СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ФИЛЬТРОВ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
TEST BENCH FOR FILTERS OF DOWNHOLE PUMPING UNITS

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано для испытания фильтров скважинных насосных установок, эксплуатирующихся в условиях, осложненных высоким содержанием абразивных частиц в пластовой продукции.
Известен стенд для определения гидравлических характеристик фильтра, состоящий из гидробака, трубопроводов, контрольно-измерительной аппаратуры, насоса, устройства для отбора проб, теплообменного аппарата. Напорный трубопровод насоса подсоединен к испытываемому фильтру, перепад давления на котором фиксируется по показаниям дифференциального манометра. Испытываемый фильтр снабжен предохранительным клапаном, срабатывающим при увеличении перепада давления на фильтре выше давления, на которое рассчитана пружина клапана. Гидросистема стенда выполнена разомкнутой [ГОСТ Р 50554-93. Промышленная чистота. Фильтры и фильтрующие элементы. Методы испытаний // М: Госстандарт России. 1994. Приложение 3. C. 13].
В известном стенде отсутствует устройство для дозирования механических примесей в гидросистему стенда, подачу механических примесей осуществляют напрямую в гидробак стенда, что может привести к изменению гранулометрического состава механических примесей при прохождении через насос. При этом часть механических примесей, предназначенных для загрязнения (кольматации) фильтра, осядет в баке и не попадет в напорный трубопровод.
Известен также стенд для определения характеристик фильтрования, состоящий из гидросистемы загрязнителя и гидросистемы испытания фильтров, выполненных по схеме с разомкнутой системой циркуляции жидкости. Гидросистема введения загрязнителя предназначена для дозирования примесей в систему испытания фильтров, включает в себя гидробак, трубопроводы с задвижками, насос, регулируемый дроссель и расходомер. Гидросистема испытания фильтров состоит из гидробака, трубопроводов с задвижками, устройства для крепления испытываемого фильтра, расходомера и теплообменника. Перепад давления на испытываемом фильтре определяется по показаниям дифференциального манометра. Расход жидкости через фильтр фиксируется по показаниям расходомера. Периодический отбор проб через пробоотборники с последующим анализом результатов позволяет определять характеристики фильтрования [ГОСТ Р 50554-93. Промышленная чистота. Фильтры и фильтрующие элементы. Методы испытаний // М.: Госстандарт России. 1994. Приложение 4. С. 14].
К недостаткам описанного стенда следует отнести ограниченные технические возможности, не позволяющие проводить исследования характеристик фильтров, установленных на всасывающей линии насосов, поскольку подача жидкости через фильтр осуществляется посредством насоса, создающего избыточное давление на входе в фильтр, а также измельчение механических примесей при прохождении через насосы, которое вызывает замедление процесса кольматации фильтра и вносит погрешность в определение его грязеемкости.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является стенд для испытания скважинных устройств для очистки флюида, в том числе, фильтров скважинных насосных установок, который содержит насос, станцию управления, накопительную емкость, трубопроводы с задвижками, манометр на нагнетательном трубопроводе насоса, дозатор механических примесей, вертикальную обсадную колонну, в которой расположено исследуемое устройство для очистки флюида, шламосборник, прикрепленный к нижней части вертикальной обсадной колонны, фильтрующий элемент на выкидной линии, мерный бак, узел подачи свободного газа в исследуемое устройство, включающий в себя компрессор, регулировочный дроссель, диафрагму, газовый счетчик и обратный газовый клапан [пол. модель RU 124497 U1, МПК Е21В 43/38 опубл. 27.01.2013].
