СТЕНД ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОСЕПАРАТОРОВ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПОДАЧИ ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТИ
HYDRAULIC TEST BENCH FOR GAS SEPARATORS OF PUMP UNITS FOR SUPPLY OF FORMATION FLUID

Изобретение относится к испытаниям гидравлических машин, в частности к конструкциям экспериментальных стендов для проведения испытаний газосепараторов, используемых в погружных электронасосных агрегатах для добычи нефти из скважин.
Известен стенд для испытания газосепараторов разработки ОКБ БН и Московского института нефти и газа им. И.М.Губкина (описание к авторскому свидетельству СССР №1521918, кл. F04D 15/00, 1989 г.), который состоит из накопительной емкости, с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, насоса, системы подготовки ГЖС с источником газа, выполненной в виде струйного аппарата, контрольно-измерительной аппаратуры и регулирующих элементов.
Устройство указанного стенда не обеспечивает эффективного регулирования степени дисперсности газа в рабочей жидкости, также не позволяет проводить испытания во всем спектре расходов газожидкостной смеси, необходимых для оценки работы газосепаратора в условиях, близких к реальным условиям работы в скважине.
Также известен способ испытания погружного центробежного газосепаратора и стенд для его осуществления (описание к патенту RU №2331861, G01M 19/00, F04D 13/10 от 18.04.2006 г.). В соответствии с этим патентом стенд для испытания погружного центробежного газосепаратора состоит из накопительной емкости с подключенным к ней газосепаратором, теплообменного аппарата, насоса для нагнетания рабочей жидкости, системы подготовки ГЖС с источником газа, контрольно-измерительных приборов, регулирующих элементов, мерной емкости, блока моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), включающего модель обсадной колонны для размещения испытуемого газосепаратора с образованием затрубного пространства.
Недостаток известных технических решений заключается в том, что в описанных конструкциях устройство для подготовки ГЖС установлено на значительном отдалении от испытуемого газосепаратора (далее - ГС) и, следовательно, не обеспечивается нужный уровень дисперсности газовой фазы на входе в ГС. Измерительные приборы установлены на линии выхода газа из газосепаратора, что не соответствует реальным измерениям, т.к. основные параметры контролируют на выходе жидкости из ГС (на входе в насос). Это снижает точность и достоверность результатов проводимых испытаний.
Наиболее близким к описываемому изобретению является и выбран в качестве прототипа стенд более поздней разработки Института нефти и газа им. И.М.Губкина, раскрытый в патенте на способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним и стенд для его осуществления (описание к патенту RU №2075654, F04D 13/10 от 14.03.95).
В патенте представлен стенд, который состоит из накопительной емкости с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором с теплообменником, насоса, системы подготовки ГЖС, линий нагнетания и выходных линий жидкости и газа, контрольно-измерительных приборов, регулирующих элементов, БМВУ, включающего в себя модель обсадной колонны (МОК), выполненной в виде скважины с возможностью размещения в ее внутренней полости с образованием затрубного пространства испытуемого газосепаратора, последовательно соединенного с насосом, причем забой МОК через регулирующие элементы сообщен с трубопроводом подачи газожидкостной смеси, устье - с выходом по жидкости, а затрубное пространство - с выходом по газу.
Недостаток прототипа заключается в том, что стенд не обеспечивает точность измерений расхода жидкости, а также в отсутствии возможности проводить испытания во всем спектре расходов газожидкостной смеси, необходимых для оценки работы газосепаратора в условиях, близких к реальным условиям работы в скважине.
н
нач
н
В устройстве прототипа после испытуемого газосепаратора установлен насос, который имеет небольшое количество ступеней (10-15) из-за конструктивных особенностей МОК, а, как известно, напор секции погружного насоса существенно зависит от газосодержания в потоке. В частности, на фиг.1 приведена зависимость напора ступеней погружного насоса от порядкового номера ступени при газосодержании β=0,07. Видно, что даже при малом газосодержании в потоке первые 50-70 ступеней не обеспечивают полного напора ступени. Поэтому расход Q через насос с появлением газосодержания в потоке сразу падает. Таким образом, образуется излишний расход между Q- Q, который сбрасывается вместе с газом через выходные отверстия в газосепараторе в модель скважины, а затем по магистрали в бак. Избыточный расход искажает картину течения в газосепараторе в сравнении с натурной эксплуатацией, при которой из-за большого числа ступеней в насосной установке (300-400 ступеней) напор и подача через насос либо не изменяется с увеличением газосодержания в потоке, либо изменяется незначительно (Фиг.1).
Технической задачей изобретения является обеспечение условий работы газосепаратора, максимально приближенных к режимам работы в реальных скважинах, обеспечение нужного уровня дисперсности газовой фазы на входе в ГС.
Конструкция стенда гидравлических испытаний газосепараторов насосных установок для подачи пластовой жидкости, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
стенд содержит накопительную емкость, линию подвода жидкости, подкачивающий насос на всасывающей магистрали, линию подачи газа, смесительное устройство, испытуемый газосепаратор, линии отвода газа и жидкости из выходных отверстий газосепаратора, насос на нагнетательной магистрали, компенсационные баки, систему подвода в жидкость поверхностно-активных веществ, согласно изобретению, между газосепаратором и насосом на нагнетательной магистрали установлен сепарационный бак для разделения жидкой фазы от газовой фазы и эвакуации последней из стенда, а во всасывающей магистрали перед газосепаратором установлено смесительное устройство, размеры которого обеспечивают требуемую дисперсность газовой фазы в потоке.
Кроме того, размеры сепарационного бака выбираются такими, чтобы скорость опускания жидкости в баке была меньше скорости всплытия газовых пузырьков.
Кроме того, в нагнетательной магистрали стенда установлены два датчика измерения объемного расхода потока, один до сепарационного бака, второй - после, до сепарационного бака установлены датчик измерения объемного расхода газожидкостной смеси и датчик измерения сплошности потока, причем перед датчиком сплошности установлено спрямляющее поток устройство.
Кроме того, в нагнетательной магистрали стенда до сепарационного бака последовательно установлены дополнительный датчик измерения объемного расхода потока и дроссельное устройство.
В качестве прибора, измеряющего расход смеси на выходе из газосепаратора, применим турбинный датчик расхода, который известен при испытании насосов на газожидкостной смеси в авиакосмической технике.
Турбинный датчик расхода имеет вращающий элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу.
При проведении испытаний на газожидкостной смеси, проводимых в авиакосмической технике, были получены графики, показывающие, что показания турбинного датчика расхода на чистой жидкости и на газожидкостной смеси совпадают (Фиг.2). Из этого следует, что возможно применение турбинного датчика расхода и на стенде испытаний газосепараторов для определения подачи смеси на выходе газосепаратора.
Использовать датчик сплошности для количественного измерения сплошности двухфазного потока можно только при наличии гомогенного потока.
Опыты, проводимые в авиакосмической отрасли, показали, что применение датчика сплошности при негомогенном потоке показывает неточность измерения двухфазных потоков, что показано на Фиг.3.
Для создания гомогенного потока используется спрямляющее устройство, в частности, спрямляющая решетка, устанавливаемая перед датчиком сплошности. Применение спрямляющей решетки обеспечивает хорошую гомогенность потока даже при наличии перед ней расслоенного режима течения двухфазного потока.
Показания датчика сплошности при установлении перед ним спрямляющего устройства имеют более достоверные значения, что представлено на Фиг.4.
На фиг.1 изображена зависимость напора ступени от его порядкового номера, исчисляемого на приеме насоса;
на фиг.2 - результаты испытаний датчика расхода на водовоздушной смеси, где:
на фиг.3 - испытания датчика сплошности на негомогенной смеси, где: ○ - Q=5 л/с; ∆ - Q=10 л/с;  - Q=15 л/с; x - Q=20 л/с;
на фиг.4 - испытания датчика сплошности на гомогенной смеси, где:
○ - Q=5 л/с; ∆ - Q=10 л/с;  - Q=15 л/с; x - Q=20 л/с;
на фиг.5 - схема стенда гидравлических испытаний газосепараторов насосных установок.
Стенд гидравлических испытаний газосепараторов насосных установок для подачи пластовой жидкости включает накопительную емкость 1, линию подвода жидкости 2, подкачивающий насос 3 на всасывающей магистрали 4, линию подачи газа 5, смесительное устройство 6, испытуемый газосепаратор 7, линии 8 отвода газа и жидкости из выходных отверстий испытуемого газосепаратора 7, насос 9 на нагнетательной магистрали 10, компенсационные баки 11, систему подвода в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ) 12.
Всасывающая магистраль 4 так же включает в себя датчик расхода 13, измеряющий расход жидкости во всасывающей магистрали, и дроссель 14 (для регулировки подачи жидкой фазы).
Линия подачи газа выполнена с возможностью многовариантной подачи как воздуха (через кран 15 из воздушной линии или компрессором 16), так и другого газа (из баллонов 17). Основными элементами являются прибор для измерения расхода газа 18, дроссель 19, редуктор 20, манометр 21, датчик температуры 22.
Между испытуемым газосепаратором 7 и насосом 9 на нагнетательной магистрали 10 установлен сепарационный бак 23 для разделения жидкой фазы от газовой фазы и эвакуации последней из стенда, а во всасывающей магистрали 4 перед испытуемым газосепаратором 7 установлено смесительное устройство 6, размеры которого обеспечивают требуемую дисперсность газовой фазы в потоке. Размеры сепарационного бака 23 выбираются такими, чтобы скорость опускания жидкости в сепарационном баке 23 была меньше скорости всплытия газовых пузырьков.
Смесительное устройство 6 служит для приготовления газожидкостной смеси нужной дисперсности, что достигается выбором диаметра и числа отверстий в коллекторе впуска газа, а также направлением впуска газа в жидкость. Смесительное устройство 6 расположено непосредственно перед испытуемым газосепаратором 7 с тем, чтобы воспрепятствовать слиянию газовых пузырьков.
В нагнетательной магистрали 10 стенда установлены два датчика измерения объемного расхода потока 24 и 25, один до сепарационного бака 23, второй - после, до сепарационного бака 23 установлены датчик измерения объемного расхода газожидкостной смеси 24 и датчик измерения сплошности потока 26, причем перед датчиком сплошности 26 установлено спрямляющее поток устройство 27. В нагнетательной магистрали 10 стенда до сепарационного бака 23 последовательно установлены дополнительный датчик измерения объемного расхода потока 28 и дроссельное устройство 29.
Линия 8 отвода газа и жидкости из выходных отверстий испытуемого газосепаратора 7 включает в себя прозрачные участки 30 и 31, сепарационный бак 32, датчик расхода 33 и насос 34.
Стенд работает следующим образом.
Система через кран 35 заполняется жидкой фазой, после чего из накопительной емкости 1 по линии подвода жидкости 2 попадает в смесительное устройство 6, расположенное перед испытуемым газосепаратором 7.
Для создания необходимого напора установлен подкачивающий насос 3, объемный расход жидкой фазы замеряется датчиком расхода 13, а изменение подачи жидкой фазы регулируется дросселем 14.
По линии подачи газа 5 от источника газа в смесительное устройство 6 поступает газ. Линия подачи газа 5 выполнена с возможностью многовариантной подачи как воздуха, так и другого газа (азота, аргона, гелия и др.).
Для измерения расхода газа служит датчик расхода 18, дроссель 19 регулирует подачу газа в смесительное устройство 6. Для понижения давления газа из баллонов или газопровода до рабочего и для автоматического поддержания этого давления постоянным, независимо от изменения давления газа в баллоне или газопроводе, установлен редуктор 20. Давление замеряется манометром 21. Датчиком температуры 22 замеряется температура газовой фазы.
После смесительного устройства 6 установлен манометр 51, замеряющий давление перед входом в испытуемый газосепаратор 7.
Газожидкостная смесь (ГЖС) поступает в испытуемый газосепаратор 7, где происходит частичное отделение газа. Отделившийся газ отводится через выходные отверстия испытуемого газосепаратора 7 по линии отвода газа 8, а жидкость поступает в нагнетательную магистраль 10 стенда, где происходит определение расхода жидкой и газовой фаз в отсепарированном двухфазном потоке.
При открытом кране 40 и закрытом кране 41 двухфазный поток проходит через датчик измерения объемного расхода потока 24. В качестве прибора, измеряющего объемный расход смеси на выходе из газосепаратора, нами применялся турбинный датчик расхода.
Турбинный датчик расхода имеет вращающий элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. При проведении испытаний на ГЖС, проводимых в авиакосмической технике, были получены графики, показывающие, что показания турбинного датчика расхода на чистой жидкости и на ГЖС совпадают (Фиг.2). Из этого следует, что возможно применение турбинного датчика расхода и на стенде испытаний газосепараторов для определения подачи смеси на выходе газосепаратора.
Для устройства стенда может применяться и любой другой датчик измерения объемного расхода потока.
Датчики температуры 37 и показания манометров 38, 39 служат для определения структуры течения ГЖС.
Затем ГЖС поступает в сепарационный бак 23, после чего газ сбрасывается в атмосферу через кран 47, а жидкость поступает в насос 9 на нагнетательной магистрали 10. В качестве насоса 9 может использоваться секция погружного насоса, что расширяет целевые задачи стенда. Жидкость на выходе из насоса 9 поступает к датчику измерения объемного расхода потока 25, а затем через кран 50 в компенсационные баки 11 или накопительную емкость 1.
При открытом кране 41 и закрытом кране 40 двухфазный поток проходит через датчик измерения объемного расхода потока 28 и дроссельное устройство 29, которое создает сопротивление на данном участке трубопровода. Датчиком перепада давлений 42 замеряется перепад давлений на дроссельном устройстве. Датчики температуры 43 и показания манометров 44, 45 служат для определения структуры течения ГЖС.
Затем ГЖС поступает в сепарационный бак 23, после чего газ сбрасывается в атмосферу, а жидкость поступает в насос 9 на нагнетательной магистрали 10. Жидкость на выходе из насоса 9 поступает к датчику измерения объемного расхода потока 25, а затем в компенсационные баки 11 или накопительную емкость 1.
Возможен вариант, когда трубопроводы 48 и 49 расположены не параллельно, а последовательно.
ГЖС, выбрасываемая в линию отвода газа 8, проходит через сепарационный бак 32, где происходит отделение жидкой фазы от газовой и последующее удаление газа через кран 52 в атмосферу. Далее жидкость насосом 34 подается в накопительную емкость 1.
При проведении испытаний на модельной смеси вода-ПАВ-воздух (газ) приведенная выше последовательность проходит через бак 46 и систему 12 подвода в жидкость ПАВ.