МНОГОКАСКАДНЫЙ ПОГРУЖНОЙ СЕПАРАТОР ВОДА-НЕФТЬ
MULTISTAGE SUBMERSIBLE WATER-OIL SEPARATOR

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при добыче нефти из высокообводненных скважин, без подъема воды на поверхность.
Широко распространены технологии добычи пластовой жидкости с помощью центробежных нефтяных насосов, при реализации которых на поверхность поднимается вся пластовая жидкость, а нефть от воды отделяется на поверхности. Недостатком подобных технологий являются большие энергетические, а следовательно, и денежные затраты, связанные с подъемом на поверхность воды, ее очисткой и последующей закачкой в пласт через системы поддержания пластового давления.
Поэтому представляется разумным применять установки, имеющие в своем составе внутрискважинные сепараторы вода - нефть, осуществляющие очистку и раздельную перекачку очищенных компонентов (нефть - на поверхность, а воду - в водоносный пласт), минуя стадию подъема фракций, ненужных на поверхности.
Аналогом подобной системы может служить погружное однокаскадное устройство, содержащее сепаратор с впускным отверстием для скважинного флюида и выпускными каналами для нефти, воды и твердых частиц [патент RU 2531984, Е21В 43/38, опубл. 27.10.2014, Бюл. №30].
В указанном устройстве эффективность трехфазной сепарации регулируют с помощью ограничителя потока (штуцера) в линии, по которой отводятся отсепарированные частицы, что приводит к потерям энергии и снижению КПД системы в целом. Кроме того, такие регулировки являются достаточно грубыми и не могут обеспечить высокую степень очистки воды, закачиваемой в пласт.
В соответствии с отраслевыми стандартами принято, чтобы допустимое содержание нефти в очищенной воде не превышало 3-5 мг/л. Для достижения такой высокой степени очистки в поверхностных погружных системах используют многокаскадные сепараторы: общий поток флюида разбивается на струйки, в каждой из которых реализуется многоступенчатая сепарация.
Этот принцип лежит в основе прототипа заявляемого изобретения, погружного многоступенчатого сепаратора 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 сепараторов от механических примесей. Кроме того, не оптимизировано количество каскадов сепараторов и потоков в каждом каскаде для достижения заданной степени очистки воды.
Задачей настоящего изобретения является создание погружного абразивостойкого многокаскадного сепаратора нефть - вода, обеспечивающего заданную степень очистки воды от нефти и механических примесей за счет оптимального подбора числа параллельно и последовательно включенных сепараторов.
Указанный технический результат достигается тем, что в многокаскадном погружном сепараторе вода-нефть, представляющем собой каскад последовательных гидравлически связанных ступеней сепараторов, каждая из ступеней состоит из параллельно включенных сепараторов с выходами для нефти, объединенными в общую для всех сепараторов выкидную линию при помощи устройства регулирования давления, и с выходами для воды, соединенными с входами соответствующей последующей ступени сепараторов, согласно изобретению на первой ступени сепарации установлены сепараторы, отделяющие механические примеси от основного потока в отдельный канал, после них размещены сепараторы для разделения нефти и воды, причем каждый из сепараторов снабжен разделительным устройством и сепарационным шнеком переменного шага, лопасти которого образуют с осью вращения в меридиональном сечении постоянный или монотонно уменьшающийся угол в диапазоне от 90 до 30°, при этом число ступеней в каскаде рассчитано по следующей итерационной формуле:
кр
H
B
где i - номер ступени сепарации,- концентрация нефти в воде на выходе из (i-1)-й ступени сепарации, причем - концентрация нефти в воде во входном потоке,  - концентрация нефти в воде на выходе из i-й ступени сепарации, С - допустимая концентрация нефти в очищенной воде, K, K - коэффициенты сепарации по нефти и воде единичного сепаратора.
Смесь воды, нефти и механических примесей разделяется на точно определяемое число потоков, в каждом из которых сепарация осуществляется на точно определяемом числе каскадов. Сепарация осуществляется в два этапа. На первом этапе входящая смесь разделяется на механические примеси с небольшим количеством воды (перекачивается на поверхность) и водонефтяную смесь, передаваемую на дальнейшую сепарацию. На втором - сепарируется водонефтяная смесь (вода закачивается в пласт, нефть - на поверхность).
H
B
Разделение смеси на параллельные потоки уменьшает подачу смеси на входе в сепаратор, что приводит к увеличению коэффициента сепарации единичного сепаратора. Поэтому для каждого сепаратора определяется максимальная подача, при которой коэффициенты сепарации K и K будут не менее допустимой величины (например, 0.8÷0.9).
Центробежные сепараторы вода-нефть оснащены сепарационным шнеком износостойкой конструкции и разделительным устройством, выполняющим также функцию регулирования давления в выкидном канале для нефти. Разделительное устройство представляет собой цилиндрический стакан диаметра D, отделяющий периферийную часть потока от внутренней его части и перенаправляющий с помощью системы каналов внутренний поток к выходу для нефти, а внешний - к выходу для воды. Величина диаметра D определяет величину коэффициента сепарации воды в конкретном сепараторе, а также долю от общего потока, перекачиваемую на поверхность и в пласт. Чем больше стадий очистки проходит вода, тем меньше становится диаметр D стакана разделительного устройства. Поскольку выходы для нефти на разных ступенях сепарации объединяются в общий канал для перекачивания флюида на поверхность, необходимо обеспечить одинаковое давление на выходе из всех блоков, чтобы при слиянии струек не возникало возвратных течений. Уменьшение диаметра отводящих каналов разделителя на каждой из ступеней сепарации позволяет регулировать давление в потоке нефти перед объединением отдельных потоков в общий выкидной канал. Также объединение потоков с разным давлением в один поток может быть выполнено с помощью струйного насоса.
