способ откачки газожидкостной смеси из скважины и погружная насосная установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ откачки газожидкостной смеси из скважины, включающий подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока, принудительное укрупнение пузырьков газа путем создания газовых суперкаверн кавернообразующим лопастным колесом, разделение смеси в поле центробежных сил вращающимся сепарационным барабаном с ребрами, отвод отсепарированного газа в затрубное пространство и нагнетание отсепарированной жидкости погружным насосом на поверхность, отличающийся тем, что газовые суперкаверны создают путем отрывного обтекания лопастей кавернообразующего колеса при углах атаки от 25 до 40°, формируя при этом дополнительные газовые суперкаверны за ребрами сепарационного барабана, причем формирование дополнительных газовых суперкаверн интенсифицируют за счет соответствующего расположения лопастей кавернообразующего колеса по отношению к ребрам сепарационного барабана, а именно за счет выполнения угла установки входной кромки лопастей кавернообразующего колеса в диапазоне от 26 до 60°, угла установки выходной кромки лопастей кавернообразующего колеса в диапазоне от 65 до 90° и радиального смещения выходных кромок лопастей кавернообразующего колеса относительно ребер сепарационного барабана на угол б, находящийся в диапазоне, град.:

где n - число ребер сепарационного барабана.

2. Погружная насосная установка, включающая погружной электродвигатель с гидрозащитой, погружной насос и газосепаратор, содержащий размещенные в корпусе последовательно по ходу потока шнек, кавернообразующее лопастное колесо, сепарационный барабан с ребрами, узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство и отсепарированной жидкости на прием погружного насоса, отличающаяся тем, что угол установки входной кромки лопастей кавернообразующего колеса составляет от 26 до 60°, угол установки выходной кромки лопастей кавернообразующего колеса составляет от 65 до 90°, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса радиально смещены относительно ребер сепарационного барабана на угол б, находящийся в диапазоне, град.:

где n - число ребер сепарационного барабана,

причем отношение площадей для прохода газа и жидкости в начальном сечении узла отвода составляет 0,6-0,9.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что сепарационный барабан имеет открытые радиальные ребра, при этом отношение длины сепарационного барабана к его диаметру находится в диапазоне 2,3-3,2.

4. Установка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что выход шнека напрямую связан с кавернообразующим лопастным колесом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при добыче нефти с попутным газом из скважин.

Известен способ разделения скважинной газожидкостной смеси, включающий подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока, разделение смеси в поле центробежных сил вращающимся сепарационным барабаном с ребрами и отвод отсепарированного газа в затрубное пространство, и газосепаратор для его осуществления, содержащий шнек, направляющие лопатки, сепарационный барабан с ребрами и узел отвода (патент США №5207810, В 01 D 45/00, 1993). Известные способ и устройство имеют низкую эффективность вследствие недостаточно полной сепарации мелкодисперсной скважинной газожидкостной смеси.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются способ откачки газожидкостной смеси из скважины, включающий подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока, принудительное укрупнение пузырьков свободного газа путем создания газовых суперкаверн кавернообразующим лопастным колесом, разделение смеси в поле центробежных сил вращающимся сепарационным барабаном с ребрами, отвод отсепарированного газа в затрубное пространство и отсепарированной жидкости на прием погружного насоса, и погружная насосная установка для его осуществления, включающая погружной электродвигатель с гидрозащитой, погружной насос и газосепаратор, содержащий размещенные в корпусе последовательно по ходу потока шнек, кавернообразующее лопастное колесо, сепарационный барабан с ребрами, узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство и отсепарированной жидкости на приеме погружного насоса (патент РФ №2027912, F 04 D 13/10, Е 21 В 43/38, 1991).

Известные способ и устройство имеют низкую эффективность и ограниченную область применения вследствие несогласованности работы кавернообразующего колеса и сепарационного барабана, что приводит к гашению каверн ребрами сепарационного барабана, а также вследствие нерационального распределения потоков в узле отвода.

Задачей изобретения является повышение эффективности и расширение области применения насосной откачки газожидкостной смеси из скважин путем интенсивного формирования газовых суперкаверн при отрывном обтекании лопастей кавернообразующего колеса с определенными углами атаки, создания дополнительных газовых суперкаверн за ребрами сепарационного барабана и оптимизации разделения потоков в узле отвода.

Повышение эффективности и расширение области применения в способе откачки газожидкостной смеси из скважины достигается тем, что в способе откачки газожидкостной смеси из скважины, включающем подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока, принудительное укрупнение пузырьков газа путем создания газовых суперкаверн кавернообразующим лопастным колесом, разделение смеси в поле центробежных сил вращающимся сепарационным барабаном с ребрами, отвод отсепарированного газа в затрубное пространство и нагнетание отсепарированной жидкости погружным насосом на поверхность, согласно изобретению суперкаверны создают путем отрывного обтекания лопастей кавернообразующего колеса при углах атаки от 25 до 40, формируя при этом дополнительные газовые суперкаверны за ребрами сепарационного барабана, причем формирование дополнительных газовых суперкаверн интенсифицируют за счет соответствующего расположения лопастей кавернообразующего колеса по отношению к ребрам сепарационного барабана, а именно за счет выполнения угла установки входной кромки лопастей кавернообразующего колеса в диапазоне от 26 до 60, угла установки выходной кромки лопастей кавернообразующего колеса в диапазоне от 65 до 90 и радиального смещения выходных кромок лопастей кавернообразующего колеса относительно ребер сепарационного барабана на угол , находящийся в диапазоне

где n - число ребер сепарационного барабана,

- угол смещения в градусах.

