ГРАВИТАЦИОННЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОЙ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для защиты УЭЦН от воздействия механических примесей: засорения и гидроабразивного износа.
Известен гравитационный сепаратор механических примесей, входящий в состав насосной установки для добычи нефти, состоящий из внешней и внутренней концентрично установленных труб, и отстойника, выполненного в виде продолжения внешней трубы, причем внутренняя труба короче внешней [Патент №2386860 РФ, F04D 13/10, F04B 47/00, Е21В 43/38, 20.04.2010]. Внешняя труба имеет отверстия для входа добываемой жидкости, которая по кольцевому зазору между внешней и внутренней трубой двигается сначала вниз, затем разворачивается на 180 градусов и поднимается по внутренней трубе, далее поступает на прием насоса. При развороте потока часть частиц под действием силы тяжести оседает в контейнере.
Известен также гравитационный сепаратор для очистки скважинной жидкости, взятый за прототип, представляющий собой две концентрично установленные трубы, образующие между собой кольцевой зазор, в верхней части наружной трубы выполнены входные отверстия, через которые пластовая жидкость сначала поступает во внутреннюю трубу, движется вниз, затем разворачивается на 180 градусов и поднимается по кольцевому зазору между внешней и внутренней трубой. При развороте потока часть частиц под действием силы тяжести частицы оседает в контейнере [Якимов С., Афанасьев А., Шмонин П. Применение десендеров для защиты ЭЦН на пластах Покурской свиты //Новатор. - 2009 г. - №27. - С.27-31].
В первой конструкции (аналог) восходящий поток протекает по центральной трубе, во второй (прототип) - по кольцевому зазору. Степень сепарации определяется абсолютным значением скорости восходящего потока, которая при фиксированном расходе жидкости обратно пропорциональна поперечной площади потока S.
1
2
2
1
2
2
2
В первой конструкции площадь поперечного сечения восходящего потока равна S=πr, во второй - S=π[R-(r+δ)], где R и r - внутренние радиусы внешней и внутренней трубы соответственно, δ - толщина стенки внутренней трубы. При типичных значениях R=50 мм и δ=3 мм получаем (см. таблицу), что при разумных значениях r сепарация во второй конструкции должна быть лучше, чем в первой, поскольку проще увеличить площадь S кольцевого зазора, чем S внутренней трубы.
Таблица 1.
Влияние радиуса внутренней трубы на отношение площадей поперечного сечения восходящего потока в конструкциях [1] и [2]
R
15
20
25
34
40
S<sub>1</sub>/S<sub>2</sub>
9.7
4
1.5
1
0.6
Следовательно, скорость восходящего потока во второй конструкции будет меньше, что приведет к улучшению степени сепарации. Однако согласно [Якимов С., Афанасьев А., Шмонин П. Применение десендеров для защиты ЭЦН на пластах Покурской свиты //Новатор. - 2009 г. - №27. - С.27-31] сепаратор такой конструкции отделяет только частицы размером более 250 мкм, тогда как тонкость фильтрации широко применяемых щелевых фильтров 100 мкм [Патент РФ №52 096, U1, E21B 43/11, 06.06.2005].
3
Техническим преимуществом предлагаемой полезной модели является улучшение степени очистки скважинной жидкости от механических примесей диаметром до 100 мкм для подач в диапазоне до 50 м/сут. Добиться новых характеристик удалось благодаря оптимизации геометрических размеров известной конструкции, описанной в прототипе.
Указанный результат достигается тем, что в гравитационном сепараторе для очистки скважинной жидкости от механических примесей, содержащем наружную и внутреннюю трубы, установленные концентрично с образованием кольцевого зазора, выполненное в верхней части наружной трубы входное отверстие, соединенное с внутренней трубой гидравлически, и контейнер для сбора отделенных механических примесей, согласно полезной модели, отношение площадей кольцевого зазора к площади поперечного сечения внутренней трубы не менее 25, а отношение длины внутренней трубы к диаметру - не менее 7.
3
Для нахождения оптимальных параметров устройства была разработана методика определения тонкости очистки гравитационного сепаратора методами математического моделирования и спроектирован стенд для определения характеристик гравитационных сепараторов. При увеличении отношения площадей кольцевого зазора к площади поперечного сечения внутренней трубы диаметр частиц, уносимых восходящим потоком, уменьшается, т.к. уменьшается скорость восходящего потока и, соответственно, сила сопротивления, действующая на частицу. Согласно разработанной методике при подаче 50 м/сут в устройствах с отношением площадей кольцевого зазора к площади поперечного сечения внутренней трубы, равным 25, восходящий поток захватывает частицы диаметром 100 мкм и менее. Дальнейшее увеличение этого соотношения приводит к улучшению тонкости очистки от механических частиц. Поэтому для очистки скважинной жидкости от частиц размером 100 мкм и менее необходимо, чтобы отношение площадей кольцевого зазора к площади поперечного сечения внутренней трубы было не менее 25. Максимальное отношение ограничивается габаритами установки, и для максимального на сегодняшний день 9 габарита (соответствует диаметру обсадной колонны 221 мм.) равно 108.
