СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИФТОВЫХ КОЛОНН

Полезная модель относится к технике для исследования процессов добычи газа в нефтегазовой отрасли, связанной с изучением процессов движения газожидкостных потоков в вертикальных и наклонных газовых скважинах.
Из уровня техники известен стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа (патент на полезную модель RU №123833 U1, E21B 47/00, 10.01.2013). Стенд содержит лифтовую колонну, оснащенную запорно-регулирующей арматурой, устройство ввода в лифтовую колонну газожидкостной смеси (далее в тексте - ГЖС), имеющее сливной патрубок и два входа, устройство подачи и регулирования расхода жидкости и сепаратор. В известном стенде устройство ввода ГЖС в лифтовую колонну имеет вход газа, соединенный с трубопроводом подачи газа, и вход жидкости, соединенный с трубопроводом подачи жидкости. Указанные входы газа и жидкости расположены относительно друг друга таким образом, чтобы исключить перетекание жидкости из трубопровода подачи жидкости в трубопровод подачи газа. Диаметр трубопровода подачи газа превышает диаметр трубопровода подачи жидкости. Известный стенд обеспечивает высокую эффективность работы, а также достоверность и точность проводимых измерений. Однако, стенд не позволяет проводить исследования движения газожидкостных потоков по концентрическим лифтовым колоннам.
Наиболее близким техническим решением, которое принято заявителем в качестве прототипа, является стенд для исследования условий подъема жидкости с использованием газа (патент на полезную модель RU №131077 U1, E21B 47/00, 10.08.2013). Стенд содержит лифтовую колонну труб, узел подачи и регулирования подачи жидкости, узел подачи и регулирования расхода газа, устройства ввода в колонну и отвода из колонны, установленные в нижней и верхней частях лифтовой колонны труб соответственно, сепаратор, приборы измерения давления в лифтовой колонне. Устройство ввода в колонну снабжено патрубком для слива жидкости из стенда. Лифтовая колонна труб состоит, по крайней мере, из двух участков труб, расположенных под различными углами отклонения от вертикали и скрепленных соединительными элементами. Вход устройства ввода в колонну для подачи газа расположен выше входа для трубопровода подачи жидкости. Известный стенд также не позволяет проводить исследования движения газожидкостных потоков по концентрическим лифтовым колоннам
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании устройства, обеспечивающего возможности для исследования условий работы и газогидродинамических характеристик лифтовых колонн.
Технический результат предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей стенда, заключающихся в обеспечении возможности и условий проведения экспериментов движения газожидкостных потоков по концентрическим лифтовым колоннам с получением газогидродинамических характеристик.
Сущность полезной модели заключается в том, что стенд для исследования условий работы и газогидродинамических характеристик лифтовых колонн включает, по крайней мере, одну центральную лифтовую колонну, узел подачи и регулирования подачи жидкости, узел подачи и регулирования расхода газа, устройство ввода в колонну ГЖС, установленное в нижней части центральной лифтовой колонны, сепаратор, приборы измерения давления в центральной лифтовой колонне. Выход сепаратора для жидкости соединен посредством трубопровода подачи жидкости с устройством ввода в колонну через узел подачи и регулирования подачи жидкости. Выход сепаратора для газа посредством трубопровода подачи газа соединен с узлом подачи и регулирования расхода газа, подключенным к трубопроводам подачи газа в стенд и сброса газа из стенда с возможностью регулирования подачи и сброса газа из стенда. Устройство ввода в колонну снабжено патрубком для слива жидкости из стенда. Вход устройства ввода в колонну предназначен для трубопровода подачи газа и расположен выше входа, предназначенного для трубопровода подачи жидкости от узла подачи и регулирования подачи жидкости в стенд, связанного трубопроводом подачи жидкости в стенд с возможностью регулирования подачи жидкости в стенд. При этом центральная лифтовая колонна установлена в вертикальном или наклонном положении внутри внешней колонны, с которой центральная лифтовая колонна скреплена устройством крепления. Причем обе упомянутые колонны снабжены трубопроводами отвода ГЖС, в которых предусмотрены возможности регулирования подачи газожидкостной смеси в сепаратор. Выход узла подачи и регулирования расхода газа подключен трубопроводом подачи газа к устройству ввода в колонну газожидкостной смеси через расходомер.
Кроме того, центральная лифтовая и внешняя колонны могут быть установлены таким образом, что их оси могут совпадать, а могут и не совпадать.