Повышение эффективности и расширение области применения в погружной насосной установке достигается тем, что в погружной насосной установке, включающей погружной электродвигатель с гидрозащитой, погружной насос и газосепаратор, содержащий размещенные в корпусе последовательно по ходу потока шнек, кавернообразующее лопастное колесо, сепарационный барабан с ребрами, узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство и отсепарированной жидкости на прием погружного насоса, угол установки входной кромки лопастей кавернообразующего колеса составляет от 26 до 60, угол установки выходной кромки лопастей кавернообразующего колеса составляет от 65 до 90, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса радиально смещены относительно ребер сепарационного барабана на угол , находящийся в диапазоне

где n - число ребер сепарационного барабана,

- угол смещения в градусах,

причем соотношение площадей для прохода газа и жидкости в начальном сечении узла отвода составляет 0,6-0,9. В варианте выполнения установки сепарационный барабан имеет открытые радиальные ребра, при этом отношение длины сепарационного барабана к его диаметру находится в диапазоне 2,3-3,2. В другом варианте выполнения установки выход шнека напрямую связан с кавернообразующим лопастным колесом.

Указанные выше отличительные признаки изобретения позволяют повысить степень отделения свободного газа от жидкости на приеме погружного насоса. Это дает возможность повысить эффективность откачки газожидкостной смеси из скважины за счет устранения вредного влияния свободного газа на работу погружного насоса. Кроме того, при этом существенно расширяется область применения способа откачки газожидкостной смеси и погружной насосной установки, т. к. появляется возможность успешно вести добычу нефти с повышенным содержанием свободного газа из скважин с осложненными условиями эксплуатации, где применение известных технических решений не позволяет добиться устойчивой, без срывов подачи, работы скважин.

На фиг.1 представлена схема погружной насосной установки в скважине, на фиг.2 - схема газосепаратора погружного насоса, на фиг.3 - вариант выполнения газосепаратора, на фиг.4 - кавернообразующее колесо, на фиг.5 - расположение выходных кромок лопастей кавернообразующего колеса по отношению к ребрам сепарационного барабана, на фиг.6 - начальное сечение узла отвода, на фиг.7 - схема образования суперкаверн за лопастями кавернообразующего колеса и дополнительных суперкаверн за ребрами сепарационного барабана, на фиг.8 и 9 - области эффективного применения прототипа и предлагаемого технического решения.

Погружная насосная установка (см. фиг.1) содержит размещенный в скважине 1, пробуренной на нефтяной пласт 2, погружной насос 3 с газосепаратором 4, которые приводятся в действие погружным электродвигателем 5 с гидрозащитой (позицией не обозначена). Энергия к электродвигателю 5 подводится по кабелю 6. Насос 3 спущен в скважину 1 на насосно-компрессорных трубах 7. Между эксплуатационной колонной скважины 1 и насосно-компрессорными трубами 7 образовано затрубное пространство 8.

Газосепаратор 4 (см. фиг.2) содержит корпус 9, в котором размещены шнек 10, осевой подшипник 11, кавернообразующее лопастное колесо 12, сепарационный барабан 13 с ребрами 14, узел отвода 15 отсепарированного газа в затрубное пространство 8 и отсепарированной жидкости на прием погружного насоса 3. Газосепаратор 4 содержит также вал 16 для привода в действие вращающихся элементов проточной части - шнека 10, кавернообразующего лопастного колеса 12 и сепарационного барабана 13. Нижняя часть узла отвода 15 снабжена рассекателем 17.

В варианте выполнения газосепаратора 4 (см. фиг.3) выход шнека 10 напрямую, без осевого подшипника 11, связан с кавернообразующим лопастным колесом 12.

Угол ₁ установки входной кромки 18 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 (см. фиг.4) составляет от 26 до 60. Угол ₂ установки выходной кромки 20 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 составляет от 65 до 90, при этом выходные кромки 20 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 радиально смещены (см. фиг.5) относительно ребер 14 сепарационного барабана 13 на угол в соответствии с выражением (1).

Соотношение площадей для прохода газа f₁ и для прохода жидкости f₂ (см. фиг.6) в начальном сечении узла отвода 15, где установлен рассекатель 17, составляет 0,6-0,9.

Угол атаки (см. фиг.7) между входными кромками 18 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 и направлением потока 21 составляет от 25 до 40. При этом в отрывной зоне обтекания лопастей 19 создаются газовые суперкаверны 22. Дополнительные газовые суперкаверны 23 формируются за ребрами 14 сепарационного барабана 13.

