АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ПЕРЕКАЧКИ И СЕПАРАЦИИ ПРОДУКЦИИ СКВАЖИН

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности, к внутрипромысловому сбору и транспортированию газожидкостной смеси продукции нефтяных скважин при однотрубном транспортировании на установку подготовки нефти центрального пункта сбора и подготовки нефти. Полезная модель может быть использована также и в других отраслях народного хозяйства для перекачки и транспортирования многофазных смесей.
Уровень техники
Известна система сбора и транспортирования продукции нефтяных скважин (патент РФ №2236639, Кл. F17D 1/00, дата публ. 20.09.2004 г.), содержащая линию доставки газожидкостной смеси, эжектор, содержащий сопло, приемную камеру, камеру смешения и диффузор, трубную сепарационную установку (трубный делитель фаз), которая содержит отвод газосодержащей продукции сепарации, связанный с напорным трубопроводом, и отвод газожидкостной продукции сепарации, связанный посредством байпасной линии с силовым блоком, включающий электроцентробежный насос, размещенный в обсадной трубе с заглушкой на нижнем конце, и закрепленный на насосно-компрессорной трубе (НКТ), полость которой гидравлически соединена через линейный отвод устьевого оборудования шурфа с входом в сопло эжектора, а вход в межтрубное пространство шурфа соединено посредством байпасной линии с отводом газожидкостной продукции от сепарационной установки, при этом диффузор эжектора гидравлически связан с входом в сепарационную установку.
Указанная система сбора и транспортирования продукции нефтяных скважин обеспечивает подачу газожидкостной смеси от скважин через автоматизированные групповые замерные установки на прием эжектора, далее на сепарационную установку, где происходит разделение смеси на газосодержащую и газожидкостную части. Газосодержащая часть отводится в напорный трубопровод в систему транспорта на установку предварительной подготовки нефти (УППН), а водонефтяная смесь - на прием электроцентробежного насоса, закрепленного на насосно-компрессорной трубе и силовой установки, размещенной в обсадной трубе шурфа. Водонефтяная смесь, являющаяся рабочей жидкостью, под давлением, развиваемым насосом, поступает через сопло в камеру эжектора, где происходи всасывание потока продукции скважин с низким давлением, смешение с рабочей жидкостью с высоким давлением, сжатие смеси до давления, необходимого для транспортирования продукции скважин в напорный трубопровод.
Признаки, являющиеся общими для известного и заявляемого технических решений, заключаются в наличии эжектора с сопловой частью, приемной камерой и выходным диффузором, сепарационной установки, шурфовой насосной установки с входящими в его состав погружным электродвигателем, электроцентробежным насосом и НКТ с устьевым оборудованием, а также гидравлических связей между указанными элементами установки.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается данной полезной моделью, заключается в том, что известная система не позволяет обеспечить надежность процесса при большом газовом факторе, а также не позволяет снизить энергопотребление установки и обеспечить надежность работы оборудования при реализации процесса перекачки продукции со скважин в транспортный трубопровод.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является система сбора и транспортирования газожидкостной смеси (патент РФ №2402715, кл. МПК F19D 1/00, F04F 5/54, дата публ. 27.10.2010), содержащая эжектор с сопловой частью, внутри которой концентрично расположена полая цилиндрическая трубка, приемной камерой, выходным диффузором, активный вход эжектора, образованный входом в центральный канал полой цилиндрической трубки и кольцевым входом между наружной боковой поверхностью полой цилиндрической трубки и внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора, пассивный вход эжектора, а также сепарационную установку отделения транспортируемой газожидкостной смеси и рабочей водонефтяной смеси из перекачиваемой жидкостно-газовой смеси продукции скважин, шурфовую насосную установку, размещенную в обсадной колонне шурфа, включающую электроцентробежный насос для перекачки рабочей водонефтяной смеси, погружной электродвигатель и НКТ с устьевым оборудованием, обеспечивающим герметичность шурфа, а также сеть трубопроводов, включающую трубопровод подачи жидкостно-газовой смеси перекачиваемой продукции скважин на пассивный вход эжектора; трубопровод для транспортирования газонасыщенного потока из потока продукции скважин во внутренний ступенчатый канал полой цилиндрической трубки активного входа эжектора; трубопровод для подвода рабочей водонефтяной смеси из шурфовой насосной установки в кольцевое сопло активного входа эжектора; трубопровод, соединяющий выходной диффузор эжектора с входом сепарационной установки; трубопровод подачи перекачиваемой продукции скважин из сепарационной установки в напорный трубопровод, а также трубопровод подачи рабочей водонефятной смеси в затрубное пространство шурфовой насосной установки из сепарационной установки.