Работа стенда, принятого за прототип, осуществляется следующим образом. Насос подает модельную жидкость в нагнетательный трубопровод. Забор жидкости осуществляется через обратный клапан из накопительной емкости, где установлен нагревательный элемент для проведения испытаний с изменением вязкости модельной жидкости. Частота вращения вала насоса устанавливается с помощью станции управления. Давление модельной жидкости измеряется при помощи манометра. Добавка модельных механических примесей из дозатора происходит на нагнетательном трубопроводе насоса, что позволяет защитить последний от абразивного износа и обеспечить высокую равномерность концентрации примесей. Поток жидкости с механическими примесями под действием избыточного давления, создаваемого насосом, поступает на вход исследуемого фильтра. Часть механических примесей задерживается на нем либо оседает в шламосборнике, другая часть увлекается потоком в выкидную линию. Поток жидкости из выкидной линии проходит через кран и фильтр тонкой очистки, где происходит полное улавливание оставшихся механических примесей. Чистая модельная жидкость поступает в мерный бак, а затем сливается в накопительную емкость.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого стенда для испытания фильтров скважинных насосных установок, являются: наличие вертикальной обсадной колонны с устанавливаемым внутри исследуемым фильтром, трубопроводов с задвижками, насоса, манометра, установленного на нагнетательном трубопроводе насоса, дозатора механических примесей, шламосборника и компрессора с обратным клапаном.
К недостаткам стенда, принятого за прототип, следует отнести то, что при работе стенда и проведении испытаний не моделируются скважинные условия работы фильтра. Подача жидкости через фильтр осуществляется посредством насоса, создающего избыточное давление на входе в фильтр. Указанный режим работы не характерен для фильтров скважинных насосных установок, так как через данные фильтры жидкость откачивается, а не нагнетается в них.
Кроме того, в скважинных насосных установках фильтры часто оснащаются предохранительными клапанами, которые открываются под действием разности давлений внутри и снаружи загрязненного фильтра, что позволяет избежать срыва подачи электроцентробежного насоса (ЭЦН) и остановки насосного агрегата при кольматации фильтра. Для испытания таких фильтров данный стенд неприемлем в силу того, что при его работе не в полной мере воспроизводятся условия работы скважинных насосных установок.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: расширение функциональных возможностей стендового оборудования, обеспечение моделирования скважинных условий работы фильтров при проведении испытаний и определения давления срабатывания предохранительного клапана испытываемого фильтра, а также повышение достоверности определение гидравлических характеристик фильтра и характеристик фильтрования.
Указанный результат достигается тем, что в стенде для испытания фильтров скважинных насосных установок, содержащем вертикальную обсадную колонну с устанавливаемым внутри испытываемым фильтром, трубопроводы с задвижками, насос, манометр, установленный на нагнетательном трубопроводе насоса, дозатор механических примесей, шламосборник, согласно изобретению, испытываемый фильтр оснащен предохранительным клапаном и напрямую соединен со всасывающим трубопроводом насоса, оборудованным мановаккумметром, обсадная колонна заполнена моделирующей жидкостью и связана с нагнетателем, предназначенным для создания давления, при этом нагнетатель оборудован манометром, обратным клапаном и предохранительным клапаном с регулируемой затяжкой пружины, а шламосборник подключен к обсадной колонне через трубопровод с задвижкой.
Испытываемый фильтр подсоединен к всасывающему трубопроводу насоса стенда, что воспроизводит реальные условия работы фильтра в скважине. Наличие мановакуумметра позволяет контролировать величину давления во всасывающем трубопроводе насоса.
Оснащение испытываемого фильтра предохранительным клапаном позволяет удостовериться в срабатывании клапана при кольматации фильтра во время испытаний; убедиться в сохранении параметров работы насоса в диапазоне значений, установленных нормативными документами, при срабатывании предохранительного клапана фильтра.
Испытываемый фильтр, оснащенный предохранительным клапаном, полностью помещен в модельную жидкость, заполняющую обсадную колонну стенда. Создание избыточного давления в обсадной колонне стенда посредством нагнетателя позволяет воспроизвести давление столба жидкости в обсадной колонне реальной скважины.
Давление, создаваемое нагнетателем в обсадной колонне стенда, регулируется посредством изменения затяжки пружины предохранительного клапана, контролируется по показаниям манометра. В качестве нагнетателя может использоваться компрессор или насос.
