Устройство для подъема жидкости из скважин Советский патент 1992 года по МПК F04F1/18 F04F1/20 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к технике механизированного способа добычи нефти.

Известно устройство для подъема нефти из скважин, включающее размещенную в обсадной колонне труб колонну лифтовых труб со сквозными каналами для прохода газа в трубное пространство и установленный в кольцевом пространстве скважины выше продуктивного пласта пакер.

Недостатком данного устройства является невозможность получения желаемой структуры восходящего потока газожидкостной смеси (ГЖС), в частности эмульсионной, при которой затраты энергии на подъем минимальны по сравнению с пробковой или стержневой структурами.

Известно также устройство, спускаемое на конце труб в скважину, содержащее корпус с центральным каналом, ступенчатую втулку с возможностью вращения и с радиальным каналом, который при совпадении с боковым каналом корпуса сообщает трубное и затрубное пространство.

Недостатком данного устройства является то, что с его помощью невозможно получить желаемую структуру ГЖС, в частности эмульсионную, так как оно предназначено для возбуждения импульсов давлений в за- трубном пространстве с целью предотвращения прихвата бурового долота в процессе бурения.

Причиной нестабильности потока ГЖС является то, что при импульсной подаче газа в моменты совпадения отверстий во втулке и корпусе устройства образуются газовые вктючения в лифтируемой жидкости размером 2-3 см и более, которые при восходящем движении, по мере снижения давления увеличиваются и сливаются друг с другом в более крупные и через 50-70 м от точки ввода газа при газосодержании в пределах 0,4-1,0 переходят в пробковую или стержне

оо

Ј о ел

вую структуру в зависимости от числа Фру- да смеси.

Кроме того, импульсная подача газа в указанных размерах, в подъемные трубы является причиной возникновения автоколе- бательных волновых процессов с интерференцией полей давлений, что резко снижает КПД и пропускную способность подъемника.

Наиболее техническим реше- нием (прототипом) является устройство, включающее пульпопровод;1, камеру, установленную концёнтрично относительно пульпопроводам подключенную к источнику сжатого воздуха, и запорный элемент с щелевыми отверстиями, установленный в камере. При этом камера выполнена с пазом, запорный элемент снабжен фиксатором, а участок пульпопровбда расположен в камере и имеет щелевые отверстия.

Недостатком данного устройства является то, что с его помощью не получается стабильная и гомогенная структура потока по всей длине подъемных труб. Причиной нестабильности потока является то, что при дроблении газа образуются пузырьки газа, которые при восходящем движении по мере снижения давления увеличиваются в диаметре, сливаются друг с другом в более крупные и через 200-300 м, от точки ввода газа при газосодержании 0,4-1,0, переходят в пробковую или стержневую структуру в зависимости от числа Фруда. Кроме того, упомянутое устройство создает дополнительные сопротивления потоку ГЖС, имеет низкий коэффициент полезного действия. Целью изобретения является повышение КПД устройства, увеличение пропускной способности подъемника и уменьшение удельного расхода газа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем колонну труб с соосно установленным на ней цилиндрическим корпусом, снабженным сквозными каналами, имеющими возмож- ность сообщаться между собой; диаметры каналов выполнены в пределах 0,05-0,1; расстояние между каналами по высоте корпуса и участка колонны подъемных труб, а также по их примеру, определяется в соот- ветствии с выражением

l (1,5-2)d, где I - расстояние между каналами;

d - диаметр канала;

-г - отношение диаметра подъемных

труб к диаметру каналов в соответствии с соотношением:

D 38 75

d 0,1 0,05

0 5 0

5 0 5 0

5 0

5

где D - диаметр подъемной трубы;

d - диаметр канала;

38 - минимальный диаметр используемых подъемных труб;

0,1 - максимальный диаметр канала;

75 - максимальный диаметр используемых подъемных труб;

0,05 - минимальный диаметр канала;

п - количество каналов, установлено в соответствии с выражением;

п я- От

П«v ,

4wdz

п - количество каналов;

w - скорость прохождения газа через канал, м/с;

d - диаметр канала, м;

Qr - расход сжатого газа, м3/с;

я-3,14,

- каналы для прохода газа в цилиндрическом корпусе и подъемных трубах выполнены под углом друг к другу в пределах 45-65°.