Признаки известного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, заключаются в наличии эжектора с сопловой частью, внутри которой концентрично расположена полая ступенчатая цилиндрическая трубка, приемной камерой, активным и пассивным входами, выходным диффузором, а также в наличии сепарационной установки отделения транспортируемой газожидкостной смеси и рабочей водонефтяной смеси из перекачиваемой жидкостно-газовой смеси продукции скважин, а также в наличии шурфовой насосной установки, размещенной в обсадной колонне шурфа, включающей электроцентробежный насос для перекачки рабочей водонефтяной смеси, погружной электродвигатель и НКТ с устьевым оборудованием, которое обеспечивает герметичность шурфа, а также в наличии сети трубопроводов, включающих трубопровод подачи жидкостно-газовой смеси перекачиваемой продукции скважин в приемную камеру эжектора через пассивный вход эжектора; трубопровод для транспортирования газонасыщенного потока из потока продукции скважин во внутренний ступенчатый канал полой цилиндрической трубки активного входа эжектора; трубопровод для подвода рабочей водонефтяной смеси из шурфовой насосной установки в кольцевой канал активного входа эжектора, образованный наружной боковой поверхностью полой цилиндрической трубки и внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора; трубопровод, соединяющий выходной диффузор эжектора с входом сепарационной установки; трубопровод подачи перекачиваемой продукции скважин из сепарационной установки в напорный трубопровод, а также трубопровод подачи рабочей водонефятной смеси из сепарационной установки в затрубное пространство шурфовой насосной установки.
Причина, препятствующая получению технического результата в прототипе, заключается в том, при постоянной площади сечения проходного канала активного входа эжектора и постоянной потребляемой мощности погружного электродвигателя электроцентробежного насоса рабочей при перекачке водонефтяной смеси, шурфовая насосная установка потребляет максимальное количество электроэнергии независимо от объемов перекачиваемой продукции скважин, поступающей на установку, т.е. не обеспечивается зависимость: минимальный объем перекачиваемой газожидкостной продукции скважин - минимальная мощность, затрачиваемая шурфовой насосной установкой на ее перекачивание, максимальный объем перекачиваемой газожидкостной продукции скважин- максимальная мощность, затраченная установкой на ее перекачивание, что приводит к низкой энергоэффективности всей установки, а также преждевременному износу насосного оборудования, снижающему долговечность и надежность работы всей установки перекачки и сепарации продукции скважин.
Другой причиной, препятствующей получению технического результата, является возможность несанкционированного перетока транспортируемой продукции скважин из эжектора обратно в линию подвода продукции скважин к установке, либо из сепарационной установки - обратно в эжектор.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в снижении энергозатрат и повышении надежности работы установки при транспортировании продукции скважин.
Технический результат, достигаемый решением данной задачи, заключается в возможности регулирования мощности (частоты тока и числа оборотов) погружного электродвигателя и режима работы электроцентробежного насоса шурфовой насосной установки в зависимости от объема и давления перекачиваемой продукции скважин, поступающей на установку, а также в исключении несанкционированных обратных перетоков продукции скважин при транспортировании ее в напорный трубопровод.
