет снижения ее вязкости).

При ходе всасывания жидкостного насоса проницаемая среда перемещается вместе с границей раздела жидкой и газовой сред вниз. При этом продолжается испарение жидкости с поверхности несквозных и сквозных (капиллярных каналов) и охлаждение за счет этого поступающего в камеру сжатия газа.

Общая толщина проницаемой среды, ее пористость и проницаемость определяются, исходя из следующих параметров: допустимой температуры газа на выходе из камеры сжатия, теплоемкости и внутренней теплоты испарения жидкости, теплофизических характеристик сжимаемого газа, времени цикла сжатия, теплофизических свойств поршня жидкостного насоса.

Поскольку для определения толщины и гидродинамических свойств проницаемой среды требуется много параметров, которые к тому же являются переменными в процессе тактов всасывания и нагнетания жидкостного насоса, окончательное определение толщины проницаемой среды осуществляют экспериментальным путем.

Устройство для осуществления описанного способа изображено на фиг. 1.

Оно включает жидкостный насос возвратно-поступательного действия 1, в рабочей камере 2 которого размещен поршневой элемент 3, приводимый в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом 4 привода насоса. Рабочая камера 2 насоса имеет всасывающий клапан 5, предназначенный для поступления в цилиндр рабочей жидкости из всасывающего коллектора 6. Рабочая камера 2 соединена с дополнительной камерой 7 (камера сжатия газа). В верхней части этой камеры смонтирован всасывающий газовый клапан 8, сообщенный с автономным источником газа (не показан). Кроме того, в верхней части дополнительной камеры 7 смонтирован нагнетательный газовый клапан 9, через который сжатый газ подается к потребителю. Внутри дополнительной камеры 7 на границе раздела жидкой и газовой сред 10 размещена плавучая перегородка в виде поршня 11, изготовленного из материала с хорошей теплопроводностью, имеющего высокую теплоемкость (см. выше в описании заявляемого способа). Поршень 11 имеет несколько встроенных поплавков 12, обеспечивающих его плавучесть. Материал поршня имеет пористую структуру, образуемую множеством капиллярных каналов 13 и щелей 14 (некапиллярных каналов). Предпочтительно, чтобы уровень жидкости в некапиллярных каналах составлял бы не менее половины толщины поршня 11. Между газовым нагнетательным клапаном 9 и трубопроводом подачи газа к потребителю 15 в трубопроводе 16 последовательно смонтированы теплообменник 17 и сепаратор капельной жидкости 18. Конструкции теплообменника 17 и сепаратора 18 общеизвестны и не являются объектом настоящего предлагаемого изобретения. Выход последнего сообщен трубопроводом 19 со всасывающим коллектором 6 насоса 1. Сжатый газ потребителю может направляться из камеры сжатия 7 непосредственно к потребителю, минуя теплообменник 17 и сепаратор 18, для чего в схеме устройства предусмотрен трубопровод 20 и задвижки 21 и 22, конструкции которых общеизвестны.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При осуществлении насосом 1 хода всасывания поршень 3 движется в рабочей камере 2 вправо, в результате чего рабочая жидкость (предпочтительно вода) поступает из всасывающего коллектора 6 через всасывающий клапан 5 в рабочую камеру 2 и частично в дополнительную камеру 7. При этом поршень 11 плавает внутри дополнительной камеры 7 на границе жидкой и газовой фаз. Одновременно через всасывающий газовый клапан 8 в камеру 7 поступает от независимого источника газ, предназначенный для сжатия, и заполняет надпоршневое пространство камеры 7. Давление этого газа может составлять, например, до 2 МПа, а температура до 40^oC. Рабочая жидкость при этом поднимается по капиллярным каналам 13 и смачивает верхнюю поверхность поршня, попадая и в некапиллярные каналы 14, образующую развитую поверхность поршня.

При ходе нагнетания поршень 3 движется в рабочей камере 2 влево и давление рабочей жидкости передается через поршень 11 газу в верхней части камеры сжатия 7. Газ при этом сжимается, и его давление значительно возрастает до 30 МПа и выше.

В процессе компремирования газа происходит нагрев поверхности поршня 11, что, в свою очередь, ведет к испарению жидкости с его поверхности и, как следствие, к снижению температуры сжимаемого газа за счет теплоты испарения, чем и достигается квазиизотермический эффект сжатия газа.

Благодаря хорошей теплопроводности материала поршня 11, тепло передается по стенкам пор и капиллярных каналов в нижнюю часть поршня, обеспечивая снижение вязкости жидкости в капиллярах и тем самым ускоряя ее движение в капиллярах вверх и смачивание верхней поверхности поршня 11.

Сжатый до требуемого давления газ через нагнетательный газовый клапан 9 по трубопроводу 16 при открытой задвижке 21 и закрытой задвижке 22 направляется в теплообменник 17, где происходит его окончательное охлаждение до требуемой потребителю температуры (обычно около 80^oC), и через сепаратор капельной жид кости 18 направляется по трубопроводу 15 к потребителю.

