СПОСОБ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F04B19/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам и устройствам для перекачивания сред, в частности газожидкостных сред, например в нефтедобывающей промышленности для перекачивания продукции скважин.

Предшествующий уровень техники

Известно, что при перекачивании газожидкостных сред (далее ГЖС), содержащих различные примеси и имеющих различное нестабильное соотношение газовой и жидкой фаз, значительной проблемой является обеспечение гарантированных объемов перекачиваемых порций газожидкостных смесей с заданной производительностью перекачивающих устройств.

При этом предпринимаются различные меры для стабилизации работы перекачивающих установок, в основном, связанные с усовершенствованием устройств подачи и силовым воздействием на перекачиваемую смесь для обеспечения заданной производительности установок.

Известна насосная установка для перекачивания газожидкостной смеси (RU 2002125398, А), включающая вертикально ориентированные полые цилиндры, всасывающие и нагнетательные клапаны для газожидкостной смеси, впускные и выпускные клапаны для рабочей жидкости, расположенные в корпусах клапанных узлов, центробежный насос с электроприводом, накопительную емкость, подводящие и отводящие трубопроводы, в которой каждый из цилиндров снабжен штоком с поплавком, расположенными соосно с этим цилиндром, концы штоков установлены в направляющих корпусах клапанных узлов с возможностью продольного перемещении, причем с верхней стороны штоки имеют ограничители, а с нижней выступают наружу, и каждый из них в нижней части полости цилиндра снабжен траверсой, концы которой шарнирно соединены с запорным органом впускных и выпускных клапанов для рабочей жидкости, выступающие наружу концы штоков соединены шарнирно между собой коромыслом, установленным шарнирно на неподвижной основе.

Однако описанное устройство является сложным и громоздким, требует наличия приводов впускных и выпускных клапанов, высоки требования к уплотняющим элементам. При этом устройство имеет высокую чувствительность к наличию в перекачиваемой смеси абразивных загрязнений. Используемый при этом способ кинематической связи и возможность использования только парных групп рабочих цилиндров затрудняет решение задачи масштабирования устройства при изменении параметров ГЖС.

Известна насосная установка (RU 2154199, А), содержащая, по меньшей мере, два полых вертикально ориентированных рабочих цилиндра с рабочей жидкостью, циркуляционный насос динамического типа с нагнетательным и приемным патрубками, подключенными к нижней части рабочих цилиндров и нагнетательному патрубку циркуляционного насоса подающими клапанами. Перекачиваемая ГЖС смесь поступает в рабочие цилиндры и отводится по трубопроводам, имеющим обратные клапаны. Установка снабжена программируемым процессором, используемым для управления подающими клапанами.

Однако при этом наличие прямого контакта ГЖС с рабочей жидкостью приводит к постепенному ее загрязнению и ухудшению условий работы циркуляционного насоса и подающих клапанов. Затруднена перекачка газожидкостных смесей, имеющих высокое процентное содержание жидкой фазы. Неконтролируемое увеличение объема рабочей жидкости может приводить к забросам в клапанный механизм или требует изменения режима работы, связанного с уменьшением объема перекачиваемой среды, что приводит к снижению производительности установки, а также к усложнению системы управления.

Раскрытие изобретения

Целью создания настоящего изобретения является расширение возможностей перекачивающего оборудования за счет обеспечения перекачивания газожидкостной смеси, имеющей требуемое содержание жидкой и газообразной фракций, что приводит к улучшению условий масштабирования и регулирования производительности оборудования.

При создании настоящего изобретения была поставлена задача разработки способа перекачивания газожидкостной смеси, позволяющего производить разделение газожидкостной смеси на части, имеющие различную удельную плотность, и выводить из перекачиваемой порции смеси ее часть, имеющую удельную плотность выше требуемой.