Достигается технический результат тем, что автоматизированная установка перекачки и сепарации продукции скважин, содержит эжектор с сопловой частью, внутри которой концентрично расположена полая ступенчатая цилиндрическая трубка, приемной камерой, выходным диффузором, активный вход эжектора, образованный входом в центральный канал полой цилиндрической трубки и кольцевым входом между наружной боковой поверхностью полой ступенчатой цилиндрической трубки и внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора, пассивный вход эжектора гидравлически связан с линией подвода перекачиваемой продукции скважин, центральный канал полой ступенчатой цилиндрической трубки активного входа эжектора гидравлически связан с патрубком отвода газонасыщенного потока линии подвода продукции скважин, а кольцевой канал активного входа эжектора гидравлически связан с выходом из шурфовой насосной установки, при этом выход эжектора через выходной диффузор гидравлически связан с входом сепарационной установки;
- сепарационную установку, вход которой гидравлически связан с выходным диффузором эжектора, один из ее выходов гидравлически связан с линией транспортирования перекачиваемой продукции скважин в транспортный напорный трубопровод, а другой выход сепарационной установки гидравлически связан с входом в межтрубное пространство шурфа, образованное внутренней поверхностью обсадной колонны и наружной боковой поверхностью шурфовой насосной установки,
- шурфовую насосную установку, герметичность которой обеспечивается устьевым оборудованием, включающую установленные в шурфе погружной электродвигатель (ПЭД), электроцентробежный насос (ЭЦН) и насосно-компрессорную трубу (НКТ), при этом вход в шурфовую насосную установку гидравлически связан через межтрубное пространство шурфа с выходом сепарационной установки, а выход шурфовой насосной установки гидравлически связан с кольцевым каналом активного входа эжектора,
- трубопровод, соединяющий линию подвода продукции скважин с пассивным входом эжектора; трубопровод, соединяющий патрубок отвода газонасыщенного потока линии подвода продукции скважин с внутренним центральный канал полой ступенчатой цилиндрической трубки активного входа эжектора; трубопровод, соединяющий выход из шурфовой насосной станции с кольцевым каналом активного входа эжектора,
- станцию управления погружным электродвигателем силовой насосной установки, соединенную с датчиком давления,
- датчик давления, установленный на трубопроводе, соединяющем линию подвода перекачиваемой продукции скважин с пассивным входом эжектора;
- узел регулировки давления.
Новые признаки заявляемой полезной модели заключаются в том, что установка дополнительно включает датчик давления, подключенный к частотному преобразователю станции управления шурфовой насосной установки, установленный на трубопроводе, соединяющем пассивный вход эжектора с линией подвода перекачиваемой продукции скважин, при этом внутри сопловой части эжектора размещен узел регулировки давления, включающий сопловой неподвижный элемент, выполненный в форме полого ступенчатого цилиндра с уменьшающимся в сторону пассивного входа эжектора диаметрами центрального канала и наружной боковой поверхности, переходящего со стороны пассивного входа эжектора в форму полого усеченного конуса с центральным отверстием, а также узел регулировки давления включает сопловой подвижный элемент, имеющий форму полого ступенчатого цилиндра с уменьшающимся в сторону пассивного входа эжектора диаметрами центрального канала и наружной боковой поверхности, установленный концентрично с зазором внутри неподвижного соплового элемента, и сопловой наконечник, жестко соединенный с боковой наружной поверхностью минимального диаметра соплового подвижного элемента, с уменьшающимися в сторону пассивного входа эжектора диаметрами внутреннего ступенчатого цилиндрического центрального канала и наружной боковой поверхности, при этом минимальный наружный диаметр соплового наконечника соответствует диаметру центрального канала выходного отверстия конической части неподвижного соплового элемента, а минимальный диаметр внутреннего канала соплового наконечника превышает минимальный наружный диаметр боковой поверхности полой ступенчатой цилиндрической трубки, при этом узел регулировки давления включает также пружину сжатия, установленную концентрично на наружной боковой поверхности подвижного соплового элемента таким образом, что с одной стороны она упирается в торцевой выступ соплового подвижного элемента, а с другой стороны - в выступ соплового неподвижного элемента, обеспечивая возвратные линейные перемещения соплового подвижного элемента и соплового наконечника.
Новыми признаками заявляемой полезной модели является также то, что на трубопроводе подвода перекачиваемой продукции на пассивный вход эжектора и на трубопроводе, соединяющем выход эжектора и вход сепарационной установки, установлены обратные клапана.
