ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОРНЫЙ ФИЛЬТР, ДОЖИМНАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ROTARY SEPARATION FILTER, BOOSTER PUMP STATION AND ITS OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к эксплуатации дожимных насосных станций на нефтяных месторождениях, а именно к улучшенным центробежным сепараторным фильтрам, дожимным насосным станциям с такими фильтрами и способам эксплуатации таких станций.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, на отдаленных нефтяных месторождениях применяют дожимные насосные станции (ДНС). Необходимость применения ДНС обусловлена тем, что зачастую на таких месторождениях энергии нефтегазоносного пласта недостаточно для транспортировки нефтегазовой смеси до установки предварительного сброса воды, предназначенной для отделения от нефти пластовой воды и попутного газа, а также подогрева нефти и приращения удельной энергии потока добываемой нефти до следующей системы подготовки нефти.
Оборудование ДНС, прежде всего насосы, сообщает нефти дополнительное давление, необходимое для транспортирования в направлении высоконапорных участков через системы сбора и подготовки. Дожимные насосные станции выполняют также функции сепарации нефти от прорывающихся из пласта и призабойной зоны собственных частиц, механических примесей, шлама, мелкокристаллической взвеси, продуктов коррозии и других твердых частиц, которые извлекаются потоком к устью скважин и попадают в систему нефтегазосбора, создавая там серьезные проблемы.
Важнейшим фактором эффективной эксплуатации насосов на ДНС является качество продукции скважин. Это тем более важно, что стоимость используемого оборудования (его капитальный ремонт, обслуживание) очень высока. В связи с выносом из пласта большого количества различных частиц на решетках ранее применяемых фильтров возникали пробки, вредно влияющие на дальнейшее движение текучей среды. При увеличении размеров отверстий в решетке фильтра происходило засорение рабочих органов насоса ДНС с последующим выходом из строя. В противном случае наблюдался рост рабочего давления на приеме фильтра и некатегорийный отказ (прорыв) трубопровода.
В связи с вышеобозначенными причинами нашли широкое применение различные фильтры-сепараторы, работа которых основана на центробежном принципе, когда текучая среда, подлежащая очистке, подается в цилиндрический или конусообразный корпус, и из-за различной плотности загрязняющих частиц и текучей среды происходит их разделение под действием центробежных сил.
Так, известен центробежный фильтр-сепаратор (RU 129414, опубл. 27.06.2013, МПК B01D 45/12, В04С 5/00), характеризующийся тем, что он включает вертикальный цилиндрический корпус с верхней крышкой и нижним коническим днищем, образующими внутреннюю полость фильтра-сепаратора, линию тангенциального ввода очищаемой жидкости во внутреннюю полость, подсоединенную к корпусу вблизи с верхней крышкой; патрубки вывода очищенной жидкости и осадка; центральную отводящую трубу с закрытым заглушкой нижним торцом, размещенную в центре соосно с корпусом, проходящую через верхнюю крышку и имеющую в нижней части в стенке трубы отверстия, примыкающие к заглушке, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен соосными с корпусом верхней и нижней цилиндрическими вставками, причем нижняя вставка имеет диаметр больше, чем верхняя; верхняя вставка размещена ниже места тангенциального ввода очищаемой жидкости и образует с центральной отводящей грубой внутренний кольцевой зазор, а со стенкой корпуса - наружный кольцевой зазор; верхняя цилиндрическая вставка соединена с корпусом сплошной кольцевой диафрагмой, размещенной между верхним и нижним торцами этой вставки; снаружи корпуса с примыканием к нему на уровне размещения диафрагмы установлен кольцевой приемник осадка, сообщенный отверстиями с внутренней полостью корпуса над диафрагмой и имеющий по крайней мере один патрубок для отвода осадка; верхний торец нижней цилиндрической вставки расположен в наружном кольцевом зазоре ниже диафрагмы, а ее нижний торец размещен ниже нижнего торца верхней цилиндрической вставки и соединен с большим основанием дополнительной вставки в виде усеченного конуса, меньшее основание которой подсоединено к заглушке центральной отводящей трубы; нижнее коническое днище снабжено патрубком вывода очищенной жидкости.
Недостатком известного фильтр-сепаратора является недостаточная фильтрационная способность устройства, т.к. удаленные частицы отводятся по центральной отводящей трубе в направлении от закрытого заглушкой нижнего торца к верхней крышке, тогда как отведение очищенной текучей среды происходит через внутренний кольцевой зазор, расположенный выше по потоку текучей среды от нижнего торца центральной отводящей трубы, а значит, не все частицы попадают в центральную отводящую трубу.