Длина внутренней трубы выбирается такой, чтобы обеспечить после входа жидкости в трубу установившийся осевой поток, при котором характеристики устройства становятся постоянными и не изменяются во времени. Определение методами математического моделирования длины участка трубы от входа до установления потока позволило установить, что для параметров данной конструкции это значение должно быть не менее 7 диаметров внутренней трубы. Увеличение этого соотношение усиливает эффект, но ограничивается экономическими соображениями и дебитом, поскольку при увеличении длины трубы будет возрастать гидравлическое сопротивление в ней.
Число входных отверстий в верхней части внешней трубы и, соответственно, каналов, соединяющих гидравлически отверстия и внутреннюю трубу, может быть два и более. Так, в верхней части наружной трубы может быть выполнено, по крайней мере, одно дополнительное входное отверстие, соединенное каналом с внутренней трубой, при этом каналы объединены друг с другом в центре внутренней трубы.
В днище контейнера дополнительно может быть вмонтирована труба, обеспечивающая отвод механических примесей в зумпф скважины.
Сущность заявленного устройства поясняет схема конструкции сепаратора, изображенная на фиг.
Гравитационный сепаратор состоит из наружной трубы 1 с входным отверстием 2 для входа жидкости и внутренней трубы 3, образующих между собой кольцевой зазор 4. Снизу гравитационный сепаратор оснащен контейнером 5 для сбора отделенных механических частиц. Контейнер 5 может быть продолжением наружной трубы 1 или выполнен отдельно с последующим жестким креплением к нижней части гравитационного сепаратора. Для предотвращения переполнения в контейнере 5 установлена труба 6. При спуске в скважину установки с гравитационным сепаратором заявляемой конструкции между установкой и обсадной колонной устанавливают уплотнение или пакер 7, чтобы обеспечить прохождение потока жидкости через гравитационный сепаратор.
Сепаратор для очистки скважинной жидкости работает следующим образом.
1
2
Поток скважинной жидкости через отверстия 2 по соединительному каналу поступает во внутреннюю трубу 3 гравитационного сепаратора, спускается по ней вниз и, огибая нижний конец трубы 3, поднимается вверх по кольцевому зазору 4, и далее направляется на прием насоса. Площадь поперечного сечения внутренней трубы в несколько раз меньше площади кольцевого зазора 4, следовательно, скорость v потока скважинной жидкости во внутренней трубе 3 много больше скорости v потока в кольцевом зазоре, поэтому при развороте потока вокруг трубы 3 на 180° с одновременным уменьшением скорости потока крупные частицы примесей под действием силы тяжести продолжают опускаться вниз, накапливаясь на дне контейнера 5 вокруг трубы 6. При переполнении контейнера 5, когда уровень примесей становится выше верхнего конца трубы 6, твердые частицы сбрасываются через нее в зумпф. Выходящая из гравитационного сепаратора очищенная жидкость поступает в насосную установку. Для того, чтобы избежать в контейнере 5 восходящего потока жидкости по трубе 6, последняя должна обладать достаточным гидравлическим сопротивлением -большим, чем сопротивление гравитационного сепаратора. Это может быть достигнуто за счет оптимального подбора соотношения длины и диаметра трубы 6.
1
2
1
Тонкость очистки предлагаемого гравитационного сепаратора определяется соотношением сил вязкого трения частиц о жидкость, архимедовой силы и веса частиц. Для такой конструкции оптимальным значением геометрических размеров внутренней трубы 3, обеспечивающих наилучшую очистку, является отношение площадей кольцевого зазора 4 к площади внутренней трубы 3 не менее 25, а также отношение длины внутренней трубы к ее диаметру не менее 7. Эти значения были установлены расчетным путем и подтверждены на испытательном стенде. В случае, если отношение площади кольцевого зазора 4 к площади поперечного сечения внутренней трубы 3 будет меньше 25, уменьшение скорости потока при повороте с v до скорости v будет недостаточным для оседания механических примесей в контейнер 5. Применение же внутренней трубы 3 длины меньшей, чем 7 ее диаметров, не позволяет потоку достичь устойчивого движения и развить достаточную скорость v, что повлечет за собой ухудшение характеристик сепаратора.
3
Стендовые исследования проводились для сепаратора со следующими параметрами: внутренний диаметр наружной трубы 1 - 100 мм, длина внутренней трубы 3 - 1 м, внутренний диаметр внутренней трубы 3 - 19 мм при толщине стенки 3 мм. Таким образом, отношение площадей кольцевого зазора 4 к площади внутренней трубы 3 равно 26, а отношение длины внутренней трубы к ее диаметру равно 52. Испытания показали, что коэффициент сепарации гравитационного сепаратора данной конструкции не менее 80% для частиц размером 100 мкм в диапазоне подач жидкости от 0 до 50 м/сут.