СЕПАРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ТАРЕЛЬЧАТЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ВНУТРИСКВАЖИННОЙ СЕПАРАЦИИ ВОДЫ И НЕФТИ
SEPARATOR AND DISC SEPARATOR FOR DOWNHOLE WATER AND OIL SEPARATION

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к технологии добычи нефтепродуктов погружными насосными установками в условиях высокой обводненности добываемого флюида.
Известным устройством для разделения воды и нефтепродуктов являются тарельчатые центрифуги. Типичная конструкция представляет собой барабан с вертикальной осью вращения, внутри которого располагается пакет конических вставок-тарелок, приводимых во вращение. Подача сепарируемой жидкости во вращающийся барабан центрифуги осуществляется сверху через неподвижный впускной патрубок. Разделение фаз происходит в пространстве между тарелками, при этом легкая фаза перемещается через пакет тарелок по направлению к центру барабана, и выгружается в сборный коллектор. Первым, а в настоящее время и одним из крупнейших производителей тарельчатых сепараторов, является компания AlfaLaval[https://www.alfalaval.ru]. Примером их продукции может служить центрифуга модели AFPX.
Однако в настоящее время подобные тарельчатые центрифуги вода-нефть применяются только для поверхностной сепарации, т.к. имеют габариты, существенно превышающие диаметр нефтяной скважины. Кроме того, сепарационные каналы в них периодически засоряются твердыми частицами, находящимися в жидкости. Для возобновления работы центрифуги требуется ее промывка, обычно сопровождаемая частичной разборкой.
Известно сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти, представляющее собой погружной тарельчатый центробежный сепаратор, описанный в патенте РФ №2570867 С2, B01D 17/02, опубл. 10.12.2015. Устройство имеет цилиндрический корпус с основанием и подводами для сепарируемой смеси на боковой поверхности. Внутри корпуса расположены разделительные тарелки, выполненные в форме усеченного конуса и имеющие вертикальные проходные отверстия. Распределительным каналом для сепарируемой смеси служат узкие каналы, образованные между соседними тарелками, которые имеет выпуклую вверх форму. Нефть, как более легкая фаза, скапливается в верхней части этих каналов, всплывает вверх по вертикальным отверстиям и удаляется из сепаратора через отводной канал в верхней части, а вода стекает вниз и выводится через отводной канал, расположенные в нижней части сепаратора.
Скорость сепарации в подобном устройстве низкая, поскольку определяется скоростью всплытия пузырьков нефти под действием силы Архимеда, пропорциональной ускорению свободного падения g. Кроме того, данная установка имеет большие габариты, чтобы обеспечить приемлемый объем сепарации.
3
Эти недостатки можно преодолеть, добавив центробежную сепарацию с типичной величиной центробежного ускорения ~10g, что позволит увеличить скорость сепарации и уменьшить габариты устройства.
Задачей настоящего изобретения является разработка сепарирующего устройства, включающего внутрискважинный тарельчатый центробежный сепаратор вода-нефть, который обеспечит надежную сепарацию воды от нефти и снизит процент перекачиваемой на поверхность воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в сепарирующем устройстве для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащим цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса тарельчатый центробежный сепаратор, включающий набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, подводы и распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, согласно изобретению, в цилиндрическом корпусе над тарельчатым центробежным сепаратором дополнительно установлен коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны, при этом сепарационные тарелки размещены на валу, а вертикальные проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси.
Для подачи сепарируемой смеси в основании корпуса могут быть сформированы вертикальные подводы, гидравлически связанные с вертикальными проходными каналами в сепарационных тарелках.
Входящий в состав сепарирующего устройства тарельчатый центробежный сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти имеет набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, которые расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси, при этом сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, а отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части.
Предложенное сепарирующее устройство с тарельчатым центробежным сепаратором и с коалесцирующим фильтром имеет габариты, необходимые для внутрискважинного размещения, устойчив к засорениям.
Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором приведена схема заявляемого сепарирующего устройства с тарельчатым центробежным сепаратором и коалесцирующим фильтром.
Сепарирующее устройство содержит цилиндрический корпус 3 с основанием 10, вал 1, последовательно установленные внутри корпуса снизу-вверх тарельчатый центробежный сепаратор, подпорный насос 4 и коалесцирующий фильтр.
Тарельчатый центробежный сепаратор включает набор сепарационных тарелок 2, закрепленных на валу 1 в корпусе 3 с образованием межтарельчатых каналов 5. Сепарационные тарелки 2 выполнены в форме усеченного конуса, ориентированного большим основанием вниз, наружный диаметр тарелок в направлении сверху вниз постепенно уменьшается. Межтарельчатые каналы 5 между соседними тарелками 2 остаются постоянными по всей высоте набора сепарационных тарелок. На образующей усеченного корпуса тарелок 2 по окружности расположены отверстия, образующие вертикальные проходные каналы 6, которые служат распределительным каналом для сепарируемой скважинной жидкости. Количество сепарационных тарелок 2 выбирается в зависимости от заданной подачи и количества оборотов УЭЦН.