Также из уровня техники известны центробежные газожидкостные сепараторные фильтры, описанные в патентах RU 2290252 (опубл. 27.12.2006, МПК B01D 45/12), RU 2290984 (опубл. 10.01.2007, МПК B01D 45/12), RU 2295999 (опубл. 27.03.2007, МПК B01D 45/12), первый из которых выбран в качестве наиболее близкого аналога для заявляемого центробежного сепараторного фильтра.
Общим недостатком известных центробежных сепараторных фильтров является недостаточная фильтрационная способность устройства, т.к. не учитываются различия в характеристик частиц, подлежащих отделению, и, в частности, то, что более легкие по массе и мелкие по поперечному размеру частицы не могут быть достаточно эффективно отфильтрованы, а следовательно, могут попасть с общим потоком текучей среды на выпуск фильтра. Более того, осевая труба выбранного в качестве прототипа фильтра выполнена в виде набора перфорированных патрубков, нижняя часть которых телескопически вставлена в верхнюю часть другого перфорированного патрубка с возможностью ограниченного раздвижения. А значит, в ходе эксплуатации фильтра возможно изменение его фильтрующей способности за счет перемещения перфорированных патрубков друг относительно друга, что может негативно сказаться на способности фильтра пропускать частицы одного размера и задерживать частицы другого размера. Кроме того, при внезапном изменении положения перфорированного патрубка может быть нарушена стабильность потока текучей среды, а в случае срыва потока могут образовываться локальные завихрения, препятствующие надлежащей фильтрации частиц.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения задачи преодоления вышеуказанных проблем, а именно обеспечения стабильного потока текучей среды, позволяющего с равной эффективностью фильтровать частицы разного размера, авторами в одном из аспектов изобретения был предложен центробежный сепараторный фильтр, содержащий:
вертикальный корпус, имеющий центральную часть, по существу, цилиндрической формы и верхнюю и нижнюю части, по существу, полусферической формы,
тангенциальный впуск текучей среды, содержащей нефть и частицы, подлежащие фильтрации, расположенный в верхней части корпуса,
осевую трубу с выпуском отфильтрованной текучей среды, имеющую концентрическое расположение с корпусом и закрепленную в его верхней части,
множество конусных пластин, расположенных вокруг осевой трубы друг под другом, причем основание конусных пластин направлено вниз относительно положения корпуса,
выпуск удаленных из текучей среды частиц, расположенный в нижней части корпуса, при этом
осевая труба выполнена непрерывной, а к ее нижнему концу, расположенному в корпусе ниже основания самой нижней из множества конусных пластин, но выше выпуска удаленных из текучей среды частиц, прикреплена перфорированная заглушка, при этом конусные пластины закреплены на осевой трубе в зафиксированном положении друг относительно друга и выполнены с основаниями различного диаметра, причем диаметр основания конусных пластин увеличивается в направлении от тангенциального впуска к выпуску удаленных из текучей среды частиц.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором увеличение диаметра основания конусных пластин является равномерным.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором увеличение диаметра основания конусных пластин является неравномерным.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором конусные пластины закреплены на осевой трубе посредством сварки.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором конусные пластины выполнены за одно целое с осевой трубой.
3
В одном из вариантов предложен фильтр, обеспечивающий расход текучей среды, равный 60 м/ч.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором диаметр прохода тангенциального впуска составляет 125 мм.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором диаметр выпуска осевой трубы составляет 125 мм.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором наружный диаметр тангенциального впуска составляет 138 мм.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором наружный диаметр выпуска осевой трубы составляет 138 мм.
В одном из вариантов предложен фильтр, в котором наружный диаметр вертикального корпуса составляет 377 мм.
В одном из вариантов предложен фильтр, обеспечивающий фильтрацию частиц, поперечный размер которых составляет 5 мкм и более.
В одном из вариантов предложен фильтр, обеспечивающий фильтрацию частиц с эффективностью, которая составляет от 70% до 90%.
В одном из вариантов предложен фильтр, обеспечивающий содержание твердых частиц на выпуске отфильтрованной текучей среды не более 0,2% массы текучей среды.