Поставленная задача была решена разработкой способа перекачивания газожидкостной смеси, включающего:

- подачу перекачиваемой порции газожидкостной смеси в верхнюю часть вертикально расположенной емкости, имеющей постоянное поперечное сечение по высоте и содержащей рабочую жидкость;

- разделение порции газожидкостной смеси на две части, из которых первая верхняя часть имеет требуемую удельную плотность, а вторая нижняя часть имеет удельную плотность выше требуемой удельной плотности, и осаждение второй части смеси в рабочую жидкость;

- вытеснение рабочей жидкости вместе с находящейся в ней второй частью газожидкостной смеси из емкости в нижней ее части под давлением порции газожидкостной смеси;

- очистку рабочей жидкости;

- сжатие части газожидкостной смеси, имеющей требуемую удельную плотность, в емкости под давлением рабочей жидкости, возвращаемой в емкость в нижней ее части;

- отвод сжатой порции газожидкостной смеси из емкости.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы разделение порции газожидкостной смеси на указанные части и осаждение второй части смеси в рабочую жидкость было обеспечено перемещением второй части смеси в нижнюю часть рабочей камеры ниже границы раздела смеси, имеющей требуемую плотность, и рабочей жидкости.

При этом согласно изобретению разумно, чтобы вторую часть порции газожидкостной смеси перемещали под размещенный автономно на поверхности рабочей жидкости с возможностью свободного перемещения внутри емкости разделитель сред поплавкового типа, имеющий удельную плотность, равную требуемой удельной плотности перекачиваемой смеси.

Кроме того, согласно изобретению целесообразно, чтобы скорость перемещения второй части газожидкостной смеси под разделитель сред была регулируемой.

При этом согласно изобретению желательно, чтобы площадь поперечного сечения разделителя сред составляла от 0,7 до 0,9 площади поперечного сечения емкости.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы возможно было осуществлять управление выбором удельной плотности порции перекачиваемой газожидкостной смеси путем регулирования удельной плотности разделителя сред.

Поставленная задача была также решена созданием устройства для перекачивания газожидкостной смеси, содержащего сообщенную с магистралью газожидкостной смеси рабочую камеру, имеющую вертикально расположенную емкость одинакового поперечного сечения, приспособленную для подачи в нее порции перекачиваемой газожидкостной смеси и отвода из нее порции сжатой смеси в ее верхней части и для отвода из нее и подачи в нее рабочей жидкости в ее нижней части, сообщенное с указанной емкостью устройство для размещения и очистки в нем используемой рабочей жидкости, при этом в емкости размещен автономно с возможностью свободного перемещения вверх-вниз внутри емкости разделитель сред поплавкового типа, имеющий удельную плотность, равную требуемой удельной плотности перекачиваемой смеси.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы площадь поперечного сечения разделителя сред составляла 0,7-0,99 площади поперечного сечения емкости рабочей камеры.

Кроме того, согласно изобретению желательно, чтобы разделитель сред был выполнен с возможностью регулирования площади его поперечного сечения и устройство для перекачивания газожидкостной смеси содержало устройство автоматического регулирования его поперечного сечения.

Кроме того, согласно изобретению разумно, чтобы разделитель сред был выполнен с возможностью регулирования его удельной плотности и устройство для перекачивания газожидкостной смеси содержало устройство регулирования удельной плотности разделителя сред.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение в дальнейшем поясняется описанием варианта осуществления способа перекачивания газожидкостной среды согласно изобретению с помощью устройства для перекачивания газожидкостной среды согласно изобретению и прилагаемыми чертежами, на которых представлены:

Фиг.1 - схема устройства для перекачивания газожидкостной среды согласно изобретению,

Фиг.2 - вариант выполнения разделителя сред с регулированием площади его поперечного сечения, сечение В-В по продольной оси,

Фиг.3 - вариант выполнения разделителя сред, показанного на Фиг.2, вид сверху по А,

Фиг.4 - вариант выполнения разделителя сред, показанного на Фиг.2, сечение В-В по продольной оси, в крупном масштабе,

Фиг.5 - вариант выполнения разделителя сред с регулируемой удельной плотностью, сечение В-В по продольной оси в крупном масштабе.

При этом осуществление способа не ограничено описанным вариантом его осуществления и не препятствует модернизации и совершенствованию способа и устройства согласно изобретению в объеме признаков формулы изобретения.

Лучший способ осуществления изобретения

Способ перекачивания газожидкостных сред согласно изобретению может быть осуществлен в устройстве для перекачивания газожидкостной среды согласно изобретению, один из вариантов которого показан на Фиг.1.