Выход сепаратора 18 сообщен со всасывающим коллектором 6 насоса 1 трубопроводом 19, по которому сливается отделенная от газа сепаратором 18 жидкость, восполняя износ жидкой фазы вместе с газом. Если это необходимо, то сжатый газ может из камеры сжатия 7 направляться непосредственно в трубопровод 15, минуя теплообменник 17 и сепаратор 18, при открытой задвижке 22 и закрытой задвижке 21.

На фиг. 2 показан вариант выполнения устройства для осуществления заявляемого способа, характеризующийся тем, что в дополнительной камере 7 на границе раздела жидкой и газовой фаз размещена плавучая перегородка 24 в виде слоя волокнистого материала.

На фиг. 3 показан вариант выполнения плавучего поршня 11, изготовленного из твердотельного материала (например, из алюминия, твердой пластмассы и пр. ). В поршне 11 в этом варианте выполнены окна 23, заполненные волокнистым проницаемым материалом (тканым или нетканым), обладающим капиллярным эффектом (из нетканых материалов можно отметить термостойкие пластмассовые нити, стекловолокно и т.п.).

На фиг. 4 показан вариант выполнения устройства, характеризующийся размещением на границе раздела жидкой и газовой фаз в камере 7 плавучей перегородки 25 в виде слоя плавучих проницаемых гранул (например, изготовленных из термостойких пластмасс, пермета и др.).

Работа устройства в вариантах выполнения его, изображенных на фиг. 2, 3 и 4, происходит так же, как и в варианте, показанном на фиг. 1.

Последние три варианта удешевляют изготовление устройства сравнительно с вариантом, показанном на фиг. 1.

Изобретение может быть использовано для сжатия и перекачки газа при добыче нефти и газа. Способ квазиизотермического сжатия и перекачки газа жидкостным насосом возвратно-поступательного действия включает подачу газа в дополнительную камеру, сообщенную с рабочей камерой насоса. Сжатие и последующую перекачку газа осуществляют путем воздействия на него давлением нагнетаемой насосом жидкости через плавучую проницаемую твердофазную среду, размещенную на границе раздела жидкой и газовой фаз и обладающую капиллярным эффектом и развитой поверхностью. Устройство для осуществления способа включает насос возвратно-поступательного действия с поршневым элементом, размещенным в его рабочей камере, всасывающий коллектор для рабочей жидкости, дополнительную камеру, соединенную с рабочей камерой насоса и сообщенную через всасывающий газовый клапан с источником газа, а через нагнетательный газовый клапан - с трубопроводом подачи газа к потребителю. Между нагнетательным газовым клапаном и трубопроводом подачи газа к потребителю последовательно смонтированы соединенные между собой теплообменник и сепаратор капельной жидкости, выход которого сообщен со всасывающим коллектором насоса, в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз размещена плавучая перегородка, изготовленная из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. Плавучая перегородка может быть выполнена в виде поршня, изготовленного из проницаемого пористого материала, в виде слоя волокнистого материала, в виде плавучего твердотельного поршня с окнами, заполненными волокнистым материалом, или в виде слоя плавучих проницаемых гранул, обладающего капиллярным эффектом. Позволяет устранить пенообразование в камере сжатия, растворение компремируемого газа в рабочей жидкости. 2с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ квазиизотермического сжатия и перекачки газа жидкостным насосом возвратно-поступательного действия, включающий подачу газа в дополнительную камеру, сообщенную с рабочей камерой насоса, отличающийся тем, что сжатие и последующую перекачку газа осуществляют путем воздействия на него давления нагнетаемой насосом жидкости через плавучую проницаемую твердофазную среду, размещенную на границе раздела жидкой и газовой фаз и обладающую капиллярным эффектом и развитой поверхностью. 2. Устройство для осуществления способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа, включающее жидкостной насос возвратно-поступательного действия с поршневым элементом, размещенным в его рабочей камере, всасывающий коллектор для рабочей жидкости, дополнительную камеру, соединенную с рабочей камерой насоса и сообщенную через всасывающий газовый клапан с источником газа, а через нагнетательный газовый клапан - с трубопроводом подачи газа к потребителю, отличающийся тем, что между нагнетательным газовым клапаном и трубопроводом подачи газа к потребителю последовательно смонтированы соединенные между собой теплообменник и сепаратор капельной жидкости, выход которого сообщен со всасывающим коллектором насоса, а в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз размещена плавучая перегородка, изготовленная из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. 3. Устройство для осуществления способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа по п.2, отличающееся тем, что плавучая перегородка в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз выполнена в виде плавучего поршня, изготовленного из проницаемого пористого материала, обладающего высокой теплопроводностью и капиллярным эффектом. 4. Устройство для осуществления способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа по п.2, отличающееся тем, что плавучая перегородка в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз выполнена в виде слоя волокнистого материала, обладающего капиллярным эффектом. 5. Устройство для осуществления способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа по п.2, отличающееся тем, что плавучая перегородка в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз выполнена в виде плавучего твердотельного поршня, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, и оснащенного окнами, заполненными волокнистым материалом, обладающим капиллярным эффектом. 6. Устройство для осуществления способа квазиизотермического сжатия и перекачки газа по п.2, отличающееся тем, что плавучая перегородка в дополнительной камере на границе раздела жидкой и газовой фаз выполнена в виде слоя плавучих проницаемых гранул, обладающего капиллярным эффектом.