ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТИ
INPUT DEVICE FOR CLEANING FORMATION FLUID

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти в условиях, осложненных высоким содержанием абразивных частиц в пластовой продукции.
Известен скважинный фильтр, содержащий ниппельную и муфтовую части и щелевой фильтрующий элемент в виде намотанной на продольные ребра профилированной проволоки [Пат. №2374433 РФ, Е21В 43/08, 2009].
Недостатком скважинного фильтра является возможность быстрого засорения единственного щелевого фильтрующего элемента отложениями солей и твердыми частицами, размер которых меньше размера щели фильтрующего элемента, и последующее прекращение поступления пластовой жидкости на прием погружного насоса.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является входное устройство для очистки пластовой жидкости, представляющее собой фильтрующее скважинное устройство, которое содержит корпус с верхними входными отверстиями, расположенную коаксиально внутри корпуса отводящую трубу с участками радиальных отверстий и предохранительным клапаном на нижнем торце, сборку из шнеков и щелевых фильтроэлементов на отводящей трубе, расположенных в чередующемся порядке, при этом щелевые фильтроэлементы перекрывают участки с радиальными отверстиями на отводящей трубе, а шнеки, расположены между верхними входными отверстиями и щелевыми фильтроэлементами, и контейнер внизу корпуса [Пат.RU 2543247 С1, МПК Е21В 43/08, опубл. 27.02.2015].
Очистка поступающей в описываемое устройство пластовой жидкости осуществляется путем гравитационной сепарации и фильтрации. При попадании в устройство пластовая жидкость, содержащая абразивные частицы, проходит через шнек, где осуществляется закручивание потока и сепарация абразивных частиц, перемещающихся к периферии устройства под действием центробежных сил. После прохождения шнека поток жидкости продолжает движение по кольцевому зазору между щелевым фильтром и стенкой корпуса устройства, при этом движущиеся в периферийной части потока жидкости крупные частицы под действием силы тяжести и инерции опускаются в накопительный контейнер. Жидкость, содержащая неотсепарированные мелкие частицы, фильтруется через продольные щели фильтролементов, при этом частицы с размером, превышающим ширину щели, задерживаются между продольными профилями. Очищенная жидкость попадает в кольцевые полости, откуда через отверстия проходит внутрь отводящей трубы и поступает на прием насоса. При омывании щелевых фильтроэлементов потоком пластовой жидкости осуществляется их очистка. Таким образом, обеспечивается восстановление пропускной способности щелевых фильтроэлементов устройства во время их эксплуатации. Данное устройство принято в качестве прототипа.
К недостаткам прототипа следует отнести скопление крупных абразивных частиц, отделенных от пластовой жидкости в процессе очистки, в контейнере устройства, что со временем приводит к его переполнению. В итоге требуется выполнять дорогостоящие спускоподъемные и очистные операции для удаления из контейнера скопившихся частиц. Таким образом, наличие накопительного контейнера ограничивает время непрерывной работы устройства в скважине.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: повышение времени непрерывной работы входного устройства для очистки пластовой жидкости при работе УЭЦН в нефтяной скважине; и, как следствие, увеличение наработки УЭЦН, уменьшение интенсивности процесса засорения скважины твердыми частицами, выносимыми из пласта.
Указанный результат достигается тем, что во входном устройстве для очистки пластовой жидкости, содержащем корпус с верхними входными отверстиями, расположенную в корпусе коаксиально сборку из шнеков и щелевых фильтроэлементов, размещенных в чередующемся порядке, согласно изобретению, ниже сборки установлен измельчитель твердых частиц с приводным валом, смонтированным в распорной трубе на подшипниковых опорах с возможностью вращения, а под измельчителем твердых частиц выполнены выходные отверстия, сообщающиеся с пространством внутри обсадной колонны скважины.
В предпочтительном варианте исполнения измельчитель твердых частиц состоит из отдельных ступеней, которые содержат зубчатые венцы или дополнительные лопатки, выполненные из материала с твердостью, превышающей твердость абразивных частиц.