Рабочая камера 1 содержит вертикально расположенную емкость, имеющую одинаковую площадь поперечного сечения, например емкость 2 в виде цилиндра, снабженного в верхней части 3 устройством подачи в емкость 2 газожидкостной смеси из подводящей магистрали 4, например, выполненным в виде управляемого впускного клапана 5, и устройством отвода газожидкостной смеси из емкости 2 в отводящую магистраль 6, например, выполненным в виде управляемого выпускного клапана 7.

В нижней части 8 емкость 2 снабжена устройством отвода рабочей жидкости из емкости 2, выполненным, например, в виде управляемого отводного клапана 9, в устройство для размещения и очистки отработавшей рабочей жидкости, выполненное, например, в виде сепаратора 10 объемного типа, сообщенного с отводным клапаном 9 приемным патрубком 11, и устройством подачи рабочей жидкости в емкость 2, выполненным, например, в виде управляемого подводящего клапана 12, сообщенного с сепаратором 10 через циркуляционный насос 13 и патрубок 14.

При этом сепаратор 10 должен иметь объем, достаточный для размещения рабочей жидкости, имеющей нарастающий объем из-за поглощаемой жидкой фазы ГЖС, имеющей удельную плотность более требуемой плотности перекачиваемой ГЖС.

В нижней части 8 емкости 2 размещен датчик 15 определения нижнего уровня рабочей жидкости, в верхней части 3 емкости 2 размещен датчик 16 определения верхнего уровня рабочей жидкости.

В емкости 2 автономно, с возможностью свободного перемещения в емкости по вертикали на границе раздела сред, имеющих различную плотность, размещен разделитель 17 сред, выполненный, например, в виде поплавка, имеющего удельную плотность, равную требуемой плотности перекачиваемой газожидкостной смеси.

При этом разделитель 17 сред может быть выполнен с возможностью регулирования его удельной плотности и его площади поперечного сечения.

Вариант обеспечения регулирования площади поперечного сечения разделителя 17 сред показан на Фиг.2, 3, 4, вариант обеспечения регулирования удельной плотности разделителя 17 сред показан на Фиг.5.

Например, разделитель 17 сред (Фиг.2, 3, 4) может иметь поплавок в виде мембраны 18, в верхней части которой размещен исполнительный механизм 19, который обеспечивает продольное перемещение толкателя 20, который, в свою очередь, через тяги 21 связан с подвижными секторами 22, положение которых относительно мембраны 18 формирует величину 8 зазора со стенкой рабочей камеры 1.

Разделитель 17 сред (Фиг.5) может иметь исполнительный механизм 23, перемещающий поршень 24, от положения которого зависит объем рабочей жидкости, находящейся в полости 25, и общий вес мембраны 18.

При этом устройство для перекачивания сред согласно изобретению снабжено устройством 19 автоматического регулирования площади поперечного сечения разделителя 17 сред и устройством 23 автоматического регулирования удельной плотности разделителя 17 сред, выполненными, например, в виде управляемого с помощью компьютера программируемого алгоритма установления заданного соответствия площади поперечного сечения и удельной плотности разделителя 17 сред значению требуемой удельной плотности газожидкостной смеси.

При этом для специалиста в области нефтегазовой добычи очевидно, что регулирование параметров разделителя сред может быть осуществлено в разумных пределах.

Как показали исследования, соотношение площадей поперечного сечения разделителя 17 сред и емкости 2 согласно изобретению может предпочтительно составлять от 0,7 до 0,99 при отклонении реальной удельной плотности перекачиваемой смеси от требуемой удельной плотности.

При этом устройство снабжено программируемым автоматизированным устройством управления процессами перекачивания ГЖС.

Устройство для перекачивания газожидкостной смеси работает следующим образом.

Перекачиваемая ГЖС через впускной клапан 5 поступает из подводящей магистрали 4 в верхнюю часть 3 емкости 2 рабочей камеры 1, содержащей рабочую жидкость, на границе верхнего уровня которой свободно плавает разделитель 17 сред.

