ПОГРУЖНАЯ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
SUBMERSIBLE PUMP EJECTOR UNIT FOR OIL PRODUCTION

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным насосным установкам, содержащим устройства для отделения твердых частиц от пластовой жидкости, которые защищают погружные нефтяные насосы от абразивного износа.
В качестве устройств для отделения твердых частиц известны различные конструкции сепараторов, которые отделяют от потока жидкости частицы и отводят их в отстойник или сбрасывают в скважину [патент РФ №2526068, кл. Е21В 43/38, 20.08.2014]. Чаще всего такие сепараторы эффективно удаляют из потока частицы конкретного размера, указанного производителем. Результатом эксплуатации таких устройств является неполная защита насосного оборудования от абразивного воздействия частиц других размеров (низкая надежность системы в целом), а также либо засорение скважины, либо переполнение отстойника отделенными частицами, что ограничивает время использования установки и вызывает необходимость подъема ее из скважины с последующим проведением дорогостоящих очистных и спускоподъемных операций.
В технике для улучшения качества очистки обычно используют несколько стадий сепарации с удалением из потока вредных примесей на каждой из стадий. Примером устройства, в котором реализован принцип последовательной очистки, может служить погружной многоступенчатый сепаратор вода-нефть [заявка WO 2014/152585 A1, B01D 17/038, Е21В 43/38, опубл. 14.03.2014]. Сепаратор представляет собой каскад последовательных гидравлически связанных ступеней центробежных или гидроциклонных сепараторов, каждая из ступеней состоит из параллельно включенных сепараторов с выходами для нефти, объединенными в общую для всех сепараторов выкидную линию, и с выходами для воды, соединенными с входами соответствующей последующей ступени сепараторов. Кроме того, в каскаде имеется, по крайней мере, одно устройство для регулирования давления перед объединением обезвоженных потоков нефти с выхода каждого из сепараторов в одну линию.
К недостаткам описанного устройства можно отнести риск закупорки зоны нагнетания водяного пласта частицами механических примесей, отделенных от нефти вместе с водой, а также отсутствие защиты оборудования от механических примесей.
Для того чтобы максимально увеличить время эксплуатации погружной установки и не засорять скважину, используют компоновки оборудования, позволяющие на первом этапе отделить примеси от основного потока жидкости и пустить их в обход добывающего насоса и затем на следующем этапе на входе в НКТ вновь объединить чистый и грязный потоки и поднять всю продукцию скважины на поверхность.
Примером такой компоновки является погружная насосная установка для добычи нефти, содержащая насос с погружным электродвигателем, центробежный сепаратор твердых частиц и отстойник, в которой центробежный сепаратор твердых частиц расположен ниже погружного электродвигателя с возможностью передачи крутящего момента с вала погружного электродвигателя на вал центробежного сепаратора твердых частиц. Погружной электродвигатель имеет кожух, гидравлически связанный в верхней части с приемом насоса, а в нижней части - с выходом очищенной жидкости из центробежного сепаратора твердых частиц [патент РФ №2278959, кл. Е21В 43/00, 43/38, 27.06.2006].
Недостатком данной установки является низкая эффективность из-за недостаточной защиты добывающего насоса от абразивного износа, так как значительная часть твердых частиц вымывается из сепаратора и уносится потоком в насос.
Наиболее близкой к заявляемой является погружная насосно-эжекторная установка, включающая последовательно расположенные погружной электродвигатель, центробежный сепаратор механических примесей с напорной ступенью, центробежный насос и струйный насос, к приемной камере которого подведена соединительная трубка для откачки отделенных частиц из сепаратора. Очищенная в сепараторе жидкость подается на вход центробежного насоса, а затем в качестве активного потока на сопло струйного насоса, где смешивается в камере смешения с отделенными частицами, поступившими туда через соединительную трубку. Далее полученная смесь поднимается по НКТ на поверхность [патент на ПМ №138787 РФ, кл. E04D 13/08, 20.03.2014].
Недостатком описанной установки является низкая степень очистки пластовой жидкости в центробежном сепараторе и, как следствие, неэффективная защита добывающего насоса от абразивного износа, низкая надежность установки в целом.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности эксплуатации насосно-эжекторной системы при работе в скважинах, осложненных мехпримесями.