Сепаратор имеет следующие проточные каналы: цилиндрические вертикальные проходные каналы 6, соединяющие межтарельчатые каналы 5, предназначенные для центробежной сепарации сепарируемой водо-нефтяной смеси (скважинной жидкости), отводной канал для отсепарированной нефти 7 вокруг вала 1 и отводной канал отсепарированной воды и механических примесей 8, заканчивающийся наклонными выкидными отверстиями 9. Отводной канал 8 сформирован между цилиндрической стенкой корпуса 3 и торцами тарелок 2 и имеет расширенную книзу форму.
Для подачи скважинной жидкости в основании 10 корпуса 3 выполнены вертикальные подводы 11, расположенные напротив входов в вертикальные каналы 6 на нижней тарелке.
В качестве подпорного насоса 4 может быть использована подпорная секция центробежного насоса, имеющая как минимум две ступени.
Над подпорным насосом 4 расположен коалесцирующий фильтр, который содержит набор капиллярных вертикальных трубок 12, установленных вокруг вала 1 и закрепленных сверху и снизу проставками 13 в корпусе 3. Капиллярные трубки 12 выполнены из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны (например, из политетрафторэтилена) и расположены с образованием каналов 14. Количество капиллярных трубок 12 и их длина выбираются в зависимости от выбранной производительности тарельчатого центробежного сепаратора. В верхней части коалесцирующего фильтра выполнены выкидные отверстия 15.
Сепарирующее устройство и тарельчатый центробежный сепаратор работают следующим образом.
Вал 1 с закрепленными на нем сепарационными тарелками 2 с помощью двигателя погружной насосной установки (не показан) приводится во вращение. Этим же валом 1 вращается подпорный насос 4, расположенный выше тарелок.
Вначале, еще до поступления добываемой жидкости на вход в тарельчатый центробежный сепаратор, механические примеси гравитационно осаждаются в стволе скважины.
Скважинная жидкость (серые стрелки) поступает в сепаратор через вертикальные подводы 11 и направляется к нижней тарелке 2, откуда через вертикальные каналы 6 поднимается вверх и распределяется по межтарельчатым каналам 5, в которых под действием центробежных сил происходит первичная сепарация скважинной жидкости на нефть и воду. Нефть (черные стрелки), как более легкая фракция, скапливается вверху межтарельчатых каналов и по отводному каналу 7, проходящему вертикально в месте прикрепления сепарационных тарелок 2 к валу 1, поднимается наверх на вход подпорного насоса 4. Далее подпорный насос 4 под давлением закачивает частично очищенную в тарельчатом сепараторе нефть в капиллярные трубки 12 коалесцирующего фильтра, где происходит ее окончательная сепарация. Поскольку стенки капиллярных трубок 12 состоят из мембраны и олеофильны, то на них скапливаются капли нефти, а содержащаяся в нефти вода (контурные стрелки) за счет гидрофобности мембраны сепарируется через стенки капиллярных трубок 12 в канал 14, образованный стенками корпуса 3 и стенками капиллярных трубок 12, и через выкидные отверстия 15 сбрасывается в скважину. Во время движения частично очищенной после тарельчатого сепаратора нефти по капиллярным трубкам 12, мелкие капли нефти на стенках трубок 12 объединяются в более крупные, и на выходе из коалесцирующего фильтра получается окончательно отсепарированная от воды нефть. Далее отсепарированная нефть поступает на прием насоса ЭЦН, осуществляющего перекачку добытой нефти на поверхность.
В тарельчатом сепараторе отсепарированная вода (контурные стрелки) вместе с механическими примесями, как более тяжелая, отбрасывается к внутренней стенке корпуса 3 и, стекая по конической поверхности тарелок 2, попадает в расширяющийся отводной канал 8 между торцами тарелок 2 и корпусом 3 сепаратора, в котором механические частицы движутся в направлении сверху вниз под действием потока отсепарированной воды и собственной силы тяжести, после чего через выкидные отверстия 9 сбрасываются из тарельчатого сепаратора вместе с потоком отсепарированной воды обратно в скважину-или собираются в специальный контейнер для сбора механических примесей (не показан). Отсепарированная вода, обладающая большей плотностью по сравнению с остальной скважиной жидкостью, попадая в межтрубное пространство, опускается вниз.
Таким образом, засорение механическими примесями сепаратора исключается благодаря тому, что все силы, действующие на частицы, направлены только в сторону их перемещения, а расстояние, между торцами тарелок и корпусом тарельчатого сепаратора, внутри которого они вращаются, расширяется сверху вниз, образуя расширяющийся канал, обеспечивающий условия для эффективного сброса частиц.
Предлагаемый центробежный тарельчатый сепаратор с коалесцирующим фильтром работает при скорости вращения тарелок, равной скорости вращения двигателя погружной насосной установки, обычно составляющей не менее 3000 оборотов в минуту. Объем скважинной жидкости, которую сможет отсепарировать центробежный тарельчатый сепаратор, регулируется изменением количества тарелок, длиной и количеством капиллярных трубок коалесцирующего фильтра. Эти параметры подбираются расчетным путем перед спуском сепаратора в скважину.
Благодаря двойной сепарации в центробежном тарельчатом сепараторе предлагаемой конструкции и в коалесцирующем фильтре, сепарирующее устройство обеспечивает надежную и бесперебойную внутрискважинную сепарацию воды и нефти. Небольшие габариты центробежного тарельчатого сепаратора позволяют применять его в составе установок центробежного насоса, работающих в скважинах небольшого диаметра.