РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВОДОГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 2017 года по МПК F04F5/04 F04F5/48 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к установкам для эжекции газа в поток жидкости в системах поддержания пластового давления.

Высокие требования к рациональному использованию природных ресурсов, а также современные экологические нормы и стандарты требуют создания устройств для утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) без сжигания его на факельных установках. Одним из способов утилизации низконапорного ПНГ является закачка его в пласт через систему поддержания пластового давления путем смешивания с водой с помощью эжектирующих устройств.

Известны эжекторы, предназначенные для смешения двух разнофазных сред, в которых рабочая жидкость, обладающая высоким статическим давлением, проходя через сужающийся участок, теряет давление до значений давления эжектируемого газа, смешивается с ним и увлекается в коническую приемную камеру. Далее смешанный поток поступает в цилиндрическую камеру смешения, а затем в диффузор, в результате чего образуется равномерная смесь двух сред, первоначально находившихся в разных фазах (Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3-е изд. перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с. 36; Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 408 с.). Описанное устройство обладает высоким коэффициентом эжекции. Недостатком является высокий уровень гидравлических потерь напора (около 50%) при прохождении потоком цилиндрической камеры смешения.

Известно устройство для эжекции низконапорного газа в поток жидкости (патент РФ № 2508477, МПК F04F 5/04, опубл. 27.02.2014), выполненное в виде конфузорно-диффузорного перехода, имеющего профиль Вентури со щелью эжекции в области сужения, и содержащее конфузор, диффузор, входной патрубок для подачи газа, расположенный в области сужения и сообщающийся со щелью эжекции с созданием зоны смешения в потоке жидкости, а щель эжекции образована внешней конусной поверхностью сопла конфузора и внутренней криволинейной поверхностью входного отверстия диффузора. Данное устройство характеризуется невысокими гидравлическими потерями напора (не более 10-20%). Данное устройство принято за прототип.

Общим недостатком приведенных устройств является высокая чувствительность к изменениям входных параметров, таких как расход рабочей среды через эжектор и давление на его входе.

Задачей изобретения является разработка устройства для эжекции низконапорного ПНГ в водовод системы поддержания пластового давления с возможностью регулирования площади проходного сечения конфузора.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении стабильности работы эжектора в условиях изменяющихся технологических параметров его работы, таких как давление воды на входе в эжектор, расход воды через эжектор, давление в газовой линии, что позволяет обеспечить бесперебойную подачу смеси воды и ПНГ в систему поддержания пластового давления, повысить суммарный коэффициент эжекции, и как следствие снизить объемы ПНГ, сжигаемого на факельных установках.

Поставленная задача решается с помощью регулируемого водогазового эжектора в трубопроводе системы поддержания пластового давления, выполненного в виде конфузорно-диффузорного перехода, имеющего профиль Вентури со щелью эжекции в области сужения, содержащий входной конфузор, диффузор, патрубок для подачи газа, расположенный в области сужения и сообщающийся со щелью эжекции с созданием зоны смешения в потоке воды, причем минимальный диаметр входного отверстия диффузора составляет (1,05-1,15) от диаметра сопла конфузора.

В отличие от прототипа на входе конфузора установлена с возможностью перемещения вдоль его центральной оси регулировочная муфта с конусной иглой, расположенной вдоль этой оси и входящей конусной частью в конфузорно-диффузорный переход для изменения площади его проходного сечения при перемещении иглы.

Согласно изобретению регулировочная муфта включает цилиндрический корпус с закрепленными на нем снаружи четырьмя взаимно-перпендикулярными рычагами и расположенную внутри него втулку, на которой закреплены взаимно-перпендикулярные лопасти, в центре пересечения которых выполнено гнездо для установки конусной иглы, причем корпус имеет внутреннюю резьбу для крепления его на наружной резьбе конфузора, а на прилегающей к конфузору поверхности втулки выполнены канавки с расположенными в них уплотнительными кольцами.