Оснащение устройства измельчителем твердых частиц позволяет разрушать крупные абразивные частицы, предварительно отделенные от основного потока пластовой жидкости. Известно, что уменьшение размера твердых частиц, находящихся в потоке жидкости, перекачиваемой скважинным центробежным насосом, приводит к уменьшению интенсивности гидроабразивного износа рабочих ступеней насоса.
Измельченные твердые частицы удаляются из устройства через выходные отверстия в пространство обсадной колонны скважины, где подхватываются восходящим потоком и снова подаются на вход устройства.
В случае, если крупность измельченных частиц меньше размеров щелей фильтроэлементов, частицы с потоком пластовой жидкости проходят через щелевые фильтроэлементы в насос и, осуществляя минимальное изнашивающее воздействие на узлы насоса, подаются к поверхности скважины. Тем самым снижается интенсивность засорения скважины твердыми частицами и уменьшается износ ЭЦН.
Некоторая часть частиц, недостаточно измельченных для прохождения через щелевые фильтроэлементы, задерживается на их поверхности, а часть снова подается на измельчитель твердых частиц. Таким образом, достигается контролируемое уменьшение всех выносимых из пласта твердых частиц до размера щели фильтроэлементов, тем самым уменьшается износ электроцентробежного насоса.
В некоторых вариантах использования входного устройства сборка из щелевых фильтроэлементов и шнеков, расположенных коаксиально внутри корпуса устройства в чередующемся порядке, может быть размещена на отводящей трубе, в стенках которой выполнены отверстия. Данное техническое решение позволит повысить прочностные характеристики устройства. Кроме того, в сборку из щелевых фильтроэлементов и шнеков может быть установлен, по крайней мере, один предохранительный клапан, открывающийся при кольматации фильтроэлементов.
На основании изложенного заявляемое изобретение является техническим решением, обладает новизной и имеет изобретательский уровень, так как оно неизвестно из уровня техники и для специалистов оно явным образом не следует из уровня техники с более ранним приоритетом. Промышленная применимость входного устройства для очистки пластовой жидкости подтверждается возможностью его реализации с использованием известных средств и материалов, применяемых в нефтедобывающей промышленности.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого входного устройства для очистки пластовой жидкости. На фиг. 2 изображен поперечный разрез возможного исполнения ступени измельчителя твердых частиц.
Входное устройство для очистки пластовой жидкости (фиг. 1) включает корпус 1 в виде полой трубы с входными отверстиями 2, размещенными в верхней части и сообщающимися с пространством внутри обсадной колонны скважины. На торцах корпуса 1 закреплены верхний 3 и нижний 4 узлы отвода, снабженные фланцами с крепежными отверстиями 5. Внутри корпуса 1 коаксиально, в чередующемся порядке расположены шнеки 6 и фильтроэлементы 7, образующие сборку с внутренним каналом 8, заглушенным снизу и сообщающимся с выходными отверстиями 9, по которым очищенная пластовая жидкость поступает к электроцентробежному насосу (не показан на чертеже). В нижней части корпуса 1 размещен измельчитель твердых частиц 10, установленный на приводном вале 11, связанным с погружным электродвигателем насосной установки (не показан на рисунке). Приводной вал 11 размещен внутри распорной трубки 12 на подшипниковых опорах 13. В нижнем узле отвода 4 выполнены выкидные отверстия 14 для отвода твердых частиц, сообщающиеся с пространством внутри обсадной колонны скважины.
Измельчитель твердых частиц 10 (фиг. 2) может состоять из отдельных ступеней, содержащих рабочее колесо 15, направляющий аппарат 16 и зубчатый венец 17 с лопатками 18, выполненный из твердого сплава, например, из сплава ВК8.
Некоторые варианты исполнения предусматривают изготовление ступеней измельчителя 10 с применением метода литья, когда зубчатый венец 17 с лопатками 18 образует единое целое с корпусом направляющего аппарата 16 из материала, твердость которого превышает твердость измельчаемых абразивных частиц, например, из твердого сплава ВК8. Рабочее колесо 15 может быть выполнено открытой конструкции, а в основаниях лопаток 18 зубчатого венца 17 могут находиться криволинейные многоугольники. Выбор формы и количества граней призм, образующих лопатки 18 зубчатого венца 17, осуществляется на основании оптимизационных расчетов, исходя из условий минимальных материальных затрат на изготовление зубчатого венца 17 и обеспечения эффективного измельчения абразивных частиц, содержащихся в перекачиваемой жидкости.
