СЕПАРАТОР ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ В СКВАЖИНАХ Российский патент 2006 года по МПК E21B43/38 

Область техники

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предотвращения засорения и заклинивания исполнительных механизмов (валов) электроцентробежных насосов (УЭЦН) в скважинах после проведения гидроразрыва пласта и пескующих скважин при эксплуатации УЭЦН.

Уровень техники

Проведенный поиск прототипов в существующем уровне техники по созданию центробежных сепараторов мехпримесей УЭЦН положительных результатов не дал. На основании чего можно считать, что представленная работа обладает изобретательским уровнем.

1. Известен патент СССР №1825544 с приорететом от 1988 года, автором которого является профессор Российского Государственного Университета Нефти и Газа им.Губкина (РГУНиГ им.Губкина) Дроздов А.Н. Данным патентом охраняются права интеллектуальной собственности на разработку погружной насосно-эжекторной системы (НЭС), получившей условное название «ТАНДЕМ», включающей в себя струйный аппарат в компоновке с установкой электроцентробежного насоса (УЭЦН) и газосепаратором. Данная разработка предназначена для увеличения кпд насосной установки, эффективного использования отсепарированного в затрубное пространство газа и жидкостно-газовых эмульсий, успешной адаптации в нестационарных условиях разработки месторождений электроцентробежными насосами УЭЦН, значительного расширения их диапазона эксплуатации.

В представленной мною разработке погружной насосно-эжекторной системе разработки РГУНиГ им.Губкина отведена роль насоса, помогающего извлекать вредные для работы УЭЦН среды (отсепарированный газ и мехпримеси) с приема УЭЦН.

2. Известен применяемый по нефтегазодобывающим предприятиям сепаратор (отделитель мехпримесей), использующий гравитационный метод отделения мехпримесей в предназначенный для этого контейнер. Но такой метод совершенно не эффективен, так как, если мехпримеси были подняты из зоны перфорации скоростью восходящего потока флюидов в эксплуатационной колонне с внутренним диаметром, к примеру, 131 мм, то осадконакоплением в меньшем диаметре корпуса контейнера выделить мехпримеси в осадок просто не представляется сколь-нибудь эффективным по причине большой скорости потока жидкости в контейнере.

3. Известен патент Российской Федерации №2156283 С2, Е 21 В 43/08 с приоритетом от 14.07.2000 года, автором которого является профессор РГУ Нефти и Газа им.Губкина Дроздов А.Н. В данной разработке отделение мехпримесей на приеме УЭЦН осуществляется магнитными полями (используются магнитные свойства частиц мехпримесей) из проходящих через магнитные поля флюидов. При этом накопление мехпримесей осуществляется на поверхностях магнитов. Возможность самоочистки магнитов отсутствует. Через определенный период работы эксплуатация такого устройства станет безэффективной ввиду перекрытия отверстий отложениями мехпримесей.

В представленной мною разработке устройства таких недостатков нет. Выделенные центробежной силой мехпримеси отводятся в отдельный поток (по предназначенному для этого каналу) и в обход УЭЦН подаются в НЭС, а затем в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ).

Прототипом по способу отделения мехпримесей из перекачиваемой жидкости можно принять устройства, использующие разные плотности веществ, составляющих смесь жидкости для их разделения в центробежных ускорителях. Такие устройства (циклотроны) применяются на буровых установках и в других отраслях народного хозяйства с целью выделения из жидкости веществ с различными плотностями, отличными от плотности основной жидкости (например, мехпримеси или вода из различных масел).