Перечисленные выше отличительные признаки в совокупности позволяют осуществить автоматизацию процесса перекачивания и сепарации продукции скважин с требуемым давлением транспортирования, существенно снизить энергозатраты, повысить ресурс работы шурфовой насосной установки, и повысить надежность работы всей установки, т.е. являются существенными.
Краткое описание чертежей
На прилагаемой Фиг.1 показана функциональная схема автоматизированной установки перекачки и сепарации продукции скважин. На Фиг.2 приведена принципиальная схема расположения элементов узла регулировки давления, размещенного в сопловой части эжектора, в случае подачи продукции скважин с низким давлением на пассивный вход эжектора, на Фиг.3 - расположение элементов узла регулировки давления, расположенного в сопловой части эжектора, в случае подачи продукции скважин на пассивный вход эжектора с давлением, выше допустимого для транспортирования.
Осуществление полезной модели
Автоматизированная установка перекачки и сепарации продукции скважин содержит трубопровод 1, соединяющий линию подвода перекачиваемой сепарируемой продукции скважин с пассивным входом 2 эжектора 3. Для предотвращения перетока продукции скважин из эжектора 3 обратно в трубопровод 1, перед пассивным входом 2 установлен обратный клапан 4. Посредством трубопровода 5 с установленным на нем обратным клапаном 6, препятствующим перетоку транспортируемой смеси обратно в эжектор 3, выходной диффузор эжектора 3 связан с входом сепарационной установки 7. Выход 8 сепарационной установки 7 гидравлически связан с линией транспортирования частично отсепарированной перекачиваемой продукции скважин в транспортный напорный трубопровод. Другой выход 9 сепарационной установки 7 посредством трубопровода 10 связан со входом в межтрубное пространство шурфа 11, образованное внутренней поверхностью обсадной колонны и наружной поверхностью шурфовой насосной установки, включающей последовательно соединенные снизу вверх погружной электродвигатель (ПЭД) 12, электроцентробежный насос (ЭЦН) 13 и насосно-компрессорную трубу (НКТ) 14, выход из которой, через устьевое оборудование шурфа 11, гидравлически, посредством трубопровода 15, связан с кольцевым каналом 16 активного входа эжектора 3, образованного наружной боковой поверхностью полой ступенчатой цилиндрической трубки 17, размещенной концентрично вдоль центральной оси внутри сопловой части эжектора 3, и внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора 3. Трубопровод 18 соединяет патрубок подвода газонасыщенного потока, отделенного от потока продукции со скважин, с внутренним каналом полой ступенчатой цилиндрической трубки 17 активного входа эжектора 3.
В сопловой части эжектора 3 размещен узел регулирования давления, включающий сопловой неподвижный элемент 19, сопловой подвижный элемент 20 с жестко соединенным с ним сопловым наконечником 21, и пружину сжатия 22, установленные концентрично вдоль центральной оси между боковой наружной поверхности полой ступенчатой цилиндрической трубки 17 и внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора 3.
Сопловой неподвижный элемент 19, выполненный в форме полого ступенчатого цилиндра с уменьшающимся в сторону пассивного входа 2 диаметром центрального канала и переходящего со стороны пассивного входа 2 в форму полого усеченного конуса с центральным сквозным каналом, установлен концентрично полой ступенчатой цилиндрической трубке 17 и жестко соединен своей наружной боковой поверхностью с внутренней боковой поверхностью сопловой части эжектора 3.
Сопловой подвижный элемент 20, установленный концентрично полой ступенчатой цилиндрической трубке 17 внутри полого неподвижного элемента 19, имеет форму полого ступенчатого цилиндра с уменьшающимся в сторону пассивного входа 2 эжектора 3 диаметрами наружной боковой поверхности и центрального канала. Сопловой подвижный элемент 20 жестко соединен с сопловым наконечником 21, с уменьшающимися в сторону пассивного входа 2 эжектора 3 диаметрами внутреннего ступенчатого цилиндрического центрального канала и наружной боковой поверхности. Минимальный наружный диаметр боковой наружной поверхности наконечника 21 соответствует диаметру центрального канала выходного отверстия конической части соплового неподвижного элемента 19, а минимальный внутренний диаметр соплового наконечника 21 превышает минимальный наружный диаметр полой ступенчатой цилиндрической трубки 17 с образованием небольшого кольцевого зазора в исходном состоянии.
