устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей

Формула изобретения

1. Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей, включающее гидравлический нагнетатель объемного типа возвратно-поступательного действия, например, состоящий из нескольких секций плунжерный насос со всасывающим гидравлическим клапаном в каждой секции, компрессионные камеры, сообщенные с соответствующими секциями нагнетателя, каждая из которых содержит всасывающий клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания, и нагнетательный клапан, размещенный над всасывающим клапаном и сообщенный с потребителем, насос для подачи питательной жидкости для создания в компрессионных камерах гидрозатвора и приводную часть с кривошипно-шатунным механизмом, отличающееся тем, что компрессионные камеры выполнены в виде отдельных модулей компримирования, соединенных трубопроводами с гидравлической частью нагнетателя.

2. Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей по п.1, отличающееся тем, что внешний диаметр компрессионной камеры определяется из соотношения

где d_с - толщина стенки камеры;

d_н - диаметр нагнетателя;

n - число оборотов вала нагнетателя, мин^-1;

r - полуход нагнетателя,

L - длина шатуна;

g - ускорение свободного падения.

3. Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей по п.1, отличающееся тем, что диаметр трубопровода, соединяющего каждую компрессионную камеру с гидравлической частью нагнетателя, удовлетворяет соотношению

где d_тр - диаметр трубопровода;

- угол между осью трубопровода и вертикалью.

4. Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей по п.1, отличающееся тем, что объем трубопровода, соединяющего каждую компрессионную камеру с гидравлической частью нагнетателя, удовлетворяет соотношению

V_тр< _нас·n·b_ж-V_оп.н. ,

где V_тр - объем трубопровода;

_нас - время насыщения жидкости газом при рабочих давлениях;

- объемная доля проточной жидкости;

Q_ж - расход жидкости;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области нагнетания газов и газовых смесей и, в частности, представляет собой устройство с гидравлическим нагнетателем объемного типа и с сообщенными с ним компрессионными камерами, которое может найти применение при выполнении ряда технологических операций в процессе добычи углеводородов: при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин, при осуществлении вторичных и третичных методов добычи нефти, в процессе увеличения продуктивности углеводородных скважин и в ряде других случаев в процессе строительства и эксплуатации скважин указанного назначения.

Известно устройство, состоящее из поршневого секционного насоса, имеющего в каждой секции рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой, всасывающим клапаном, дополнительной камерой со впускным клапаном для газа и нагнетательным клапаном. Устройство также содержит питательный насос для подачи через всасывающий клапан жидкости с избыточным давлением, равным давлению вводимой в дополнительную камеру газожидкостной смеси или газа во время выполнения поршневым насосом такта всасывания. При совершении насосом такта нагнетания газ или газожидкостная смесь вытесняется через нагнетательный клапан к потребителю (см. авт. св. СССР №714044, кл. F 04 B 23/10, 1980 г.).

За прототип заявляемого устройства может быть принято техническое решение по Свидетельству на полезную модель РФ №22204, кл. F 04 B 19/06; 23/10 от 10.03.2002 г.

В соответствии с этим техническим решением устройство для нагнетания газа или газожидкостной смеси включает гидравлический нагнетатель объемного типа возвратно-поступательного действия (многоплунжерный насос). Насос состоит из нескольких секций, каждая из которых имеет рабочий цилиндр, плунжер и всасывающий гидравлический клапан. Устройство включает также компрессионные камеры, сообщенные с соответствующими секциями нагнетателя. Каждая из камер содержит всасывающий клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания. Над всасывающим клапаном в компрессионной камере размещен нагнетательный клапан, сообщенный с потребителем. Устройство содержит также насос для подачи питательной жидкости от отдельного источника для создания в компрессионных камерах гидрозатвора. Этот насос входит в понятие "жидкостной коллектор" и обозначен поз. 12 фиг.1 указанного свид. на полезную модель №22204. Устройство также имеет приводную часть с кривошипно-шатунным механизмом.

В процессе работы при такте всасывания нагнетателя питательный насос подает в рабочую камеру нагнетателя жидкость под давлением, равным или несколько большим, чем давление подаваемого в компрессионную камеру газа или газожидкостной смеси, образуя таким образом в компрессионной камере гидрозатвор, препятствующий проникновению газа из компрессионной камеры в рабочую камеру нагнетателя, что неблагоприятно сказывается на работе последнего. Описанное техническое решение имеет ряд недостатков, на преодоление которых направлено заявляемое устройство.