Таким образом, настоящий фильтр обеспечивает повышенную фильтрационную способность за счет того, что конусные пластины закреплены на осевой трубе в зафиксированном положении друг относительно друга, что гарантирует стабильность потока текучей среды и отсутствие срывов потока, более того, при этом обеспечивается постоянство характеристик фильтра по отделению от текучей среды частиц различного размера, причем фильтрация как малых, так и крупных частиц гарантирована тем, что конусные пластины выполнены с основаниями различного диаметра, причем диаметр основания конусных пластин увеличивается в направлении от тангенциального впуска к выпуску удаленных из текучей среды частиц
В одном из дополнительных аспектов изобретения предложена дожимная насосная станция, содержащая буферную емкость, узел сбора и откачки утечек нефти, фильтр, резервуар для удаленных частиц, насосный блок и множество свечей для аварийного сброса газа, причем фильтр представляет собой центробежный сепараторный фильтр, выполненный в соответствии с первым аспектом изобретения.
В одном из еще дополнительных аспектов изобретения предложен способ эксплуатации дожимной насосной станции, включающий в себя этапы, на которых:
принимают текучую среду, содержащую нефть и частицы, подлежащие фильтрации, в буферную емкость,
подают текучую среду в фильтр посредством соединительных труб,
фильтруют текучую среду для отделения от нефти частиц, подлежащих фильтрации, посредством центробежного сепараторного фильтра по первому аспекту настоящего изобретения.
накапливают отфильтрованные от нефти частицы в резервуаре для удаленных частиц,
нагнетают давление в насосном блоке для последующей транспортировки текучей среды, содержащей нефть, очищенную от частиц, подлежащих фильтрации,
подают текучую среду, содержащую нефть, очищенную от частиц, подлежащих фильтрации, в транспортировочную сеть или сеть магистральных нефтепроводов.
В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором накапливают текучую среду в узле сбора и откачки утечек нефти в случае утечки нефти.
В одном из вариантов предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором сбрасывают избыточное давление текучей среды посредством множества свечей для аварийного сброса газа.
Следует понимать, что в предложенной дожимной насосной станции и способе ее эксплуатации также обеспечен стабильный поток текучей среды, позволяющий с равной эффективностью фильтровать частицы разного размера, содержащиеся в текучей среде, поступающей в буферную емкость дожимной насосной станции. А значит, обеспечивается повышение надежности эксплуатации дожимной насосной станции, увеличение интервала обслуживания центробежного сепараторного фильтра и, как следствие, увеличение интервала межремонтного обслуживания дожимной насосной станции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее подробнее будут описаны наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан поперечный разрез центробежного сепараторного фильтра,
на фиг. 2 показан разрез по линии А-А по фиг. 1.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее описание относится к эксплуатации дожимных насосных станций на нефтяных месторождениях, а именно к улучшенным центробежным сепараторным фильтрам, дожимным насосным станциям с такими фильтрами и способам эксплуатации таких станций.
Как правило, на отдаленных нефтяных месторождениях применяют дожимные насосные станции (ДНС). Необходимость применения ДНС обусловлена тем, что зачастую на таких месторождениях энергии нефтегазоносного пласта для транспортировки нефтегазовой смеси до установки предварительного сброса воды, предназначенной для отделения от нефти пластовой воды и попутного газа, а также подогрева нефти и приращения удельной энергии потока добываемой нефти до следующей системы подготовки нефти недостаточно.
Оборудование ДНС, прежде всего насосы, сообщает нефти дополнительное давление, необходимое для их транспортирования в направлении высоконапорных участков через системы сбора и подготовки. Дожимные насосные станции выполняют также функции сепарации нефти от прорывающихся из пласта и призабойной зоны собственных частиц, механических примесей, шлама, мелкокристаллической взвеси, продуктов коррозии и других твердых частиц, которые извлекаются потоком к устью скважин и попадают в систему нефтегазосбора, создавая там серьезные проблемы.
На фиг. 1 показан поперечный разрез предлагаемого центробежного сепараторного фильтра, а на фиг. 2 показан разрез по линии А-А по фиг. 1.