При поступлении в емкость 2 ГЖС, имеющей высокое содержание жидкой фракции и/или механических включений и примесей и соответственно удельную плотность выше требуемой удельной плотности ГЖС, ГЖС в емкости 2 будет распределяться следующим образом: одна, верхняя, часть ГЖС, имеющая значения удельной плотности не более требуемой удельной плотности, будет располагаться над разделителем 17 сред, а вторая, нижняя часть ГЖС, имеющая удельную плотность выше удельной плотности разделителя 17 сред, будет перетекать по имеющимся зазорам под разделитель 17 сред и осаждаться ниже уровня рабочей жидкости на глубину в соответствии с превышением удельной плотности второй части ГЖС над удельной плотностью рабочей жидкости. Разделитель 17 сред сохраняет при этом свое положение на границе раздела сред и действует как поршень, с верхней стороны которого нагнетается ГЖС под давлением P₁. Под действием давления P₁ подаваемой ГЖС разделитель 17 сред опускается вниз, сохраняя свою позицию на границе раздела сред, при этом непрерывно происходит плавное перетекание более тяжелых фракций ГЖС в нижнюю часть емкости 2 с осаждением в рабочую жидкость и вытеснение рабочей жидкости из емкости 2 через отводной клапан 9, находящийся в положении «открыто», и через приемный патрубок 11 в сепаратор 10. Вытеснение рабочей жидкости завершается, когда датчик 15 нижнего уровня рабочей камеры зафиксирует достижение разделителем 17 сред заданного нижнего уровня рабочей жидкости. Отводной клапан 8 автоматически переводится в положение «закрыто». Таким образом, в емкости 2 размещена порция перекачиваемой ГЖС, имеющая требуемую удельную плотность.

Рабочую жидкость в сепараторе 10 фильтруют от механических примесей и очищают от включений воды и газа.

Затем автоматически включается циркуляционный насос 13, рабочую жидкость через патрубок 14 и подводящий клапан 12 в положении «открыто» подают в емкость 2 в нижней части 8 под разделитель 17 сред. Разделитель 17 сред, действуя как поршень, под давлением Р₂ рабочей жидкости поднимается вверх, сохраняя свое положение на границе раздела сред. При этом происходит плавное сжатие ГЖС, заполняющей камеру, до заданного давления компремирования. Затем открывается выпускной клапан 7 и ГЖС под давлением Р₂ вытесняется из емкости 2 в отводящую магистраль 6.

После сигнала датчика 16 о достижении разделителем 17 сред верхнего уровня рабочей жидкости закрывается подводящий клапан 12, подача рабочей жидкости прекращается, открывается отводной клапан 9, и цикл перекачивания порции ГЖС повторяется.

Значение требуемой плотности ГЖС может быть отрегулировано путем изменения удельной плотности разделителя 17 сред. Это может быть осуществлено автоматически, например, подачей сигнала от системы управления на исполнительный механизм 23 (Фиг.5).

При заполнении ГЖС емкости 2 может быть отрегулирована скорость перемещения тяжелых фракций под разделитель сред путем регулирования площади поперечного сечения разделителя 17 сред, например, регулированием зазора между внутренней стенкой емкости и периферийной областью мембраны 18 с помощью подвижных секторов 22 (Фиг.2, 3, 4).

Способ перекачивания ГЖС согласно изобретению позволяет расширить возможности перекачивающего оборудования за счет его использования для одновременного разделения ГЖС на жидкую и газообразную фракции и улучшения условий его масштабирования и регулирования производительности.

Специалистам в области нефтедобычи и газодобычи должно быть понятно, что в способ перекачивания ГЖС согласно изобретению и в устройство для перекачивания ГЖС согласно изобретению могут быть внесены усовершенствования и улучшения, не выходящие за рамки формулы изобретения.

Например, форма рабочей камеры может быть выбрана из наилучших условий обеспечения работы разделителя сред, может быть использовано другое конструктивное решение регулирования зазора и удельной плотности разделителя сред, процесс управления исполнительными механизмами может быть автоматизирован, например, с помощью программируемой циклограммы, и др.

Способ и устройство для перекачивания газожидкостных смесей согласно изобретению может быть успешно использовано для газожидкостных смесей, имеющих значительный разброс удельных плотностей.

Промышленная применимость

Способ перекачивания газожидкостной смеси согласно изобретению может быть осуществлен с помощью устройства для перекачивания газожидкостной смеси согласно изобретению, выполненного из известных широко применяемых материалов с помощью известных технологий.