К этим недостаткам относятся:

1. сложность изготовления и низкая ремонтопригодность устройства вследствие того, что компрессионные камеры непосредственно соединены с секциями гидравлического нагнетателя;

2. невозможность установки компрессионных камер без существенной переделки насосной установки, что снижает оперативность работы;

3. внешний диаметр компрессионных камер ограничен расстоянием между продольными осями секций нагнетателя, что ограничивает производительность устройства.

В связи с изложенным, основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое устройство, является устранение указанных выше недостатков и создание такого устройства для нагнетания газов и газожидкостных смесей, конструкция которого обеспечивала бы более простое его изготовление, более высокую ремонтопригодность, повышение оперативности работа и возможность увеличения производительности за счет вывода компрессионных камер за пределы конструкции нагнетателя.

Для решения поставленной технической задачи заявляемое устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей включает гидравлический нагнетатель объемного типа возвратно-поступательного действия, например состоящий из нескольких секций плунжерный насос со всасывающим гидравлическим клапаном в каждой секции, компрессионные камеры, сообщенные с соответствующими секциями нагнетателя, каждая из которых содержит всасывающий клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания и нагнетательный клапан, размещенный над всасывающим клапаном и сообщенный с потребителем, насос для подачи питательной жидкости для создания в компрессионных камерах гидрозатвора и приводную часть с кривошипно-шатунным механизмом. Компрессионные камеры выполнены в виде отдельного модуля компримирования, соединенного трубопроводами с гидравлической частью нагнетателя. При этом внешний диаметр компрессионной камеры определяется из соотношения

d_к.вн. - внешний диаметр камеры;

d_c - толщина стенки камеры;

d_н - диаметр нагнетателя;

n - число оборотов вала нагнетателя, мин^-1;

r - полуход нагнетателя;

L - длина шатуна;

g - ускорение свободного падения.

Кроме того, диаметр трубопровода, соединяющего каждую компрессионную камеру с гидравлической частью нагнетателя, удовлетворяет соотношению

d_тр - диаметр трубопровода;

- угол между осью трубопровода и вертикалью.

Объем трубопровода, соединяющего каждую компрессионную камеру с гидравлической частью нагнетателя, удовлетворяет соотношению

V_тр < _кас·n·b_ж-V_оп.н. , где

_кас - время насыщения жидкости газом при рабочих давлениях;

- объемная доля проточной жидкости,

Q_ж - расход жидкости;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Возможность осуществления заявляемого устройства доказывается использованием в отечественной и зарубежной практике оборудования для нагнетания газов и газожидкостных смесей с использованием поршневых насосов.

В частности, приводимые выше аналог и прототип реализованы в ряде отечественных установок.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого устройства, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники, в том числе при бурении, освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной задачи - создание такого устройства для нагнетания газов и газожидкостных смесей, конструкция которого обеспечивала бы простоту его изготовления, более высокую ремонтопригодность, повышение оперативности работы и возможность увеличения производительности.

В дальнейшем заявляемое устройство поясняется примером его выполнения, схематически изображенном на прилагаемом чертеже, на котором дана схема заявляемого устройства для нагнетания газов и газожидкостных смесей, вид сбоку, показывающий одну секцию гидравлического нагнетателя и соответствующую компрессионную камеру.

Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей включает гидравлический нагнетатель 1 объемного типа возвратно-поступательного действия. Это может быть состоящий из нескольких секций поршневой или плунжерный насос. В гидравлической части 2 каждой секции нагнетателя имеется всасывающий гидравлический клапан 3, сообщенный с насосом для подачи питательной жидкости 4 из резервуара 5. Кривошипно-шатунный механизм 6 служит для привода поршней или плунжеров 7 нагнетателя 1. Компрессионные камеры 8 объединены в модуль компримирования 9. Каждая компрессионная камера 8 включает всасывающий клапан 10 для сообщения ее с независимым источником газа или газожидкостной смеси (не показан) при такте всасывания и нагнетательный клапан 11, размещенный над всасывающим и сообщенный с потребителем (не показан).

Насос 4 служит для подачи питательной жидкости, создающий в компрессионной камере гидрозатвор 12, препятствующий проникновению газа в гидравлическую часть нагнетателя. Компрессионные камеры 8 модуля компримирования 9 сообщены с гидравлической частью нагнетателя трубопроводами 13.

Работа устройства для нагнетания газов и газожидкостных смесей осуществляется следующим образом.