Прототипом по конструктивным особенностям исполнения представленного центробежного сепаратора можно принять газосепараторы УЭЦН различных разработок, фирм и производителей (АЛНАС, ЛЕМАЗ, БОРЕЦ, НОВОМЕТ, Centrilift, ODI, REDA). Отличительной особенностью является то, что у всех этих устройств после прохождения шнека, кавернообразующего колеса и сепарационных барабанов флюиды подаются на узел разделения сред, состоящий из 2 камер. При этом жидкость центробежной силой, создаваемой сепарационными барабанами, выбрасывается к стенке корпуса (защитной гильзе) и попадает во внешнюю камеру узла разделения сред, откуда в диспергаторы или напрямую на прием УЭЦН, а газ, поднимаясь вдоль ведущего вала, попадает во внутреннюю камеру разделения сред и отводится за пределы корпуса сепаратора (в затрубное пространство). Наибольшей схожестью обладает газосепаратор МН ГДН фирмы ЗАО «НОВОМЕТ - ПЕРМЬ» с установленным диспергатором.

В представленной мною разработке устройство предназначено для эксплуатации с электропогружными насосами УЭЦН в скважинах после проведения гидроразрыва пласта и пескующих скважин. И предназначено для предотвращения засорения, преждевременных износов, разрушений и заклинивания валов электроцентробежных насосов при их непосредственной эксплуатации, а также сепарации и отвода газа с приема УЭЦН. При этом раскрученные в сепарационных барабанах флюиды попадают в 3-х камерных узел разделения сред: газ, жидкость и мехпримеси + жидкость. Затем потоки из средней и внутренней камер (жидкость и газ) меняют свои каналы течения с тем, чтобы после этого уже протекающие по двум соседним каналам (среднему и внешнему) вредные для работы УЭЦН среды (газ и мехпримеси+жидкость) смешать между собой и пустить для перекачивания в обход УЭЦН (по обводной трубке) через НЭС в НКТ для подъема на поверхность в выкидной коллектор. Тем самым все вредные для работы УЭЦН среды не допускаются на прием насоса и достигается продолжительная, устойчивая работа УЭЦН без мехпримесей, износов и отказов. Этим представленное устройство кардинально отличается от всех известных для эксплуатации в комплекте УЭЦН газосепараторов и сепаратора мехпримеси на магнитных свойствах веществ конструкции патента Российской Федерации №2156283, С2 Е 21 В 43/08 с приорететом от 14.07.2000 года, РГУНиГ им.Губкина. Используемая при этом погружная насосно-эжекторная система РГУ Нефти и Газа им.Губкина каким-либо изменениям или дополнениям не подвергается, с той лишь особенностью, что устанавливается она непосредственно в ловильную головку УЭЦН, и приемная камера НЭС трубкой соединяется с узлом отвода газа и мехпримесей+жидкость центробежного сепаратора мехпримесей.

Сущность изобретения

Устройство предназначено для защиты от засорения, преждевременных износов, разрушений и заклинивания рабочих органов электроцентробежных насосов УЭЦН при их непосредственной эксплуатации.

Засорение УЭЦН (7 Фиг.№1) происходит содержащимися в жидкости частицами (проппант, песок-абразив, уголь, ил). Устройство обеспечивает повышение надежности и устойчивости работы УЭЦН. Для чего центробежный сепаратор устанавливается на приеме УЭЦН (вместо газосепаратора или приемного модуля) (1 Фиг.№1). Отделение мехпримесей от флюидов осуществляется центробежной силой, создаваемой вращением сепарационных барабанов (12 Фиг.№2), установленных и вращаемых ведущим валом (13 Фиг.№2) при числе оборотов 2910 об/мин вращаемым погружным электродвигателем (2 Фиг.№1). Жидкость поступает в сепаратор через фильтрующую сетку (9 Фиг.№2) и попадает на штек (10 Фиг.№2), где объем жидкости, содержащей свободный газ, уменьшается, и создается подпор (подъемная сила) для ее подачи на кавернообразующее колесо (11 Фиг.№2). Затем флюиды попадают в сепарационные барабаны (12 Фиг.№2), где происходит разделение веществ в зависимости от их плотности (центробежной силой). С целью предотвращения истирания корпуса сепаратора (20 Фиг.№2) мехпримесями применяются защитные гильзы (14 Фиг.№2). Раскрученные в сепарационных барабанах флюиды попадают в 3-х камерный узел разделения сред (15 Фиг.№2): газ, жидкость и мехпримеси + жидкость. Затем потоки из средней и внутренней камер (жидкость и газ) меняют свои каналы течения в ступени каналов (16 Фиг.№2) с тем, чтобы после этого уже протекающие по двум соседним каналам вредные для работы УЭЦН среды (газ и мехпримеси+жидкость) стало возможным смешать между собой в диспергаторе №1 (17 Фиг.№2) и пустить для перекачивания в обход УЭЦН через узел отвода газа и мехпримеси (18 Фиг.№2), герметизирующийся резиновым уплотнением по обводной трубке (5 Фиг.№1) в НЭС и насосно-компрессорные трубы (8 Фиг.№1) для подъема на поверхность в нефтесборный коллектор. При этом НЭС, установленная непосредственно над УЭЦН, будет достаточно заглублена под динамический уровень жидкости для открытия клапана (3 Фиг.№1) в приемной камере и соответственно постоянной работы НЭС для беспрерывного потока газа и мехпримесей по обводной трубке (5 Фиг.№1). Тем самым все вредные для работы УЭЦН среды не допускаются на прием насоса и достигается продолжительная, устойчивая работа УЭЦН без засорения и отказов.