В одном из вариантов выполнения газосепаратора 4 сепарационный барабан 13 имеет открытые радиальные ребра 14, при этом отношение длины сепарационного барабана 13 к его диаметру находится в диапазоне 2,3-3,2.

Способ откачки газожидкостной смеси погружным насосом скважины согласно настоящему изобретению осуществляется следующим образом.

Продукция нефтяного пласта 2 поступает в скважину 1. По мере подъема продукции по стволу скважины 1 вверх давление в потоке падает, и при давлениях меньше давления насыщения происходит выделение из нефти пузырьков свободного газа. Газожидкостная смесь подводится в газосепаратор 4 погружного насоса 3.

Повышение напора газожидкостной смеси и закручивание потока в газосепараторе 4 производят шнеком 10. Принудительное укрупнение пузырьков свободного газа осуществляют путем создания газовых суперкаверн 22 кавернообразующим лопастным колесом 12. Газовые суперкаверны 22 создают путем отрывного обтекания лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 при углах атаки от 25 до 40, формируя при этом дополнительные газовые суперкаверны 23 за ребрами 14 сепарационного барабана 13 (см. фиг.7). Формирование дополнительных газовых суперкаверн 23 интенсифицируются соответствующим расположением лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 по отношению к ребрам 14 сепарационного барабана 13.

Создание газовых суперкаверн 22 путем отрывного обтекания лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 позволяет существенно увеличить размеры газовых суперкаверн 22. В совокупности с формированием дополнительных газовых суперкаверн 23 за ребрами 14 сепарационного барабана 13 это существенно облегчает процесс разделения газожидкостной смеси в поле центробежных сил вращающимся сепарационным барабаном 13 с ребрами 14.

Отсепарированный газ направляют по узлу отвода 15 в затрубное пространство 8 скважины 1, а отсепарированную жидкость нагнетают погружным насосом 3 на поверхность по насосно-компрессорным трубам 7.

Погружная насосная установка работает следующим образом.

Газожидкостная смесь из скважины 1, поступившая в газосепаратор 4, нагнетается шнеком 10 к кавернообразующему лопастному колесу 12. Благодаря тому, что угол установки входной кромки 18 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 составляет от 65 до 90, а выходные кромки 20 лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 радиально смещены относительно ребер сепарационного барабана 13 на угол , подчиняющийся соотношению (1), происходит отрывное обтекание лопастей 19 кавернообразующего колеса 12 с образованием крупных газовых суперкаверн 23 за ребрами 14 сепарационного барабан 13. При наличии прямой гидравлической связи между шнеком 10 и кавернообразующим колесом 12 процесс укрупнения газовых полостей усиливается.

Крупные газовые суперкаверны отделяются от жидкости в сепарационном барабане 13. Газ направляется под действием поля центробежных сил к центру, а жидкость - к периферии потока. При соотношении площадей для прохода газа и жидкости в начальном сечении узла отвода 15, которое составляет 0,6-0,9, происходит наиболее эффективное разделение потоков жидкости и газа, т.е. достигается оптимизация разделения потоков. Газ сбрасывается в затрубное пространство 8 скважины 1, а отсепарированная жидкость поступает на прием погружного насоса 3 и нагнетается им на поверхность.

В варианте выполнения устройства сепарационный барабан 13 имеет открытые сепарационные ребра 14, при этом отношение длины сепарационного барабана к его диаметру находится в диапазоне 2,3-3,2. Эти признаки дают возможность производить успешную сепарацию газа от жидкости при наличии твердых частиц в откачиваемой продукции, избежав при этом засорения сепарационного барабана 13 твердыми частицами.

На фиг.8 и 9 представлены области эффективного применения прототипа и предлагаемого технического решения, полученные экспериментально путем сравнительных стендовых исследований на мелкодисперсной смеси “вода - ПАВ - газ”. В качестве пенообразующего ПАВ использовали дисолван 4411, объемная концентрация которого в жидкости составляла 0,05%. Смесь готовили с помощью эжектора. Такая смесь обеспечивает моделирование самых жестких скважинных условий для сепараторов. По оси абсцисс на фиг.8 и 9 отложена подача жидкости G_ж, по оси ординат - максимально допустимое объемное содержание свободного газа в смеси _вх на входе в погружной насосный агрегат, при котором обеспечивается эффективная эксплуатация. На стенде исследовали прототип и предлагаемое изобретение, выполненные в габарите 4 при наружном диаметре погружного насоса и сепаратора 86 мм (фиг.8), а также в габарите 5 при наружном диаметре погружного насоса и сепаратора 92 мм (фиг.9). Экспериментальные исследования показали, что предложенное изобретение эффективнее прототипа и имеет более широкую область применения.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет заметно увеличить коэффициент сепарации свободного газа на приеме погружного насоса, что существенно повышает эффективность и расширяет область применения способа и устройства для откачки газожидкостной смеси из скважины по сравнению с известными изобретениями.