На боковой наружной поверхности соплового подвижного элемента 20 концентрично установлена пружина сжатия 22 таким образом, что с одной стороны упирается в торцевой выступ соплового подвижного элемента 20 (на рисунке не показано), а с другой стороны - в выступ соплового неподвижного элемента 19, обеспечивая линейные возвратные движения соплового подвижного элемента 20 и соплового наконечника 21 вдоль направления движения двух потоков, один из которых поступает во внутренний канал полой цилиндрической трубки 17 активного входа эжектора 3 по трубопроводу 18, а другой - в кольцевой канал 16 активного входа эжектора 3 по трубопроводу 15.
На трубопроводе 1, соединяющем линию подвода перекачиваемой продукции скважин с пассивным входом 2 эжектора 3, установлен датчик давления 23, соединенный со станцией управления 24 погружного электродвигателя 12 шурфовой насосной установки, а также обратный клапан 4, препятствующий обратному перетоку транспортируемой смеси из эжектора обратно в линию подвода продукции скважин.
Работа автоматизированной установки для перекачки и сепарации продукции скважин заключается в следующем.
Перед входом в эжектор 3, перекачиваемая продукция скважин разделяется на два потока: первый поток, состоящий в основном из нефти и пластовой воды, поступает по трубопроводу 1 на пассивный вход 2 эжектора 3. Второй поток, состоящий в основном из газа (газонасыщенный поток), через патрубок от линии подвода продукции скважин по трубопроводу 18 поступает во внутренний канал полой ступенчатой цилиндрической трубки 17 активного входа эжектора 3.
Информация о параметрах потока продукции скважин, в частности, величина давления потока, проходящего по трубопроводу 1 на пассивный вход 2 эжектора 3, считывается датчиком давления 23, установленным на трубопроводе 1, и передается на станцию управления 24 погружным электродвигателем 12 шурфовой насосной установки, размещенной в шурфе 11. После обработки полученных данных, частотный преобразователь станции управления 24 настраивается на минимальную расчетную частоту тока, при которой ПЭД 12 шурфовой насосной установки потребляет минимальное количество электроэнергии для обеспечения оптимального режима работы электроцентробежного насоса 13.
Рабочая водонефтяная смесь, через НКТ 14, с большой скоростью поступает по трубопроводу 15 из шурфовой насосной установки в кольцевой канал 16 активного входа эжектора 3, образует кольцевую струю на выходе из сопловой части и создает разрежение внутри эжектора 3, при этом внутренняя поверхность кольцевой струи эжектирует газовый поток, поступающий из трубки 17, а наружная поверхность кольцевой струи рабочей водонефтяной смеси, выходящей из кольцевого канала эжектора 3, за счет высокой скорости и образовавшегося разряжения эжектирует (втягивает в себя) поток продукции скважин, поступающий через пассивный вход 2. Далее, в расширяющемся выходном диффузоре эжектора 3, скорость потока, состоящего из рабочей водонефтяной смеси, газонасыщенного потока и потока продукции скважин, уменьшается, давление возрастает и поток выталкивается далее из эжектора 3, через обратный клапан 6 в трубопровод 5 по направлению к входу сепарационной установки 7 уже с повышенным давлением, необходимым для транспортирования в напорный трубопровод.
После прохождения сепарационной установки 7, часть отсепарированной перекачиваемой продукции скважин под давлением, необходимым для транспортирования, направляется по трубопроводу 5 в напорный транспортный трубопровод 8, а другая часть потока, отсепарированная от газа, в виде рабочей водонефтяной смеси, через выход 9 сепарационной установки 7 по трубопроводу 10 направляется в межтрубное пространство шурфа 11 с расположенной в ней шурфовой насосной установкой. Из межтрубного пространства шурфа 11, герметичность которого обеспечивается скважинным устьевым оборудованием, рабочая водонефтяная смесь поступает на прием ЭЦН 13, и далее под высоким давлением, по внутреннему каналу НКТ 14 и трубопроводу 15 поступает в кольцевой канал 16 активного входа эжектора 3. Далее процесс повторяется.