Краткое описание чертежей

На фигуре №1 представлен эскиз комплектации УЭЦН центробежным сепаратором мехпримеси, обводной трубкой и НЭС.

На фигуре №2 представлен в разрезе чертеж центробежного сепаратора мехпримеси для УЭЦН.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Описание устройства в статическом состоянии.

Погружной электродвигатель выключен, вращение ведущего вала (13 Фиг.№2) центробежного сепаратора (1 Фиг.№1) отсутствует. Сепаратор не работает.

Описание устройства в динамическом состоянии.

При включении УЭЦН погружной электродвигатель набирает обороты, и вместе с ним соединенный шлицевой муфтой набирает обороты и ведущий вал (13 Фиг.№2) центробежного сепаратора (1 Фиг.№1).

Отделение мехпримесей от флюидов осуществляется центробежной силой, создаваемой вращением сепарационных барабанов (12 Фиг.№2), установленных и вращаемых ведущим валом (13 Фиг.№2) при числе оборотов 2910 об/мин, вращаемым погружным электродвигателем (2 Фиг.№1). Жидкость поступает в сепаратор через фильтрующую сетку (9 Фиг.№2) и попадает на штек (10 Фиг.№2), где объем жидкости, содержащей свободный газ, уменьшается, и создается подпор (подъемная сила) для ее подачи на кавернообразующее колесо (11 Фиг.№2). Затем флюиды попадают в сепарационные барабаны (12 Фиг.№2), где происходит разделение веществ в зависимости от их плотности (центробежной силой). С целью предотвращения истирания корпуса сепаратора (20 Фиг.№2) мехпримесями применяются защитные гильзы (14 Фиг.№2). Раскрученные в сепарационных барабанах флюиды попадают в 3-х камерный узел разделения сред (15 Фиг.№2): газ, жидкость и мехпримеси + жидкость. Затем потоки из средней и внутренней камер (жидкость и газ) меняют свои каналы течения в ступени каналов (16 Фиг.№2) с тем, чтобы после этого уже протекающие по двум соседним каналам вредные для работы УЭЦН среды (газ и мехпримеси+жидкость) стало возможным смешать между собой в диспергаторе №1 (17 Фиг.№2) и пустить для перекачивания в обход УЭЦН через узел отвода газа и мехпримеси (18 Фиг.№2), герметизирующийся резиновым уплотнением (по обводной трубке (5 Фиг.№1) в НЭС и насосно-компрессорные трубы (8 Фиг.№1) для подъема на поверхность в нефтесборный коллектор. При этом НЭС, установленная непосредственно над УЭЦН, будет достаточно заглублена под динамический уровень жидкости для открытия клапана (3 Фиг.№1) в приемной камере и соответственно постоянной работы НЭС для беспрерывного потока газа и мехпримесей по обводной трубке (5 Фиг.№1). Оставшееся количество свободного газа в очищенной жидкости, поступающей в УЭЦН для предотвращения образования газового замка (заполнение полостей рабочих колес и аппаратов насоса газом с неминуемым срывом подачи), смешивается диспергатором №2 (19 Фиг.№2) и подается в УЭЦН. Тем самым все вредные для работы УЭЦН среды не допускаются на прием насоса и достигается продолжительная, устойчивая работа УЭЦН без засорения и отказов.