Фильтр по фиг. 1 представляет собой центробежный сепараторный фильтр, содержащий вертикальный корпус 1, имеющий центральную часть, по существу, цилиндрической формы и верхнюю и нижнюю части, по существу, полусферической формы, тангенциальный впуск 2 текучей среды, содержащей нефть и частицы, подлежащие фильтрации, расположенный в верхней части корпуса 1, осевую трубу 3 с выпуском 4 отфильтрованной текучей среды, имеющую концентрическое расположение с корпусом 1 и закрепленную в его верхней части, множество конусных пластин 5, расположенных вокруг осевой трубы 3 друг под другом, причем основание конусных пластин 5 направлено вниз относительно положения корпуса 1, выпуск 6 удаленных из текучей среды частиц, расположенный в нижней части корпуса 1, при этом осевая труба 3 выполнена непрерывной, а к ее нижнему концу, расположенному в корпусе 1 ниже основания самой нижней из множества конусных пластин 5, но выше выпуска 6 удаленных из текучей среды частиц, прикреплена перфорированная заглушка 7, при этом конусные пластины 5 закреплены на осевой трубе 3 в зафиксированном положении друг относительно друга и выполнены с основаниями различного диаметра, причем диаметр основания конусных пластин 5 увеличивается в направлении от тангенциального впуска 2 к выпуску 6 удаленных из текучей среды частиц.
Действие фильтра основано на разделении мелкокристаллической взвеси и частиц протекающей текучей среды, обладающих различной плотностью, в результате действия центробежной силы на твердые частицы при тангенциальном вводе потока при повышенной скорости с радиальным ускорением внутри корпуса.
Центробежное разделение происходит внутри корпуса 1, причем в предложенном фильтре обеспечивается повышенная фильтрационная способность за счет того, что конусные пластины 5 закреплены на осевой трубе 3 в зафиксированном положении друг относительно друга, что гарантирует стабильность потока текучей среды и отсутствие срывов потока, более того, при этом обеспечивается постоянство характеристик фильтра по отделению от текучей среды частиц различного размера, причем фильтрация как малых, так и крупных частиц гарантирована тем, что конусные пластины 5 выполнены с основаниями различного диаметра, причем диаметр основания конусных пластин 5 увеличивается в направлении от тангенциального впуска 2 к выпуску 6 удаленных из текучей среды частиц.
Следует иметь в виду, что в некоторых вариантах осуществления увеличение диаметра основания конусных пластин 5 может быть равномерным, а в других неравномерным. При равномерном увеличении диаметра конусных пластин 5 прирост диаметра конусных пластин 5 в направлении от тангенциального впуска 2 к выпуску 6 удаленных из текучей среды частиц происходит с одним и тем же шагом. Шаг увеличения может быть произвольным, например составляющим величину 5% от диаметра основания конусной пластины 5. При неравномерном увеличении диаметра конусных пластин 5 увеличение диаметра конусных 5 пластин в направлении от тангенциального впуска 2 к выпуску 6 удаленных из текучей среды частиц происходит с шагом переменной величины. В любом случае с увеличением диаметра конусных пластин 5 частицы более мелкого поперечного размера будут отделяться из потока текучей среды с большей эффективностью.
Фильтр может быть изготовлен из любого доступного материала, выдерживающего давление текучей среды, подлежащей фильтрации, до 1,6 МПа, предпочтительно из легких и достаточно прочных металлов, например нержавеющей стали. В различных вариантах осуществления конусные пластины 5 могут быть закреплены на осевой трубе 3 посредством сварки или они могут быть выполнены за одно целое с осевой трубой 3 известными методами штамповки, литья и других видов обработки металлов.
Очищенная текучая среда отводится через осевую трубу 3, на впускном конце которой установлена перфорированная заглушка 7 для ввода очищенной текучей среды. Загрязнения, шлам и другие частицы, подлежащие фильтрации, в результате оседают и скапливаются в нижней части корпуса 1 фильтра, откуда они могут регулярно или циклически удаляться обслуживающим персоналом посредством выпуска 6 удаленных из текучей среды частиц. Также в этом случае перфорированная заглушка 7 служит дополнительным фильтрационным элементом, т.к. обеспечивает непопадание ранее отфильтрованных частиц, которые могут быть подняты потоком текучей среды со дна нижней части корпуса 1 фильтра. В одном из вариантов выпуск 6 удаленных из текучей среды частиц может быть соединен с резервуаром для удаленных частиц дожимной насосной станции, тогда как выпуск 4 соединен по текучей среде с насосным блоком этой станции.
3
Монтаж фильтра осуществляется посредством фланцевых соединений (не показаны) на существующие линии перекачки. Очевидной является установка различных кранов и клапанов на впуске и выпусках фильтра для перекрытия потока текучей среды, например, в случае необходимости проведения ремонтных и других обслуживающих работ. Одним из вариантов использования предложенного фильтра является его эксплуатация в составе дожимной насосной станции, содержащей насосный блок. В его основе может стоять центробежный насос секционный (ЦНС) типа ЦНС-60, т.е. имеющий расход текучей среды 60 м/ч.