Указанный технический результат получен за счет того, что в погружной насосно-эжекторной установке для добычи нефти, включающей в себя последовательно расположенные погружной электродвигатель, сепаратор механических примесей с выходом грязной жидкости, центробежный насос и струйный насос, приемная камера которого гидравлически соединена с выходом механических примесей из сепаратора, согласно изобретению сепаратор и насос помещены в кожух; сепаратор механических примесей выполнен из каскада ступеней сепарации; кожух разделен продольными перегородками на изолированные кольцевые сектора по количеству ступеней сепарации, каждый из секторов соединен с выходом грязной жидкости одной из ступеней сепарации; над последним выходом, принадлежащим последней ступени сепарации, полости каждых двух соседних секторов последовательно перекрыты торцевой перегородкой, в которую встроен струйный аппарат для объединения проходящих через них потоков грязной жидкости в общий поток.
В первом варианте исполнения ступень сепарации состоит из расположенного в закрытом цилиндрическом корпусе вращающегося шнека, насаженного на общий для всех ступеней сепарации вал. В корпусе на уровне выхода потока из шнека выполнены отверстия для сброса отсепарированных частиц в отдельный сектор кожуха. Для замедления абразивного износа шнек может быть выполнен геликоидальным с лопастью, наклоненной по ходу потока к втулке.
Во втором варианте исполнения ступени сепарации в качестве элемента, закручивающего поток, использован неподвижный завихритель потока в виде втулки с наклонными направляющими лопатками, помещенными в цилиндрический корпус. Выше завихрителя внутри корпуса сепаратора расположена вихревая камера для дальнейшей сепарации потока в свободном вихре. Так же как и в первом варианте исполнения, в корпусе на уровне выхода потока из вихревой камеры выполнены отверстия для сброса отсепарированных частиц в отдельный сектор кожуха.
Таким образом, в добывающий насос жидкость поступает из сепаратора, проходя последовательные стадии очистки на каждой из ступеней сепарации и освобождаясь от механических примесей. Механические примеси, сброшенные в разобщенные продольными перегородками сектора кожуха, объединяются в один поток с помощью струйных насосов, встроенных в торцевые перегородки кожуха, и направляются в обход добывающего насоса, не накапливаясь в контейнере, не забивая зону перфорации скважины и не разрушая рабочие органы насоса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 в качестве примера изображена схема заявляемой насосно-эжекторной установки для добычи нефти, содержащая каскад трех ступеней сепарации; на фиг. 2 - каскад трех ступеней сепаратора механических примесей с вращающимся шнеком (в разрезе); на фиг. 3 - каскад трех ступеней сепаратора механических примесей с неподвижным завихрителем (в разрезе); на фиг. 4 - объединение потоков мехпримесей со всех ступеней в кожухе; на фиг. 5 - сечение Α-A кожуха; на фиг. 6 - сечение В-В кожуха; на фиг. 7 - сечение С-С кожуха; на фиг. 8 - сечение кожуха D-D; на фиг. 9 приведена развертка кожуха со струйными аппаратами для объединения потоков (схема).
Насосно-эжекторная установка (фиг. 1) содержит погружной электродвигатель 1, сепаратор механических примесей 2, добывающий насос 3, кожух специальной конструкции 4 и струйный насос 5, расположенный на входе в НКТ 6. Кожух 4 с образованием кольцевого зазора 7 охватывает сепаратор механических примесей 2, добывающий насос 3 и нижнюю часть струйного насоса 5. Сепаратор 2 выполнен в виде каскада последовательно расположенных на едином валу 8 ступеней сепарации I, II и III, имеющих одинаковую конструкцию. Каждая из ступеней сепарации I, II и III содержит цилиндрический корпус 9, в котором размещен вращающийся на валу 8 шнек 10 (фиг. 2) либо установлен неподвижный завихритель потока 11 (фиг. 3), выше которого в корпусе 9 сформирована вихревая камера 12, предназначенная для дополнительной сепарации потока в свободном вихре. В верхней части цилиндрического корпуса 9 ступени выполнено отверстие для сброса частиц 13 в кольцевой зазор 7 кожуха 4. Аналогичные отверстия 25, 26 выполнены для ступеней сепарации II и III соответственно.
Шнек 10 (фиг. 2) представляет собой втулку 14 со спиральными лопастями 15, насаженную на вал 8. Проточная полость 16 ступени сепаратора 2 образована внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 9 и наружной поверхностью втулки 14. Для замедления абразивного износа шнек 10 может быть выполнен геликоидальным с лопастью 15, наклоненной по ходу потока к втулке 14.
Во втором варианте исполнения (фиг. 3) завихритель потока 11 выполнен в виде втулки 17 с наклонными направляющими лопатками 18, запрессованными в цилиндрическую гильзу 19, которая связана с корпусом сепаратора 9 с помощью замкового соединения.