Работоспособность описанной выше схемы построена на том факте, что на выкиде УЭЦН давление при различных режимах работы превышает давление на приеме УЭЦН и варьируется в пределах 150-200 атм, что дает значительный перепад давлений и обеспечивает хорошую работу НЭС (4 Фиг.№1), которая всасывает жидкость из обводной трубки (5 Фиг.№1), создавая при этом высокую скорость потока в обводной трубке (5 Фиг.№1) для перекачивания выделенных в центробежном сепараторе вредных для УЭЦН сред: газ+мехпримеси+жидкость. Смешивание двух сред : газ и мехпримеси+жидкость осуществляется в диспергаторе №1 (17 Фиг.№2), вращающемся на ведущем валу (13 Фиг.№2) по законам аэродинамики крыла (использована теория подъемной силы крыла Жуковского), в основном только одно свойство - создание низкого давления (при определенных условиях) в определенной точке поверхности крыла с целью беспрепятственного выхода газа из внутренней полости крыла во внешнюю, с одновременным смешиванием газа с жидкостью, обтекающей крыло. В последующем созданная смесь газ+мехпримеси+жидкость всасывается и подается НЭС в обводную трубку (5 Фиг.№1), откуда по лифтовой НКТ (8 Фиг.№1) выводится на поверхность в выкидной коллектор. Оставшееся количество свободного газа в очищенной жидкости, поступающей в УЭЦН, для предотвращения образования газового замка (заполнение полостей рабочих колес и аппаратов насоса газом с неминуемым срывом подачи) смешивается диспергатором №2 (19 Фиг.№2) и подается в УЭЦН. Тем самым все вредные для работы УЭЦН среды не допускаются на прием насоса и достигается продолжительная, устойчивая работа УЭЦН без отказов.

При нестационарных режимах разработки месторождений, когда подвержены изменению параметры притока из пласта (в особенности при его уменьшении), давление на приеме УЭЦН снижается и разделение сред в 3-х камерном узле (15 Фиг.№2) разделения сред центробежного сепаратора будет определяться по общему объемному расходу сепаратора (1 Фиг.№1). То есть при снижении производительности УЭЦН будет снижаться производительность работы НЭС (4 Фиг.№1) и равновесие разделения объемов сред для заполнения камер (15 Фиг.№2) средами - жидкость и мехпримеси+жидкость будет восстановлено (снижение расходных объемов по обводной трубке (5 Фиг.№1) приведет к полноценному наполнению средней камеры, служащей для отвода жидкости из узла разделения сред (15 Фиг.№2) в УЭЦН, и обеспечению стабильной работы насоса без отключения по защите электродвигателя (2 Фиг.№1). При этом центробежный сепаратор (1 Фиг.№1) также успешно будет отделять мехпримеси и прокачивать их вакуумом, создаваемым НЭС (4 Фиг.№1) в НКТ (8 Фиг.№1).