Абразивная стойкость центробежных сепараторов обеспечивается конструкцией сепарационного шнека, представляющего собой шнек переменного шага, лопасти которого образуют с осью вращения в меридиональном сечении постоянный или монотонно уменьшающийся угол в диапазоне от 90 до 30°. В такой конструкции при радиальном перемещении от центра к периферии под действием центробежных сил частицы абразива в первую очередь упираются в поверхность лопасти, и их дальнейшее движение к корпусу замедляется за счет трения о лопасть.
Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой устройства, приведенной на фиг. 1, и эскизом абразивостойкого шнека на фиг. 2.
Многокаскадный погружной сепаратор (фиг. 1) представляет собой каскад последовательных гидравлически связанных ступеней сепараторов. Первая серия ступеней I состоит из параллельно включенных центробежных сепараторов 1, основным элементом которых является шнек (фиг. 2) износостойкой конструкции, имеющий переменный шаг спиральной лопасти 14 с изменяющимся углом наклона α к втулке 13 и отделяющий частицы механических примесей от основного потока, и разделительное устройство 7. Каждый из сепараторов 1 имеет вход 2 для скважинной жидкости и два выхода: выход для твердых частиц 3 с периферии шнека и выход для очищенного потока 4 - из центральной его части. Выходы для частиц 3 всех сепараторов первой серии ступеней объединены в общий выкидной канал 5, выходы для очищенного потока 4 соединены с соответствующими входами ниже расположенных сепараторов 6 второй серии ступеней II. Следует отметить, что первая серия ступеней сепарации I может быть выполнена многокаскадной для достижения заданной степени очистки жидкости от механических примесей.
Каждый из сепараторов 6 ступеней серии II имеет вход для потока 8 и два выхода - для очищенной воды 9 с периферии шнека, и нефти 10 - из центральной его части. Выходы для нефти 10 всех сепараторов 6 после ступеней серии II объединены в общий выкидной канал 11. Выходы для воды 9 соединены с соответствующими входами сепараторов нижерасположенной ступени, выходы для воды сепараторов последней ступени объединены в общую линию для закачки в пласт 12.
Центробежные сепараторы 6 оснащены сепарационным шнеком износостойкой конструкции (фиг. 2) и разделительным устройством 7, выполняющим также функцию регулирования давления в выкидном канале для нефти. Разделительное устройство 7 представляет собой цилиндрический стакан диаметра D, отделяющий периферийную часть потока от внутренней его части и перенаправляющий с помощью системы каналов внутренний поток к выходу 10, а внешний - к выходу 9. Величина диаметра D определяет величину коэффициента сепарации воды в конкретном сепараторе, а также долю от общего потока, перекачиваемую на поверхность и в пласт. Уменьшение диаметра отводящих каналов разделителя на каждой из ступеней сепарации серии II, кроме того, позволяет регулировать давление в потоке нефти на выходе 10 перед объединением отдельных потоков в общий выкидной канал 11. В выкидном канале 11 может быть дополнительно установлен струйный насос 13, предназначенный также для объединения потоков с разным давлением в один поток.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Входной поток, представляющий собой смесь нефти, воды и частиц механических примесей, разделяется на струйки, каждая из которых подается через вход 2 на сепараторы 1 первой ступени I. Разделение потока на жидкость и твердые частицы происходит в поле центробежных сил, создаваемом вращающимся шнеком (фиг. 2), лопасти которого 14 образуют с втулкой 13 монотонно уменьшающийся по ходу потока угол, т.е. наклонены к втулке тем сильнее, чем больше осевое расстояние от входа потока в шнек. Таким образом, чем дольше твердая частица находится во вращающемся поле, тем сильнее она отжимается к периферии, но и тем сложнее ей добраться до поверхности корпуса и ударить в нее из-за препятствия в виде наклонной лопасти. Поток с периферии шнека с повышенной концентрацией абразивных частиц (пунктирная линия) направляется через выходы 3 в общий выкидной канал 5, а потоки из центральной части сепараторов 1, проходя через внутренний канал разделителя 7 и попадая на выкиды 4, направляются на соответствующие входы 8 сепараторов ступеней серии II. В каждом из центробежных сепараторов 6 серии II происходит отделение нефти от воды, причем нефть, как более легкая фракция, концентрируется вблизи втулки 13 сепарационного шнека, а вода - на периферии шнека. С помощью разделительного устройства 7 периферийный поток воды направляется к выходу 9 и, далее, поступает на вход 8 следующей ступени серии II, в то время как поток нефти из центральной части сепаратора через внутренний канал разделителя 7 поступает через выход 10 в общий выкидной канал для нефти 11 и удаляется из системы на поверхность. В варианте исполнения, где в качестве устройства регулирования давления используют струйный насос 13, поток нефти с выхода 10 последней ступени сепараторов серии II, имеющий наибольшее давление, направляют в качестве активной среды в сопло струйного насоса 13, потоки нефти с выходов 10 вышерасположенных ступеней серии II направляют в приемную камеру струйного насоса 13 в качестве пассивной среды. В камере смешения струйного насоса происходит объединение активного и пассивного потоков в один. Далее объединенный поток по каналу 11 поднимается на поверхность.
Вода проходит многократную очистку в ступенях сепарации серии II до достижения заданной степени чистоты, причем количество ступеней на стадии II определяется по вышеприведенной итерационной формуле. Очищенная на последней ступени вода через выходы 9 поступает в объединенный канал 12 и закачивается в водоносный пласт.