Изобретение предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для перекачивания продукции скважин. Способ перекачивания газожидкостной смеси включает подачу перекачиваемой порции газожидкостной смеси в верхнюю часть вертикально расположенной емкости, имеющей постоянное поперечное сечение по высоте и содержащей рабочую жидкость. Разделение порции газожидкостной смеси на две части, из которых первая верхняя часть имеет требуемую удельную плотность, а вторая нижняя часть имеет удельную плотность выше требуемой удельной плотности. Осаждение второй части смеси в рабочую жидкость. Вытеснение рабочей жидкости вместе с находящейся в ней второй частью газожидкостной смеси из емкости в нижней ее части под давлением порции газожидкостной смеси. Очистку рабочей жидкости. Сжатие порции газожидкостной смеси в емкости под давлением рабочей жидкости, возвращаемой в емкость в нижней ее части. Отвод сжатой порции газожидкостной смеси из емкости. Устройство для перекачивания газожидкостной смеси содержит рабочую камеру с вертикально расположенной емкостью одинакового поперечного сечения с рабочей жидкостью, в которой размещен с возможностью свободного перемещения вверх-вниз внутри емкости разделитель сред поплавкового типа, имеющий удельную плотность, равную требуемой удельной плотности перекачиваемой смеси. Улучшаются условия масштабирования и регулирования производительности оборудования. 2 н. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ перекачивания газожидкостной смеси, включающий:
подачу перекачиваемой порции газожидкостной смеси в верхнюю часть вертикально расположенной емкости, имеющей постоянное поперечное сечение по высоте и содержащей рабочую жидкость;
разделение порции газожидкостной смеси на две части, из которых первая верхняя часть имеет требуемую удельную плотность, а вторая нижняя часть имеет удельную плотность выше требуемой удельной плотности, и осаждение второй части смеси в рабочую жидкость;
вытеснение рабочей жидкости вместе с находящейся в ней второй частью газожидкостной смеси из емкости в нижней ее части под давлением порции газожидкостной смеси;
очистку рабочей жидкости;
сжатие порции газожидкостной смеси в емкости под давлением рабочей жидкости, возвращаемой в емкость в нижней ее части;
отвод сжатой порции газожидкостной смеси из емкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение порции газожидкостной смеси на указанные части и осаждение второй части смеси в рабочую жидкость обеспечивают перемещением второй части смеси в нижнюю часть рабочей камеры ниже границы раздела смеси, имеющей требуемую плотность, и рабочей жидкости.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вторую часть порции газожидкостной смеси перемещают под размещенный автономно на поверхности рабочей жидкости с возможностью свободного перемещения вверх-вниз внутри емкости разделитель сред поплавкового типа, имеющий удельную плотность, равную требуемой удельной плотности перекачиваемой смеси.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что регулируют скорость перемещения второй части газожидкостной смеси под разделитель сред путем изменения соотношения площадей поперечного сечения разделителя сред и емкости.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения разделителя сред составляет от 0,7 до 0,99 площади поперечного сечения емкости.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что осуществляют регулирование удельной плотности порции перекачиваемой газожидкостной смеси путем регулирования удельной плотности разделителя сред.

7. Устройство для перекачивания газожидкостной смеси, содержащее сообщенную с магистралью газожидкостной смеси рабочую камеру, имеющую вертикально расположенную емкость одинакового поперечного сечения с рабочей жидкостью, приспособленную для подачи в нее порции перекачиваемой газожидкостной смеси и отвода из нее порции сжатой смеси в ее верхней части и для отвода из нее и подачи в нее рабочей жидкости в ее нижней части, сообщенное с указанной емкостью устройство для размещения и очистки отводимой рабочей жидкости, и при этом в емкости размещен с возможностью свободного перемещения внутри емкости разделитель сред поплавкового типа, имеющий удельную плотность, равную требуемой удельной плотности перекачиваемой смеси.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что разделитель сред выполнен с возможностью регулирования его удельной плотности.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что разделитель сред выполнен с возможностью регулирования площади его поперечного сечения.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения разделителя сред составляет 0,7-0,99 площади поперечного сечения емкости рабочей камеры.