В случае же очень сильного снижения давления на приеме ЭЦН производительность установки значительно снизится и клапан приемной камеры (3 Фиг.№1) перекроет прием НЭС (4 Фиг.№1), течение по обводной трубке (5 Фиг.№1) прекратится. При этом режим работы центробежного сепаратора можно расценивать как работу обычного диспергатора УЭЦН. Свободно содержащийся в жидкости газ, поступающей в УЭЦН, для предотвращения образования газового замка (заполнение полостей рабочих колес и аппаратов насоса газом с неминуемым срывом подачи) смешивается диспергатором №2 (19 Фиг.№2) и подается в УЭЦН. При этом засорение внешней камеры в узле разделения сред (15 Фиг.№2) мехпримесями не произойдет, так как жидкость будет постоянно циркулировать по внешнему и внутреннему проточным каналам узла разделения сред (15 Фиг.№2) и соответствующим каналам ступени изменения каналов (16 Фиг.№2) за счет энергии, создаваемой лопастями диспергирующего колеса диспергатора №1 (17 Фиг.№2). Необходимо отметить, что при столь значительном снижении притока из пласта произойдет не только снижение производительности УЭЦН (штуцированного рабочим соплом (6 Фиг.№1) НЭС (4 Фиг.№1)), но и снижение скорости восходящего потока флюидов из зоны перфорации скважины к приему сепаратора мехпримеси, что не будет создавать достаточной скорости жидкости для подъема частиц мехпримесей к насосной установке УЭЦН и ее засорению. В промысловой практике давно замечено и рекомендуется программами по проведению гидроразрыва пласта (ГРП) об освоении скважин после ГРП малопроизводительными установками УЭЦН (марки УЭЦНА-50 или УЭЦНА-80) для предотвращения создания резкой воронки депрессии на продуктивный пласт, создающей условия для активного выноса частиц мехпримесей (проппанта и песка) и создания лучших условий для скрепления проппанта пропнетом. Таким образом, при малой производительности установки мехпримеси не способны причинить сколь-нибудь серьезный ущерб УЭЦН.

При включении УЭЦН устройство начинает работать сразу после открытия клапана (3 Фиг.№1) приемной камеры НЭС (4 Фиг.№1) и появления относительного вакуума в обводной трубке (5 Фиг.№1).

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предотвращения засорения и заклинивания исполнительных механизмов (валов) электроцентробежных насосов в скважинах после проведения гидроразрыва пласта и пескующих скважин при эксплуатации насосов. Обеспечивает защиту устройства от засорения, преждевременных износов, разрушений и заклинивания рабочих органов электроцентробежных насосов при их непосредственной эксплуатации. Сущность изобретения: устройство включает корпус, фильтрующую сетку для поступления через нее флюида. На валу погружного двигателя установлены сепарационные барабаны для разделения флюида по плотности, трехкамерный узел для разделения флюида на газ, жидкость и мехпримеси с жидкостью, ступень изменения течения жидкости и газа. Имеется первый диспергатор для смешивания газа и мехпримесей с жидкостью, узел отвода газа с мехпримесями. Этот узел имеет обводную трубку в обход приема центробежного насоса к его выкиду. Имеется второй диспергатор для смешивания очищенной жидкости с оставшимся свободным газом и подачи смеси на прием центробежного насоса. Для создания вакуума в обводной трубке служит насосно-эжекторная система. Она обеспечивает течение газа с мехпримесями и соединения этого потока на выкиде центробежного насоса с потоком от центробежного насоса в колонне насосно-компрессорных труб. 2 ил.

Сепаратор для погружных центробежных насосов в скважинах, включающий корпус, фильтрующую сетку для поступления через нее флюида, установленные на валу погружного двигателя сепарационные барабаны для разделения флюида по плотности, трехкамерный узел для разделения флюида на газ, жидкость и мехпримеси с жидкостью, ступень изменения течения жидкости и газа, первый диспергатор для смешивания газа и мехпримесей с жидкостью, узел отвода газа с мехпримесями, имеющий обводную трубку в обход приема центробежного насоса к его выкиду, второй диспергатор для смешивания очищенной жидкости с оставшимся свободным газом и подачи смеси на прием центробежного насоса, насосно-эжекторную систему для создания вакуума в обводной трубке, обеспечения течения в ней газа с мехпримесями и соединения этого потока на выкиде центробежного насоса с потоком от центробежного насоса в колонне насосно-компрессорных труб.