Заявляемое входное устройство для очистки пластовой жидкости работает следующим образом.
Устройство монтируется на вход электроцентробежного насоса посредством фланца верхнего узла отвода 3, в котором выполнены отверстия 5 под крепежные элементы. Вращающий момент на приводной вал 11 входного устройства подается от вала гидрозащиты погружного электродвигателя, соединенной с фланцем нижнего узла отвода 4 входного устройства.
При включении электроцентробежного насоса пластовая жидкость с частицами механических примесей различной дисперсности поступает через верхние входные отверстия 2 в корпус 1 и движется вниз вдоль лопасти шнека 6, приобретая вращательное движение. Под действием возникающих центробежных сил крупнодисперсные частицы смещаются в наружную часть потока жидкости, то есть к стенке корпуса 1. После прохождения шнека поток жидкости с разделенными на фракции частицами продолжает движение вниз и попадает в кольцевой зазор между щелевым фильтроэлементом 7 и стенкой корпуса 1. Движущиеся в периферийной части потока жидкости крупные частицы механических примесей проходят по инерции мимо щелевого фильтроэлемента 7 и под действием собственного веса подаются на следующий шнек устройства и далее в измельчитель твердых частиц 10.
Очищенная от крупных частиц жидкость фильтруется через фильтроэлементы 7, при этом частицы с размером, превышающим тонкость очистки фильтроэлементов, задерживаются на поверхности последних. Очищенная жидкость попадает во внутренний кольцевой канал 8, образованный между распорной трубой 12 и внутренними стенками сборки, откуда через выходные отверстия 9 верхнего узла отвода 3 подается на вход электроцентробежного насоса.
Задержанные частицы удерживаются на поверхности фильтроэлементов 7 за счет прижимающего действия радиального потока жидкости, втекающей в щелевой фильтр. По мере кольматации фильтроэлементов 7 радиальный поток жидкости через них ослабевает, что уменьшает силу, удерживающую частицы на поверхности фильтроэлементов. Одновременно с ослаблением радиального потока возрастает скорость направленного вниз потока жидкости, что обусловливает очистку поверхности фильтроэлементов 7. Описанный процесс происходит тем интенсивнее, чем больше толщина слоя из задержанных частиц. За счет непрерывной очистки от задержанных частиц пропускная и фильтрационная способности фильтроэлементов 7 поддерживаются практически в неизменном состоянии.
Крупные частицы механических примесей, отделенные от основного потока жидкости, подаются на вход измельчителя твердых частиц 10. При вращении рабочего колеса 15 измельчителя твердых частиц 10 перекачиваемому потоку жидкости с твердыми абразивными частицами сообщается энергия, и он движется от центра рабочего колеса 15 к периферии в сторону цилиндрического корпуса направляющего аппарата 16. Вращающий момент на колеса 15 передается от приводного вала 11 входного устройства, закрепленного в подшипниковых опорах 13, смонтированных в распорной трубке 12. На выходе из рабочего колеса 15 поток, содержащий абразивные частицы, направляется на лопатки зубчатого венца 17. Абразивные частицы, содержащиеся в потоке жидкости, ударяются о лопатки зубчатого венца 17, деформируются и измельчаются.
Измельченные частицы механических примесей выводятся из устройства через выкидные отверстия 14 нижнего узла отвода 4, подхватываются потоком скважинной жидкости и снова подаются на входное устройство через отверстия 2. Измельченные частицы, крупность которых меньше тонкости очистки фильтроэлементов 7 устройства, проходят в канал 8, подаются на вход электроцентробежного насоса через выходные отверстия 9 и выносятся в выкидную линию скважины вместе с потоком пластовой жидкости. При этом измельченные частицы оказывают минимальное изнашивающее влияние на детали электроцентробежного насоса.
Таким образом, повышается время непрерывной работы входного устройства для очистки пластовой жидкости при работе УЭЦН в нефтяной скважине и уменьшается интенсивность процесса засорения скважины твердыми частицами, выносимыми из пласта.