Описание работы дается применительно к одной секции гидравлического нагнетателя 1. Посредством кривошипно-шатунного механизма 6 поршень (плунжер) 7 перемещается в гидравлической части 2 нагнетателя при ходе всасывания вправо. При этом питательный насос 4 из резервуара 5 подает питательную жидкость через всасывающий клапан 3 в гидравлическую часть 2 нагнетателя и через трубопровод 13 питательная жидкость попадает в нижнюю часть компрессионной камеры 8, образуя гидрозатвор 12, препятствующий проникновению газа, одновременно подаваемого через всасывающий клапан 10 в верхнюю часть компрессионной камеры 8. При ходе поршня (плунжера) 7 влево происходит перемещение жидкости гидрозатвора 12 в компрессионной камере 8 между уровнями нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ), сжатие газа в компрессионной камере до требуемого значения и вытеснение сжатого газа через нагнетательный клапан 11 к потребителю. Одновременно через этот клапан вытесняется часть жидкости гидрозатвора, которая при следующем ходе нагнетателя вправо восполняется питательным насосом (обычно до 5%).

Кроме указанных функций, жидкость гидрозатвора несет еще и функцию охлаждения газа. За счет текучести гидрозатвора полностью ликвидируется "вредный" конструктивный объем камеры сжатия.

Для работоспособности гидрозатвора необходимо, чтобы максимальное ускорение жидкости гидрозатвора не превышало ускорения свободного падения. В этом случае пузырьки компримируемого газа, проникающие в гидрозатвор, всплывают. В противном случае пузырьки затягиваются внутрь гидрозатвора отрицательной силой Архимеда.

Ускорение жидкости в гидрозатворе определяется формулой и в работающем гидрозатворе обязано соответствовать соотношению

где r - полуход нагнетателя,

- круговая частота,

n - число оборотов вала нагнетателя, мин^-1,

L - длина шатуна,

d_н - диаметр нагнетателя,

d_к.пр. - диаметр проточной части камеры,

g - ускорение свободного падения.

В случае традиционного монтажа камер диаметр проточной части камеры ограничен межплунжерным расстоянием и стенкой камеры, толщина которой возрастает при работе в области высоких давлений:

d_к.пр. =d_м.пл.-2·d_c;

где d_м.пл. - межплунжерное расстояние,

d_c - толщина стенки камеры.

Максимальные обороты вала привода нагнетателя в случае традиционного монтажа камер ограничены выражением

С помощью отводного трубопровода 13 и вывода модуля компримирования за пределы конструкции нагнетателя можно увеличить обороты вала нагнетателя. Диаметр камеры в этом случае определяется соотношением

где d_к.вн. - внешний диаметр камеры.

В подводящем трубопроводе осуществляется колебательное движение жидкости гидрозатвора. Для работоспособности устройства необходимо, чтобы в трубопроводе не возникали отрицательные ускорения.

В том случае, когда трубопровод отклонен от вертикали на угол , условие запишется следующим образом:

где d_тр - диаметр трубки,

- угол между осью трубки и вертикалью.

Наличие горизонтальных участков трубопровода допускается, но нежелательно.

В случае работы устройства с сепарацией проточной жидкости накладываются ограничения на объем трубопровода. Связано это с тем, что при высоких рабочих давлениях происходит активное растворение компримируемого газа в жидкости гидрозатвора и этот газ теряется при сепарации жидкости. Время замены рабочей жидкости (обычно 12-15 с) должно быть значительно меньше времени растворения газа в жидкости (обычно ˜1-2 мин).

Объем трубопровода должен удовлетворять соотношению

V_тр< _кас·n·b_ж-V_оп.н.

где V_тр - объем трубопровода;

_кас - время насыщения жидкости газом при рабочих давлениях;

- объемная доля проточной жидкости,

Q_ж - расход жидкости;

V_оп.н. - объем, описываемый нагнетателем.

Таким образом преимуществом заявляемого устройства является:

1) более простое изготовление устройства;

2) лучшая ремонтопригодность, т.к. отсутствует непосредственное соединение компрессионных камер с секциями нагнетателя;

3) лучшая оперативность работы при использовании устройства (компрессионные камеры могут быть установлены с большинством эксплуатируемых насосных установок, например из систем поддержания пластового давления, без существенной переделки установок);

4) возможность увеличения производительности устройства (т.к. диаметр компрессионных камер не ограничен толщиной их стенок и расстоянием между продольными осями секций нагнетателя).