В кожухе 4 установлены продольные перегородки 20 (фиг. 5), разделяющие кольцевой зазор 7 на три изолированных кольцевых сектора Iк, IIк и IIIк, гидравлически связанных с соответствующей ступенью сепарации.
Над вторым выходом 25, принадлежащим ступени сепарации II, полости двух соседних секторов Iк и IIк перекрыты торцевой перегородкой 21, в которую встроен струйный аппарат 22, включающий сопло, приемную камеру, камеру смешения и диффузор (фиг. 6, 9). С помощью струйного аппарата 22 осуществляется объединение потоков из секторов Iк и IIк в общий поток. Таким образом, выше первой торцевой перегородки 21 кольцевое пространство 7 кожуха 4 остается разделенным продольными перегородками 20 на два сектора (фиг. 7), больший из которых занимает объединенный поток Iк+IIк, а оставшийся IIIк зарезервирован для потока отделенных частиц, сброшенного с последней ступени сепарации III. Над последним выходом 26, связывающим последнюю ступень сепарации III с кольцевым сектором IIIк, размещена торцевая перегородка 23, в которую встроен струйный аппарат 24, объединяющий потоки Ιк+IIк и IIIк. Выше струйного аппарата 24 внутреннее кольцевое пространство 7 кожуха 4 не имеет продольных перегородок (фиг. 8) и полностью занято объединенным потоком Ι+II+ΙΙΙ.
Насосно-эжекторная установка работает следующим образом.
Привод установки в целом осуществляется от погружного электродвигателя 1. При работе установки добываемая жидкость с механическими частицами (стрелка с наклонной штриховкой на фиг. 1, 2, 3) через входной кольцевой канал 18 поступает на первую ступень сепарации, где попадает в поле центробежных сил, создаваемое вращающимся на валу шнеком 8 либо наклонными лопастями завихрителя потока 9. Частицы механических примесей (черная стрелка на фиг. 1, 2, 3, 4, 8), имеющие большую плотность по отношению к плотности жидкости, отжимаются центробежными силами к корпусу сепаратора 10 и выносятся за его пределы через выходные отверстия 11, 19, 20 в корпусе 10, связанные с отдельными секторами Ιк, IIк, IIIк внутри кожуха 4, окружающего сепаратор 2 снаружи. Основной поток жидкости (белая стрелка на фиг. 1, 2, 3) с уменьшенной концентрацией частиц подается на вход следующей ступени сепарации, где проходит повторную очистку, сбрасывая следующую порцию частиц за пределы сепаратора и передавая повторно очищенную жидкость на следующую ступень. Очищенная от твердых частиц жидкость с выхода последней ступени сепарации поступает в добывающий насос 3, где приобретает давление, не совершая при этом абразивного разрушающего воздействия на поверхности проточных каналов насоса 3. Потоки твердых частиц с частью жидкости, отделенные на каждой ступени сепарации, выбрасываются под разным давлением каждый в свой кольцевой сектор (Iк, IIк и IIIк), разобщенный с соседними секторами продольными перегородками 13.
Поток в каждом секторе направляется либо на сопло, либо в приемную камеру струйного аппарата 16, встроенного в торцевую перегородку 14 кожуха 4. Таким образом, в камере смешения струйного аппарата 16 происходит перемешивание потоков из двух соседних секторов. Объединенный поток жидкости с твердыми частицами из двух первых секторов Iк+IIк направляется далее в приемную камеру следующего струйного аппарата 17 в следующей торцевой перегородке 15, в то время как поток из третьего сектора IIIк поступает на сопло того же самого струйного аппарата 17 и перемешивается с потоком Iк+IIк, образуя общий поток Iк+IIк+IIIк. Общий поток с твердыми частицами занимает уже все кольцевое пространство внутри кожуха 4 и протекает по нему в обход добывающего насоса 3. Кожух 4 заканчивается приемной камерой струйного насоса 5, который установлен для смешивания чистой жидкости, прошедшей через добывающий насос 3, и жидкости с твердыми частицами, прошедшей через кожух 4.
Чистая жидкость на выходе из добывающего насоса 3 под давлением поступает в струйный насос 5. Создается разрежение в приемной камере, и начинается процесс эжектирования жидкости с твердыми частицами из пространства внутри кожуха в общий поток. В результате получившаяся смесь по НКТ 6 поднимается на поверхность.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет обеспечить надежную защиту добывающего насоса от абразивного износа, сохранить его рабочие характеристики в процессе эксплуатации и избежать засорения скважины механическими примесями.