Подключение шламосборника к обсадной колонне стенда через трубопровод с задвижкой позволяет достоверно определить массу осевших в колонне при проведении испытаний механических примесей, что обеспечивает повышение точности определения грязеемкости испытываемого фильтра.
На основании изложенного заявляемое изобретение является техническим решением, обладает новизной и имеет изобретательский уровень, так как оно неизвестно из уровня техники, и для специалистов оно явным образом не следует из уровня техники с более ранним приоритетом. Применимость стенда для испытания фильтров скважинных насосных установок подтверждается возможностью его реализации с использованием известных средств и материалов, применяемых в нефтедобывающей промышленности.
Сущность стенда поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена гидросистема заявляемого стенда для испытания фильтров скважинных насосных установок, в которой в качестве нагнетателя используется компрессор; на фиг. 2 - гидросистема заявляемого стенда с насосом в качестве нагнетателя.
Гидросистема стенда для испытания фильтров скважинных насосных установок (фиг. 1 и 2) выполнена замкнутой и состоит из обсадной колонны 1, внутри которой коаксиально устанавливается фильтр 2, оснащенный предохранительным клапаном 3. Верхняя крышка 4 обсадной колонны 1 снабжена сапуном 5. Фильтр 2 соединен с всасывающим трубопроводом 6 насоса 7. К обсадной колонне 1 подключен нагнетатель 8, снабженный предохранительным клапаном 9 с регулируемым усилием затяжки пружины, обратным клапаном 10 и манометром 11. Нагнетатель 8 предназначен для создания избыточного давления в обсадной колонне 1. В качестве нагнетателя 8 может использоваться компрессор (фиг. 1) или подпорный насос (фиг. 2).
На всасывающем 6 и нагнетательном 12 трубопроводах насоса 7 установлены мановакуумметр 13 и манометр 14, соответственно. В конструкции стенда предусмотрен пробоотборник с задвижкой 15. Заполнение гидросистемы стенда модельной жидкостью 16 осуществляется из трубопровода 17, снабженного задвижкой 18.
Задвижка 19 установлена на нагнетательном трубопроводе 12 насоса 7 и предназначена для регулирования подачи циркулирующей модельной жидкости 16. Дозатор 20, выполненный в виде емкости с патрубками, подсоединен параллельно к нагнетательному трубопроводу 12 и разобщается с ним посредством задвижек 21. Перекрытием задвижки 22 и открытием задвижек 21 обеспечивается перенаправление потока жидкости 16 в дозатор 20 и вынос механических примесей 23 в гидросистему стенда. Расход модельной жидкости, циркулирующей в гидросистеме стенда, контролируется посредством расходомера 24.
К нижней части обсадной колонны 1 через трубопровод с задвижкой 26 подсоединен шламосборник 25, внутри которого оседают частицы механических примесей 23. Удаление накопленных механических примесей 23 из шламосборника 25 осуществляется при открытии задвижки 27.
В случае использования в качестве нагнетателя 8 насоса (фиг. 2), модельная жидкость 16 в нагнетатель 8 подается из бака 28.
Стенд для испытания фильтров скважинных насосных установок работает следующим образом.
В обсадную колонну 1 коаксиально устанавливается испытываемый фильтр 2, оснащенный предохранительным клапаном 3. Крышка 4 обсадной колонны 1 герметично закрывается. В соответствии со схемами, представленными на фиг. 1 и 2, трубопроводы, соединяющие обсадную колонну 1 с насосом 7 и нагнетателем 8, гидравлически связаны между собой. При этом задвижки 15, 18, 21, 27 перекрыты, а задвижки 19, 22 и 26 - открыты.
В крышке 4 открывается сапун 5, через задвижку 18 по трубопроводу 17 гидросистема стенда заполняется модельной жидкостью 16. После заполнения гидросистемы стенда жидкостью задвижка 18 перекрывается, сапун 5 заглушается пробкой.
Посредством нагнетателя 8 в обсадную колонну 1 подается сжатый воздух (фиг. 1) или модельная жидкость (фиг. 2) с заданным избыточным давлением. Величина избыточного давления в обсадной колонне 1 регулируется путем изменения усилия затяжки пружины предохранительного клапана 9 и контролируется по показаниям манометра 11. Таким образом, в обсадной колонне 1 для фильтра 2, оснащенного предохранительным клапаном 3 моделируются скважинные условия работы.
Запуск циркуляция модельной жидкости 16 через фильтр 2 осуществляется при включении насоса 7. Физическое моделирование полезной нагрузки на насос 7 реализуют посредством частичного перекрытия задвижки 19. Давление во всасывающем 6 и нагнетательном 12 трубопроводах насоса 7 контролируют посредством мановакуумметра 13 и манометра 14, соответственно. Расход циркулирующей жидкости 16 определяется по показаниям расходомера 24.
Дозатор 20 наполняют механическими примесями 23 заданной массы и гранулометрического состава. Открытием задвижек 21 дозатор 20 соединяют с напорным трубопроводом 12 стенда. Полное (частичное) перекрытие задвижки 22 позволяет полностью (частично) перенаправить поток модельной жидкости 16 через полость дозатора 20, что обеспечивает смешивание модельной жидкости 16 и механических примесей 23 с последующим выносом потока в обсадную колонну 1. При таком размещении дозатора 20 механические примеси 23 не измельчаются рабочими ступенями насоса 7, что позволяет в дальнейшем достоверно оценить эффективность работы испытываемого фильтра 2.
Поступивший в обсадную колонну 1 поток направляется к фильтру 2, оснащенному предохранительным клапаном 3. При этом часть крупных фракций механических примесей 23 оседает на дно обсадной колонны 1 и скапливается в шламосборнике 25. При прохождении через фильтр 2 часть механических примесей 23 из потока отделяется фильтром и кольматирует его. Изменение перепада давления на фильтре 2 при его загрязнении фиксируется по показаниям мановакуумметра 13 и манометра 11, рассчитывается по формуле
ф
13
11
где ΔР - перепад давления на фильтре, МПа; P - значение давления, фиксируемое по показаниям мановакуумметра 13, МПа; Р - значение давления, фиксируемое по показаниям манометра 11, МПа.
Из пробоотборника, оснащенного задвижкой 15, периодически берутся пробы модельной жидкости 16, прошедшей через фильтр 2, что позволяет определить концентрацию взвешенных частиц (КВЧ), содержащихся в очищенной жидкости, и их гранулометрический состав, по которым оценивают качество фильтрования испытываемого фильтра.
При полной кольматации фильтра 2 срабатывает предохранительный клапан 3. Момент срабатывания клапана 3 фиксируется по резкому изменению показаний мановакуумметра 13. Перепад давления на фильтре 2 при срабатывании клапана 3 рассчитывается по формуле (1).
После срабатывания клапана фильтра задвижка 26 перекрывается и разобщает обсадную колонну 1 и шламосборник 25. Частицы загрязнителя, скопившиеся в шламосборнике 25, собираются через трубопровод с открытой задвижкой 27, просушиваются и взвешиваются. Из пробоотборника 15 отбирается финальная проба модельной жидкости, в которой определяется КВЧ. Зная объем жидкости, циркулирующей в гидросистеме стенда и массу введенного загрязнителя, можно с высокой точностью определить грязеемкость испытываемого фильтра
- для фильтров поверхностного действия (например, щелевых)
- для фильтров объемного действия (например, дисковых)
п
o
2
3
3
где W - грязеемкость фильтра поверхностного действия, кг/м; W - грязеемкость фильтра объемного действия, кг/м; М - масса механических примесей, введенных в гидросистему стенда, г;  - масса механических примесей, скопившихся в шламосборнике, г; с - КВЧ в модельной жидкости после открытия клапана фильтра, г/л; V - объем модельной жидкости в гидросистеме стенда, л; S - площадь активной поверхности испытываемого фильтра, м;  - объем фильтрующего материала испытываемого фильтра, м.