Скважинное устройство для подъема жидкости, содержащее колонну подъемных труб и установленный на ней цилиндрический корпус, снабженные сквозными каналами, имеющими возможность сообщаться между собой, известно-см. например, прототип.

Существенными отличиями заявленного технического решения являются следующие: подбор диаметров каналов в подъемной трубе и корпусе размером в пределах 0,1-0,05 мм позволяет осуществить аэрацию жидкости в трубах дискретными микроскопическими пузырьками, на которые помимо гидростатических сил давления действуют также лапласовы ,силы сжатия.

В результате этого обеспечиваются условия для получения тонкодисперсной гомогенизированной эмульсионной структуры течения ГЖС на большие расстояния от точки ввода газа из-за отсутствия скольжения фаз и коалесценции пузырьков газа. При этом достигается повышение КПД подъемника и уменьшение удельного расхода сжатого газа на подъем единицы объема жидкости. Предельные значения диаметров отверстий и соответствующих им диаметров пузырьков обосновываются нижеследующим. При введении газа в нижнюю часть подъемника через предложенное устройство диаметры пузырьков после достихсения устья скважины должны оставаться такими, чтобы сохранился наиболее выгодный эмульсионный режим течения. Одним из условий его сохранения устья подъемника является

dn dn,

гд е dn-диаметр пузырька;

dn - диаметр лифтовых труб.

Принимая, что рост пузырька газа в подъемнике по мере его перемещения к ус- тью подчиняется закону Бойля-Мариотта, связь между отношением давлений у башмака и устья - Рб/Ру и отношением радиуса пузырька у устья и башмака Ry/Re может быть представлена в следующем виде:

ГЖС имеет место начиная со значения величины Р 14-Ю3 дн, т.е. при диаметрах пузырька 0,2 мм и менее. Подтверждением отмеченного является зависимость величины затраченной работы на коалесуенцию пузырьков от их радиуса, определяемая по формуле

V -а R

1

1 +

2а R

Г Р

Использование: в гидромашиностроении и горной промышленности для подъема жидкости из скважин. Сущность изобретения: устройство содержит подъемную трубу 1 со сквозными каналами 2 в зоне башмака и цилиндрический корпус 3 с каналами 4, охватывающий трубу 1, подключенный к источнику сжатого газа и установленный с возможностью вращения. Причем каналы 2 и 4 в горизонтальной плоскости расположены друг к другу под углом 45-65°. 3 з.п.ф-лы, 4 ил., 5 табл.

Из табл.1 видна соответствующая зависимость.

Из данных табл.1 следует, что пузырек газа не претерпевает существенных изменений в линейных размерах , если он достаточно мал, т.е. находится в пределах до 1 мм.

Так, например, если Рб/Ру 10, что характерно для компрессорных скважин месторождения Сангачалы-море+Дуванный-морео. Булла (Ре 71 ат, Ру 7 ат), то пузырек в процессе движения от башмака до устья увеличивается- всего лишь в 2,2 раза, т.е. если он имел первоначальный радиус 1 мм, то у устья он будет иметь радиус 2,2 мм.

Однако, учитывая стесненность движения пузырьков в подъемнике, последние будут коалесцировать (сливаться) друг с другом в более крупные, затрачивая на дан- ный процесс определенную энергию, подаваемую в подъемник со сжатым газом. Для максимального затруднения этого процесса необходимо в подъемнике создать тонко- дисперсную квазигомогенную структуру, состоящую из пузырьков достаточно малых размеров, при которой каждый пузырек газа помимо гидростатического давления будет подвергаться дополнительному сжатию за счет действия сил Лапласа.

В этом случае испытываемое пузырьком общее давление составит:

Робщ Р+ АР,

где Р - гидростатическое давление столба ГЖС в скважине;

2 (7

Д р - давление, испытываемое

пузырьком за счет сил Лапласа, где а- поверхностное натяжение:

R - радиус пузырька.

Величина А Р для сфер ряда значений радиусов пузырьков приводится в табл.2.

Из табл.2 видно, что изменение размера пузырька приводит к значительному увеличению лапласовой силы давления.

Исследованиями установлено, что наиболее устойчивое тонкодисперсное течение

5

0

5

0

5

0

5

0

где V - суммарный объем пузырьков.

Из этой формулы видно, что с уменьшением радиуса пузырька затраты энергии существенно увеличиваются, что затрудняет процесс коалесценции.

Предположим, что коалесцируют пузырьки с суммарным объемом 1 м при давлении 1, 10, 100 ат. При этом, как видно из табл.3, динамика значений величины затрачиваемой работы на коалесценцию существенно растет.

Таким образом, из приведенного анализа видно, что условием реализации наиболее эффективной и устойчивой структуры течения является .создание тонкодисперсной, квазигомогенной структуре потока в газлифтном подъемнике с помощью пузырьков газа, имеющих возможно минимальный диаметр, который с учетом технических возможностей принимается в пределах 0,1- 0,05 мм.

Существенным отличием заявленного технического решения является также то что на колонне подъемных труб и цилиндрическом корпусе выполнены имеющие возможность сообщения между собой сквозные наклонные каналы для прохода газа, расстояние между которыми по длине корпуса и колонны лифтовых труб и по их периметру определяется соотношением:

l (1,5-2)d, где I - расстояние между каналами;

d - диаметр канала,

а количество каналов подобно в соответствии с выражением

л-Ог

4 w d

2

где п - количество каналов для прохода газа;

Qr - расход сжатого газа, м3/с;

d - диаметр канала, м;

w - скорость истечения газа через канал ж 3,14.

Приведенные соотношения между длиной и диаметром каналов -т 1,5-2,0 и количество каналов по длине корпуса и колонны лифтовых труб и их периметров обосновывается нижеследующим.

Расстояния между каналами для прохода газа по длине корпуса и колонны лифтовых труб и по их периметрам определяется из соотношения I (1,5-2)d. Данное соотношение принято на основании стендовых экспериментальных испытаний, в результате которых было установлено, что оно является наиболее оптимальным, при котором еще не происходит интерференции полей давления, и при котором скорость истечения газа через канал определяется из ниже- приведенной экспериментальной зависимости w f(P2/Pi), где PI и Ра - давления на входе и выходе из канала соответственно (фиг.2).

Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований, выполненных на головных газосепарационных установках Нефтяных Камней (табл.4 и фиг.1).

Пропускание газа осуществлялось через микроскопические отверстия диаметром 0,1 мм на полированной /2 н.к. трубе длиной 1 м, заглушенной с одного конца согласно приведенной схеме на фиг.1.

Измерения расхода газа осуществлялись с помощью расходомера Турбоквант. Делением расхода газа на площадь сечения отверстия и их число определяли скорость истечения газа через одно отверстие. Эксперименты проводились при различных соотношениях давлений (Pa/Pi) на входе и выходе из отверстия (см. табл.4).

Приводятся результаты экспериментрв, использованные при проектировании трех установок и примененные на скважинах 641, 59,1986 (табл.4, фиг.1).

По данным таблицы и графику можно рассчитать необходимое количество микроскопических отверстий диаметром 0,1 мм, судить о давлении сжатого газа, необходимом для прокачки его через микроскопические отверстия при обеспечении расхода газа, необходимого для подъема заданного количества газированной нефти/

Существенным отличием также является интервал соотношения диаметров используемых н.к. труб и каналов для прохода газа , т.к. минимальный диаметр используемых н.к. труб равен 38 мм, а наибольший диаметр канала - 0,1 мм, то минимальное отношение будет равным 380. При максимальном диаметре н.к.т. у башмака - 75 мм и наименьшим диаметре канала 0,05 мм,

отношение -г будет максимальным и равным 1500. Следовательно, интервал отношения диаметров н.к.т. и каналов для

прохода газа выбирается в соответствии с соотношением:

D

-,:..:Г.

d

380-1500.

Существенным отличием также является диапазон варьирования угла наклона каналов друг к другу, при котором

обеспечивается наибольший крутящий момент, создаваемый при вращении корпуса при заданном отношении давлений на входе и выходе из каналов (P2/Pi). На основании стендовых испытаний установлено, что

оптимальным углом р наклона каналов в цилиндрическом корпусе и подъемных трубах друг к другу является угол в интервале 45-65° (фиг.4).

На фиг.1 приводится схема стендовой

установки по определению зависимости скорости истечения w газа через цилиндрические каналы в зависимости от соотношения давлений на входе и выходе из него; на фиг.2 - график зависимости скорости истечения газа через цилиндрические каналы в зависимости от соотношения давления на входе и выходе из него; на фиг.З - общий вид устройства для газлифтного подъема нефти в продольном разрезе; на фиг.4 - разрез

А-А на фиг.З.

Устройство состоит из отрезка полированной трубы 1 (фиг.З, 4)с микроскопическими каналами 2, корпуса 3 с каналами 4, подшипников качания 5, сальниковых уплотнителей 6. Кольцевое пространство между обсадными лифтовыми трубами изолируют от призабойной зоны пакерами 7. Каналы 2 и 4 в трубе 1 и корпусе 3 соответственно выполнены под углом 45° друг к

другу.

Работа устройства осуществляется следующим образом, по кольцевому пространству 8 к корпусу 3 подается с поверхности сжатый газ, который через каналы 4 в нем

поступает в микроскопические каналы в теле трубы 1. За счет того, что отверстия 2 и 4 расположены под углом друг к другу, под давлением сжатого газа возникает крутящий момент, приводящий во вращательное

движение корпус 3. Частота вращения корпуса пропорциональна расходу сжатого газа и устанавливается в зависимости от технологического режима работы скважин. При вра цёйии корпуса каналы, сообщающие затрубное пространство с трубным, разобщаются и вновь сообщаются с большой скоростью, в результате чего сжатый газ попадает в трубное пространство дискретно (порционно), что ведет к образованию

мельчайших пузырьков газа, увлекающих за

собой нефть. Структура ГЖС, полученная в результате применения заявляемого устройства, позволяет лифтировать нефть с высоким КПД практически без непроизводительных газопотерь в оптимальном, эмульсионном режиме. Кроме этого, значительно уменьшится пульсация жидкости, вследствие чего сократится частота пробко- образования.

Пример. Соотношение давлений в затрубном Pi 23 ат и трубном Ра 18 ат пространствами составляет (см. табл.4, эксперимент № 1).

По экспериментальному графику w

f(P2/Pi) (фиг.2) определяет, что значению

Р9

-р 0,78 соотаетствует скорость истечения

газа. Расход газа через одно отверстие в сутки составит;

Qr-F -W 0,78 260м/с -86400 0,175219м3/сут,

где F - - 0,78 108 м2 - площадь сечения микроскопического канала диаметром d 0,1 мм; 86400 -.число секунд в сутках.

Для эксплуатации газлифтной скважины дебитом 5 т/сут нефти и глубиной 1000 м, что характерно для месторождения Нефтяные Камни,суточная потребность в сжатом газе составляет в среднем 1250 м3/сут. Для пропуска такого количества газа через предложенное устройство потребуется нижеследующие число отверстий диаметром d 0,1 мм.

Пга12БОмусут 714 0,175 м 3/сут

где 0,175 м3/сут- пропускная способность одного отверстия.

Для размещения такого количества отверстий диаметром 0,1 мм с расстояниями между ними i 2d потребовался отрезок н.к. трубы длиной 0,5 м и диаметром 2 1/2.

Реализация предложенного технического решения практически осуществлена в

0

5

0

5

0

5

трех вышеупомянутых газлифтных скважинах, по которым получены нижеследующие результаты, приводимые в табл.5.

Как видно из этой таблицы,после применения устройства производительность скважин увеличилась в среднем на 17%, расход газа сократился на 15-20%.

Формула изобретения

D 38 d 0,1

75 0,05

где D - диаметр подъемной трубы,

38 и 75 - минимальный и максимальный диаметры подъемной трубы, 0,05 - 0,1 - минимальный и максимальный диаметры канала,

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

у it ft $

i S S и .v$. . $

5

5:

Co

II

54

f

Ч.

§

I

и fti

ч.

I

fu

/

N

M

i &1

-XV t

Ю

4

CO

«-

Јk at

(SI

I

I

s s

Фигз