Указанный технический результат достигается благодаря предложенной конструкции эжектора с конусной иглой, перемещение которой вдоль оси конфузора посредством регулировочной муфты позволяет изменять площадь проходного сечения конфузора в области самого узкого участка в случае изменения параметров работы эжектора, таких как давление воды на входе в эжектор, расход воды через эжектор, давление газа. Это позволяет добиться требуемого давления в зоне эжекции и обеспечить стабильную работу эжектора даже при значительных изменениях технологических параметров его работы без снижения коэффициента эжекции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства регулируемого водогазового эжектора; на фиг. 2 - место А фиг. 1 увеличенная зона эжекции; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 1.

Регулируемый водогазовый эжектор содержит входной конфузор 1, диффузор 2 с расположенной между ними щелью эжекции 3, патрубок 4 для подачи газа, сообщающийся со щелью эжекции 3 на входе конфузора 2, в месте соединения его с трубопроводом подачи воды установлена регулировочная муфта 5 с конусной иглой 6, которая может перемещаться вдоль центральной оси конфузора 2. Конусная игла 6 расположена вдоль этой оси и входит в конфузорно-диффузорный переход, изменяя при перемещении площадь его проходного сечения. Регулировочная муфта 5 включает корпус 7 с закрепленными на нем снаружи четырьмя взаимно-перпендикулярными рычагами 8. Внутри корпуса 7 расположена втулка 9, на которой закреплены четыре взаимно-перпендикулярные лопасти 10, в центре пересечения которых выполнено гнездо 11 для установки конусной иглы 6. Корпус 7 имеет внутреннюю резьбу для крепления его на наружной резьбе конфузора 1.

Устройство работает следующим образом. В конфузор 1, представляющий собой переход от большего сечения к меньшему через плавно сужающийся участок, подается поток воды. За счет постепенного сужения, на выходе конфузора происходит увеличение скорости потока воды с одновременным снижением статического давления потока ниже давления газа за счет перехода потенциальной энергии в кинетическую энергию потока в соответствии с законом Бернулли. Далее поток воды проходит через щель эжекции 3, в которую также поступает поток газа через патрубок 4. Контактируя в зоне эжекции, поток воды и поток газа смешиваются и поступают в диффузор 2, где происходит дальнейшее смешение потоков и восстановление статического давления за счет снижения скорости потока. Перемещение регулировочной муфты 5 вдоль оси конфузора позволяет перемещать конусную иглу 6, тем самым увеличивая или уменьшая площадь проходного сечения конфузора в самом узком месте, что дает возможность оперативно изменять конфигурацию проточной части эжектора в соответствии с изменяющимися технологическими параметрами его работы, что позволяет получить в зоне эжекции требуемое давление воды (ниже давления газа).

Диаметр D₁ конфузора рассчитывается по закону Бернулли, исходя из условия создания статического давления в зоне эжекции, ниже давления в газопроводе при условии истечения максимального расхода воды, максимального давления газа и минимального давления воды:

где D₄ - наибольший диаметр конфузора;

Р_{воды (min)} - минимальное давление воды на входе в эжектор;

Р_{газа (max)} - максимальное давление газа, поступающего через патрубок 4;

Q_{воды (max)} - максимальный расход воды через эжектор;

ρ_воды - плотность воды.

Диаметр D₂ определяется соотношением D₂=(1,05÷1,15)⋅D₁, т.е. минимальный диаметр входного отверстия диффузора D₂ превышает не более чем на 15% диаметр сопла D₁ конфузора. Диаметр D₃ иглы рассчитывается по закону Бернулли с учетом минимального расхода воды через эжектор, минимального давления газа и максимального давления воды на входе в эжектор:

где Р_{воды (max)} - максимальное давление воды на входе в эжектор;

Р_{газа (min)} - минимальное давление газа, поступающего через патрубок 4;

Q_{воды (min)} - минимальный расход воды через эжектор.

Требуемый диаметр иглы в месте входа в зону эжекции D₅ рассчитывается по закону Бернулли исходя из текущих давлений воды и газа, а также текущего расхода воды:

где Р_воды - текущее давление воды на входе в эжектор;

Р_газа - текущее давление газа, поступающего через патрубок 4;

Q_воды - текущий расход воды.

Примеры реализации изобретения.

Необходимо разработать регулируемый эжектор для закачки низконапорного попутного газа в трубопровод системы поддержания пластового давления. Известно, что плотность пластовой воды ρ_воды=1150 кг/м³, диапазон расхода воды Q_воды=10÷15 м³/час, диапазон давлений на входе в эжектор Р_воды=13÷15 МПа, диапазон изменения давления газа Р_газа=0,3÷0,5 МПа, диаметр конфузора 159 мм.

По формуле (1) рассчитывается диаметр конфузора: D₁=5,97 мм. Далее определяется минимальный диаметр входного отверстия диффузора D₂=(1,05÷1,15)⋅D₁=6,27÷6,86 мм. Затем по формуле (2) рассчитывается диаметр иглы с учетом минимального расхода воды через эжектор, максимального давления воды на входе в эжектор и минимального давления газа D₃=3,73 мм. Далее по формуле (2) рассчитывается требуемый диаметр конусной иглы в месте входа в зону эжекции - D₅ в зависимости от текущих технологических параметров работы установки. Например, при давлении газа 0,3 МПа, давлении воды на входе в эжектор 13,5 МПа, расход воды через эжектор 14 м³/час, требуемый диаметр иглы в месте входа в зону эжекции (самого узкого места конфузора) должен быть равен D₅=1,81 мм. Далее, в процессе работы регулируемого эжектора, диаметр иглы изменяется в большую или меньшую сторону в зависимости от характера изменения параметров работы.

Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает стабильную работу водогазового эжектора в условиях изменяющихся технологических параметров его работы, что позволяет бесперебойно подавать смесь воды и ПНГ в систему поддержания пластового давления, повысить коэффициент эжекции, и, как следствие, снизить объемы ПНГ, сжигаемого на факельных установках.

Эжектор предназначен для эжекции газа в поток жидкости в системах поддержания пластового давления. Эжектор содержит входной конфузор 1, диффузор 2 с расположенной между ними щелью эжекции 3, патрубок 4 для подачи газа, сообщающийся со щелью эжекции 3 на входе конфузора 2, в месте соединения его с трубопроводом подачи воды установлена регулировочная муфта 5 с конусной иглой 6, которая может перемещаться вдоль центральной оси конфузора 2. Конусная игла 6 расположена вдоль этой оси и входит в конфузорно-диффузорный переход, изменяя при перемещении площадь его проходного сечения. Регулировочная муфта 5 включает корпус 7 с закрепленными на нем снаружи четырьмя взаимно-перпендикулярными рычагами 8. Внутри корпуса 7 расположена втулка 9, на которой закреплены четыре взаимно-перпендикулярные лопасти 10, в центре пересечения которых выполнено гнездо 11 для установки конусной иглы 6. Корпус 7 имеет внутреннюю резьбу для крепления его на наружной резьбе конфузора 1. Технический результат заключается в обеспечении стабильности работы эжектора в условиях изменяющихся технологических параметров его работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Водогазовый эжектор в трубопроводе системы поддержания пластового давления, выполненный в виде конфузорно-диффузорного перехода, имеющего профиль Вентури со щелью эжекции в области сужения, содержащий входной конфузор, диффузор, патрубок для подачи газа, расположенный в области сужения и сообщающийся со щелью эжекции с созданием зоны смешения в потоке воды, причем минимальный диаметр входного отверстия диффузора составляет от 1,05 до 1,15 от диаметра сопла конфузора, отличающийся тем, что на входе конфузора установлена с возможностью перемещения вдоль его центральной оси регулировочная муфта с конусной иглой, расположенной вдоль этой оси и входящей конусной частью в конфузорно-диффузорный переход для изменения площади его проходного сечения при перемещении иглы.

2. Водогазовый эжектор по п. 1, в котором регулировочная муфта включает цилиндрический корпус с закрепленными на нем снаружи четырьмя взаимно-перпендикулярными рычагами и расположенную внутри него втулку, на которой закреплены взаимно-перпендикулярные лопасти, в центре пересечения которых выполнено гнездо для установки конусной иглы, причем корпус имеет внутреннюю резьбу для крепления его на наружной резьбе конфузора, а на прилегающей к конфузору поверхности втулки выполнены канавки с расположенными в них уплотнительными кольцами.