Так, в действующей в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» автоматизированной установке перекачки и сепарации продукции скважин, в нормальном режиме, рабочая водонефтяная смесь с высоким давлением, например, 8,0-18,0 МПа, поступив через кольцевой канал 16 активного входа в эжектор 3, эжектирует (втягивает в себя) жидкостно-газовый поток продукции скважин с низким давлением, например, 0,1-1,2 МПа, поступающий по трубопроводу 1 через пассивный вход 2 эжектора 3, а также одновременно эжектирует газонасыщенный поток с низким давлением, например 0,1-1,2 МПа, поступающий через внутренний канал полой ступенчатой цилиндрической трубки 17 по трубопроводу 18. Обратный клапан 4 препятствует перетоку смеси потоков с большим давлением обратно в транспортный трубопровод 1. После этого, смесь потоков под давлением порядка 2-4 МПа, необходимым для перекачки и сепарации, транспортируется через выходной диффузор эжектора 3 в сепарационную установку 7, при этом обратный клапан 6 препятствует обратному перетоку смеси в случае, если давление в сепарационной установке 7 несанкционированно превысит давление в эжекторе 3. При заданном расчетном значении объема и давления перекачиваемой жидкостно-газовой смеси, ПЭД 12 шурфовой насосной установки работает с первоначально заданной минимальной мощностью (на минимальных оборотах и частоте тока), обеспечивая необходимое давление транспортирования перекачиваемой продукции скважин. При этом элементы узла регулировки давления, включающего неподвижный сопловой элемент 19, подвижный сопловой элемент 20 с наконечником 21 и пружина 22 находятся в первоначальном исходном положении.
При несанкционированном скачке давления в линии подвода перекачиваемой жикостно-газовой смеси продукции скважин, которое может привести, например, к порывам трубопровода, повышается также и давление трубопроводе 1. В этом случае сигнал на увеличение частоты тока с датчика давления 23 поступает в частотный преобразователь станции управления 24, что приводит к увеличению числа оборотов двигателя 12, а следовательно, и к увеличению мощности ЭЦН 13.
В результате этого, поток рабочей водонефтяной смеси из шурфовой насосной установки направляется в трубопровод 15 с повышенным, относительно первоначального, давлением, и, поступив в кольцевой канал 16 активного входа эжектора 3, воздействует на узел регулировки давления таким образом, что превысив усилие сжатия пружины 22, сдвигает по направлению движения потоков, поступающих через активный вход эжектора 3, сопловой подвижный элемент 20 и жестко соединенный с ним сопловой наконечник 21. В результате этого, площадь кольцевого проходного сечения между внутренней боковой поверхностью соплового наконечника 21 и наружной боковой поверхностью полой цилиндрической трубки 17 увеличивается, позволяя увеличить объем проходящей в зазор рабочей водонефтяной смеси, и соответственно увеличить объем эжектируемой перекачиваемой продукции скважин, поступающей через пассивный вход 2 эжектора 3, что и приводит к снижению давления в трубопроводе 1 подачи продукции скважин. После получения сигнала с датчика давления 23 в частотный преобразователь станции управления 24 о снижении давления в трубопроводе 1, снижается частота тока, уменьшается число оборотов вала погружного электродвигателя 12, что приводит к снижению производительности насоса 13 шурфовой насосной установки, а следовательно, к падению давления трубопроводе 15.
После снижения давления в трубопроводе 15, подводящем рабочий водонефтяной поток в кольцевой канал 16 активного входа эжектора 3, пружина 22 разжимается, возвращая сопловой подвижный элемент 20 с наконечником 21 в исходное положение, при этом площадь кольцевого проходного сечения между внутренней боковой поверхностью соплового наконечника 21 и наружной боковой поверхностью полой цилиндрической трубки 17 приводится к первоначальной величине. Процесс перекачки и сепарации продукции скважин в напорный трубопровод повторяется.
Предлагаемая полезная модель реализована с положительным результатом в цехе добычи нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».