3
В таком варианте использования настоящего изобретения является предпочтительным выполнение фильтра, обеспечивающего расход текучей среды, равный 60 м/ч. Тогда для обеспечения указанного расхода и целей удобства монтажа предложенный фильтр может быть выполнен так что, диаметр прохода тангенциального впуска составляет 125 мм, и/или диаметр выпуска осевой трубы составляет 125 мм, и/или наружный диаметр тангенциального впуска составляет 138 мм, и/или наружный диаметр выпуска осевой трубы составляет 138 мм. В целом же в таком варианте осуществления наружный диаметр вертикального корпуса составит 377 мм, а общая высота (вместе с выпуском 4 отфильтрованной текучей среды и выпуском 6 для удаленных частиц) фильтра составит 1450 мм.
Надежность дожимных насосных станций и, в частности, используемых насосов, как любых машин и механизмов, определяется целым рядом факторов. Во-первых, она зависит от совершенства конструкции и соответственно полноты адаптации ее к условиям работы машин. Во-вторых, определяется качеством заводского изготовления. И, наконец, зависит от условий эксплуатации насосов и от характеристик транспортируемой текучей среды. Следует отметить, что типично центробежные насосы предназначены для перекачивания незагрязненных механическими примесями нефтепродуктов и воды с примесями нефтепродуктов.
Поэтому для гарантирования продолжительных сроков службы насосов дожимных насосных станций и увеличения межремонтных интервалов в одном из вариантов фильтр должен обеспечивать фильтрацию частиц, поперечный размер которых составляет от 5 мкм и более, гарантируя тем самым фильтрацию частиц, поперечный размер которых превышает 0,2 мм, что требуется для надлежащей эксплуатации насоса типа ЦНС-60. Предпочтительно должна обеспечиваться фильтрация частиц с эффективностью, которая составляет от 70% до 90%. Это в конечном итоге может обеспечивать содержание твердых частиц на выпуске 4 отфильтрованной текучей среды не более 0,2% массы текучей среды.
Как уже было сказано, типичным является использование центробежных сепараторных фильтров на дожимных насосных станциях, в частности на таких, как дожимная насосная станция, содержащая буферную емкость, узел сбора и откачки утечек нефти, фильтр, резервуар для удаленных частиц, насосный блок и множество свечей для аварийного сброса газа, причем фильтр представляет собой центробежный сепараторный фильтр, выполненный в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Способ эксплуатации такой дожимной насосной станции включает в себя этапы, на которых:
принимают текучую среду, содержащую нефть и частицы, подлежащие фильтрации, в буферную емкость,
подают текучую среду в фильтр посредством соединительных труб,
фильтруют текучую среду для отделения от нефти частиц, подлежащих фильтрации,
накапливают отфильтрованные от нефти частицы в резервуаре для удаленных частиц,
нагнетают давление в насосном блоке для последующей транспортировки текучей среды, содержащей нефть, очищенную от частиц, подлежащих фильтрации,
подают текучую среду, содержащую нефть, очищенную от частиц, подлежащих фильтрации, в транспортировочную сеть или сеть магистральных нефтепроводов.
Следует понимать, что этап фильтрации текучей среды осуществляют посредством центробежного сепараторного фильтра по первому аспекту настоящего изобретения. Кроме того, способ может дополнительно включать в себя этап, на котором накапливают текучую среду в узле сбора и откачки утечек нефти в случае утечки нефти, а также может дополнительно включать в себя этап, на котором сбрасывают избыточное давление текучей среды посредством множества свечей для аварийного сброса газа, известных из  уровня техники.
В предложенной дожимной насосной станции и способе ее эксплуатации также обеспечивается стабильный поток текучей среды, позволяющий с равной эффективностью фильтровать частицы разного размера, содержащиеся в текучей среде, поступающей в буферную емкость дожимной насосной станции. А значит, обеспечивается повышение надежности эксплуатации дожимной насосной станции, увеличение интервала обслуживания центробежного сепараторного фильтра и, как следствие, увеличение интервала межремонтного обслуживания дожимной насосной станции.
Следует понимать, что конструкции и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Предмет настоящего описания включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и способов, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания. Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных.