НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ГАЗОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫ
PUMP STATION FOR PUMPING OF MULTI-COMPONENT GAS-CONTAINING MEDIUM

Изобретение относится к технике перекачивания углеводородов, а именно к насосным станциям для перекачивания многокомпонентных газожидкостных смесей, преимущественно продукции нефтяных скважин, и может быть использовано в нефтяной и нефтегазовой отраслях промышленности.
Известен способ перекачки продукции нефтяных скважин, включающий сепарацию многокомпонентной газосодержащей смеси перед поступлением в насосную станцию (Нефтепромысловое оборудование. Справочник. Под ред. Е.И.Бухаленко. - М.: Недра, 1990, стр.425).
Недостатками известного способа являются необходимость в полном удалении газа от жидкой фракции при сепарации (сложность процесса), а также потеря газа и отрицательные экологические последствия при его сжигании в факельной установке.
Известны различные технические решения для нагнетания газожидкостной смеси: насосные установки, содержащие дозировочный и дожимной поршневые насосы, соединенные между собой посредством трубопровода и клапана (а.с. СССР №1339297, опубл. 23.09.87; а.с. СССР №1585545, опубл. 15.08.90), насосные станции с предварительным разделением продукции нефтяных скважин перед станцией на нефть, воду и газ с последующим раздельным нагнетанием и смешением после станции (а.с. СССР №623049, опубл. 1978; а.с. СССР №653481, опубл. 1979, пат. РФ №2007659, опубл. 1994).
Недостатками известных технических решений являются сложность конструкции, низкая надежность в работе и высокая стоимость насосных станций, реализующих указанные технические решения.
Известна насосная станция для перекачивания многофазных смесей, содержащая установленный на трубопроводе винтовой насос (П.Е.Амосов и др. Винтовые компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1977, стр.13).
Указанная станция на основе винтового насоса проста по конструкции и в эксплуатации, надежна в работе, экономична (КПД до 75%). Однако при высоких газосодержаниях (60…100 об.%) и больших степенях повышения давления (5…10 раз и выше) ее КПД снижается до 20…30% и возникает недопустимо высокий перегрев винтового насоса из-за отсутствия жидкостного уплотнения и охлаждения в местах контакта винтов между собой и корпусом насоса.
Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому техническому результату является насосная станция для перекачки многокомпонентной газосодержащей смеси, содержащая, по крайней мере, один насос, например винтовой насос, установленный на трубопроводе, при этом вход насоса соединен магистралью с дополнительной емкостью зажижения, заполненной нефтеводяной смесью (патент RU 2239122 C2, опубл. 27.10.2004).
Основным недостатком указанной станции является то, что в емкости зажижения не контролируется уровень раздела газонефтяной и нефтеводяной фракций смеси, что может привести к перегреву насоса и выходу станции из строя при падении уровня ниже минимально обусловленного для надежной работы насоса и станции в целом.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении бесперебойного перекачивания скважинных жидкостей - сырой нефти, газового конденсата, потоков смешанных углеводородов, включающих нефть, воду, пар, газоконденсат, в том числе с газовыми и водяными пробками переменного объема, а также с примесями твердых дискретных частиц, и в повышении надежности и длительности работы насосной станции в экстремальных ситуациях с исключением перегрева и выхода из строя насосного оборудования.
Поставленная задача решается тем, что предложенная насосная станция для перекачивания многокомпонентной газосодержащей среды с переменным содержанием газа, согласно изобретению, содержит корпус, по меньшей мере, один, предпочтительно, винтовой насос; сообщенные с насосом по перекачиваемой среде подводящий и отводящий трубопроводы; емкость зажижения, заполняемую указанной многокомпонентной средой и/или водой; циркуляционный контур с замыкающей магистралью, подключенной на проток понизу к емкости зажижения и через подводящий трубопровод к насосу; блок управления и электрически связанные с ним не менее чем один установленный на замыкающей магистрали регулируемый электромагнитный клапан и размещенную у выхода из насоса термопару; при этом емкость зажижения соединена на проток с отводящим трубопроводом и выполнена в виде гидростатического сепаратора с корпусом, включающим расположенный в верхней части переменный газовый объем и расположенную под ним кубовую часть для жидкой среды, включающую два разных по назначению объема, один из которых - расходуемый переменного заполнения, а другой - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса в режиме перекачивания упомянутой среды с высоким содержанием газа, газовых пробок прогнозируемого объема и/или прогнозируемого времени работы в указанном режиме и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура и полной выработки среды зажижения из переменного объема указанной емкости, для чего корпус последнего наделен одним входным патрубком, двумя выходными патрубками, расположенными в стенке корпуса, и третьим - возвратным, размещенным в донной части корпуса и сообщенным с циркуляционным контуром, причем один из выходных патрубков расположен в верхней части корпуса, а другой - ниже первого на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов кубовой части емкости зажижения, кроме того, емкость зажижения снабжена с внутренней стороны элементом, экранирующим нижний выходной патрубок с сохранением протока через него и образованием ориентированного сверху вниз и продленного до придонной части емкости канала с герметичными стенками и открытыми торцами, по меньшей мере, через нижний из которых канал выполнен сообщающим емкость зажижения с нижним патрубком и далее с проточной магистралью с возможностью транспортирования жидкостной составляющей многокомпонентной среды при наличии ее в расходуемом объеме емкости зажижения выше нижней отметки проходного сечения, отделяющей его от расположенного ниже постоянного резервного объема кубовой части емкости зажижения.
Емкость зажижения может быть дополнительно подключена к внешнему источнику водоснабжения через дополнительный регулируемый электромагнитный клапан, электрически связанный с блоком управления через замедлитель исполнения команд на включение подачи в емкость зажижения воды до второго подъема температуры в насосе после срабатывания первого регулируемого электромагнитного клапана на включение охлаждения насоса через циркуляционный контур жидкостным компонентом многокомпонентной среды из емкости зажижения.
В циркуляционном контуре может быть установлен холодильник, а в верхней части емкости зажижения может быть расположен центробежный сепаратор.
По меньшей мере привод регулируемого клапана, установленного в циркуляционном контуре, может быть кинематически связан с поплавковым уровнемером, установленным внутри корпуса емкости зажижения, для чего указанный клапан размещен внутри указанной емкости, а его привод связан с поплавком посредством штока или кинематической пары «шток плюс штанга».
Емкость зажижения может быть оснащена расходомерами, установленными на выходных патрубках, подающих многокомпонентную среду в магистраль или отсепарированные газовый и жидкостный компоненты в раздельные трубопроводы, а также отдельный расходомер установлен на циркуляционном контуре.
Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции могут быть адаптированы к перекачиванию сырой нефти с переменным процентным содержанием газа с различной влажностью и газовых пробок.
Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции могут быть адаптированы к перекачиванию газового конденсата с переменным содержанием газа, варьируемым в широком диапазоне, достигающем 99%, а также с переменным содержанием жидкой углеводородной фазы, парообразной влаги и воды.
Насосное оборудование, обвязка и арматура станции могут быть адаптированы к перекачиванию многокомпонентной среды с включениями дискретных твердых частиц, не превышающих заданный допустимый размер, предусмотренный конструкцией насоса и с объемным содержанием до 15%.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в повышении надежности и длительности работы насосной станции за счет обеспечения бесперебойного охлаждения насоса в течение заданного периода времени, не менее требуемого для перекачивания максимальных из прогнозируемых по объему и времени перекачивания газовых пробок или сухого конденсата. Это достигается выверенной по высоте установкой патрубка для перекачивания жидкостного компонента смеси с сохранением в емкости зажижения резервного объема жидкостного компонента, по меньшей мере, до наступления экстремальной ситуации, что приводит к повышению КПД насоса и обеспечению бесперебойного перекачивания скважинных жидкостей в экстремальных ситуациях с исключением перегрева и выхода из строя насосного оборудования в период до полного израсходования жидкостного компонента из резервного объема емкости зажижения. Кроме того, введение в изобретении расположенного в емкости ориентированного сверху вниз канала, открытого с торцов и экранирующего от внутреннего объема емкости нижнего пристенного выходного патрубка, с сохранением циркуляционного поступления в него жидкого компонента через придонную часть резервного объема и нижнего торца канала с одновременным восстановительным замещением расхода жидкого компонента из переменного объема кубовой части емкости зажижения. Это исключает оседание и накапливание в придонной части емкости зажижения твердых и тяжелых неорганических и полимерных частиц и также повышает бесперебойную полезную работу системы транспорта многокомпонентной среды, не требуя ее сложного предварительного разделения на участке от скважины до нефте-, газоперерабатывающего предприятия.
п
р
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой показана функциональная схема предлагаемой насосной установки, где h - высота расходуемого объема переменного заполнения, Н - высота резервного объема.
Насосная станция для перекачивания многокомпонентной среды с переменным содержанием газа содержит корпус, по меньшей мере, один, предпочтительно, винтовой насос 1; сообщенные с насосом 1 по перекачиваемой среде подводящий и отводящий трубопроводы 2 и 3 соответственно; емкость 4 зажижения, заполняемую указанной многокомпонентной средой 5 и/или водой; циркуляционный контур 6 с замыкающей магистралью 7, подключенной на проток понизу к емкости 4 зажижения и через подводящий трубопровод 2 к насосу 1; блок управления 8 и электрически связанные с ним не менее чем один установленный на замыкающей магистрали 7 регулируемый электромагнитный клапан 9 и размещенную у выхода из насоса 1 термопару 10.
Емкость 4 зажижения соединена на проток с отводящим трубопроводом 3 и выполнена в виде гидростатического сепаратора с корпусом 11, включающим расположенный в верхней части переменный газовый объем 12 и расположенную под ним кубовую часть для жидкой среды. Кубовая часть включает два разных по назначению объема 13 и 14. Объем 13 - расходуемый переменного заполнения, а объем 14 - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса 1 в режиме перекачивания упомянутой среды с высоким содержанием газа, газовых пробок прогнозируемого объема и/или прогнозируемого времени работы в указанном режиме и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура 6 и полной выработки среды зажижения из переменного объема 13 указанной емкости 4. Корпус 11 емкости наделен одним входным патрубком 15, двумя выходными патрубками 16, 17, расположенными в стенке корпуса 11, и третьим патрубком 18 - возвратным, размещенным в донной части корпуса 11 и сообщенным с циркуляционным контуром 6. Выходной патрубок 16 расположен в верхней части корпуса 11, а патрубок 17 - ниже первого на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов 13 и 14 соответственно кубовой части емкости 4 зажижения.
Емкость 4 зажижения снабжена с внутренней стороны элементом, экранирующим нижний выходной патрубок 17 с сохранением протока через него и образованием ориентированного сверху вниз и продленного до придонной части емкости 4 канала 19 с герметичными стенками и открытыми торцами, по меньшей мере, через нижний из которых канал выполнен сообщающим емкость 4 зажижения с нижним патрубком 17 и далее с проточной магистралью с возможностью транспортирования жидкостной составляющей многокомпонентной среды при наличии ее в расходуемом объеме 13 емкости 4 зажижения выше нижней отметки проходного сечения, отделяющей его от расположенного ниже постоянного резервного объема 14 кубовой части емкости 4 зажижения.
Емкость 4 зажижения дополнительно подключена к внешнему источнику водоснабжения через дополнительный регулируемый электромагнитный клапан (на чертеже не показано), электрически связанный с блоком управления через замедлитель исполнения команд на включение подачи в емкость 4 зажижения воды до второго подъема температуры в насосе 1 после срабатывания первого регулируемого электромагнитного клапана 9 на включение охлаждения насоса 1 через циркуляционный контур 6 жидкостным компонентом многокомпонентной среды из емкости 4 зажижения.
В циркуляционном контуре 6 установлен холодильник, а в верхней части емкости 4 зажижения расположен центробежный сепаратор.
По меньшей мере привод регулируемого клапана 9, установленного в циркуляционном контуре 6, кинематически связан с поплавковым уровнемером, установленным внутри корпуса 11 емкости зажижения. Указанный клапан размещен внутри емкости 4, а его привод связан с поплавком посредством штока или кинематической пары «шток плюс штанга».
Емкость 4 зажижения оснащена расходомерами, установленными на выходных патрубках 16, 17, подающих многокомпонентную среду в магистраль или отсепарированные газовый и жидкостный компоненты в раздельные трубопроводы, а также отдельный расходомер установлен на циркуляционном контуре 6.
Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию сырой нефти с переменным процентным содержанием газа с различной влажностью и газовых пробок.
Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию газового конденсата с переменным содержанием газа, варьируемым в широком диапазоне, достигающем 99%, а также с переменным содержанием жидкой углеводородной фазы, парообразной влаги и воды.
Насосное оборудование, обвязка и арматура станции адаптированы к перекачиванию многокомпонентной среды с включениями дискретных твердых частиц, не превышающих заданный допустимый размер, предусмотренный конструкцией насоса и с объемным содержанием до 15 процентов.
Работа насосной станций осуществляется следующим образом.
При включении винтового насоса 1 происходит перекачка газонефтяной смеси по трубопроводу 2. На выходе из насоса 1 смесь попадает в емкость 4, в нижней части которой скапливается нефтеводяная фракция (смесь). В случае попадания на вход насоса 1 газовой или газонефтяной пробки с высоким (60…90 об.%) содержанием газа происходит нагрев смеси из-за адиабатического сжатия газа и снижения жидкостного охлаждения насоса 1. Этот нагрев регистрируется термопарой 10 на выходе из насоса 1 и приводит к срабатыванию электронного блока управления 8, электрический управляющий сигнал от которого подается на электромагнит 20 клапана 9. Клапан 9 срабатывает, при этом из емкости 4 водонефтяная смесь через патрубок 18 и открытый электромагнитный клапан 9 по магистрали 7 поступает на вход винтового насоса 1 с сохранением при этом в емкости зажижения резервного объема жидкостного компонента до исчерпания его в переменном объеме. При прохождении через трубопровод 2 газовых пробок объемом, превышающим максимально прогнозируемый, после исчерпания охлаждающего насос расходуемого объема 13 жидкостного компонента задействуется резервный объем 14 емкости 4. Это обеспечивает восстановление КПД насоса и устраняет его перегрев.
Вне экстремальной ситуации жидкостная смесь попадает в нижний пристенный патрубок 17 при высоком уровне жидкостного компонента в емкости 4 через торцы канала 19. После снижения уровня жидкостного компонента ниже верхнего торца канала 19 жидкостный компонент поступает в патрубок 17 исключительно из придонной части емкости 4 и нижний торец канала 19. При этом до исчерпания жидкостного компонента в расходуемом объеме 13 происходит непрерывное замещение расхода жидкостного компонента, подаваемого из резервного объема 14 в патрубок 17. Такой порядок перемещения жидкостного компонента предотвращает оседание в придонной части емкости 4 тяжелых дискретных частиц и обеспечивает их постоянное удаление вместе с потоком жидкостного компонента, направляемого через патрубок 17 во внешнюю магистраль.
Использование заявляемого изобретения позволяет снизить энергозатраты на перекачивание многокомпонентных нефтегазовых смесей насосными станциями по сравнению с известным способом, построенным на предварительном разделении добываемого углеводорода на фракции в известных установках.