Кроме того, при условии установки центральной лифтовой колонны в наклонном положении, между внешней и центральной лифтовой колоннами установлен, по меньшей мере, один центратор.
Стенд может содержать дополнительный сепаратор, входы которого подключены к трубопроводам отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала и из центральной лифтовой колонны с возможностью регулирования потока газожидкостной смеси. Выход жидкости дополнительного сепаратора подключен к входу узла подачи и регулирования подачи жидкости с возможностью регулирования потока жидкости, а выход газа дополнительного сепаратора подключен к трубопроводу отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны в сепаратор с возможностью регулирования потока газа.
Работа стенда для исследования условий подъема жидкости с использованием газа поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
Примеры осуществления предлагаемого стенда для исследования условий работы и газо-гидродинамических характеристик лифтовых колонн представлены на фиг. 1 и 4. На фиг. 2-3 приведены примеры размещения центральной лифтовой колонны внутри внешней колонны.
В состав стенда для исследования условий работы и газогидродинамических характеристик лифтовых колонн, входят:
- внешняя колонна (1);
- центральная лифтовая колонна (2), которая может быть выполнена из непрозрачного или прозрачного материала и устанавливается в вертикальном или наклонном положении;
- устройство ввода в колонну (3), установленное в нижней части центральной лифтовой колонны (2);
- узел подачи и регулирования подачи жидкости (4), работающий по замкнутому циклу;
- узел подачи и регулирования расхода газа (5), который может быть реализован на базе компрессора;
- сепаратор (6);
- трубопроводы подачи газа (7) и жидкости (8) соответственно;
- устройство крепления (9);
- трубопровод отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10);
- трубопровод отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11);
- первая и вторая запорно-регулирующие арматуры (12, 13);
- трубопровод подачи газа в стенд (14);
- трубопровод сброса газа из стенда (15);
- третья запорно-регулирующая арматура (16);
- трубопровод подачи жидкости в стенд (17);
- патрубок для слива жидкости из стенда с запорной арматурой (18);
- первый и второй расходомеры (19) и (20) соответственно;
- регулирующие клапаны (21-22).
- измерительная аппаратура (на чертеже не показана), включает расходомеры газа и жидкости, преобразователи разности давлений, датчики давлений, датчики температуры;
- дополнительная запорно-регулирующая арматура (23, 24, 25, 26, 27, 28), предназначенная для регулирования соответствующих потоков для различных режимов работы стенда;
- дополнительный сепаратор (29).
Работа на стенде осуществляется следующим образом.
Во внешнюю колонну (1) устанавливают (или подвешивают) центральную лифтовую колонну (2) при помощи устройства крепления (9). Центральная лифтовая колонна (2) может располагаться как на одной оси с внешней колонной (1), также может быть смещена относительно ее оси (см. фиг. 2, 3). Нижняя часть центральной лифтовой колонны (2) устанавливается на расстоянии, заданном условиями проведения конкретного эксперимента. Стенд подключают к источнику газа высокого давления трубопроводом подачи газа в стенд (14). После того, как открывают запорную арматуру (12), в стенд начинает нагнетаться газ, при этом запорная арматура (13) будет закрыта. Газ нагнетается до установленного условиями эксперимента на входе во внешнюю колонну (1) значения давления. После этого включают в работу узел подачи и регулирования расхода газа (5), при этом газ из сепаратора (6) всасывается узлом (5), а затем подается через первый расходомер газа (19) и устройство ввода в лифтовую колонну газожидкостной смеси (3) в нижнюю часть внешней колоны (1). Затем газ, поступивший во внешнюю колонну (1), поднимается по ней вверх, заполняя при этом центральную лифтовую колонну (2) до нижнего ее конца. Далее поток разделяется и движение происходит по двум каналам - по кольцевому, между внешней колонной (1) и центральной лифтовой колонной (2) и по центральной лифтовой колонне (2). Затем оба потока по трубопроводу отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводу отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11) поступают в сепаратор (6), а затем в компрессор (5). Газ, заполняющий стенд, начинает циркулировать по стенду в замкнутом цикле. Во время работы измеряют давление газа в стенде. После достижения необходимого давления в стенде запорную арматуру (12) закрывают.
Необходимое количество жидкости подают в узел подачи и регулирования подачи жидкости (4) по трубопроводу подачи жидкости в стенд (17), открывая запорную арматуру (16). После этого запорную арматуру (16) закрывают. Далее жидкость поступает в устройство ввода в лифтовую колонну газожидкостной смеси (3), в котором жидкость смешивается с газом и газожидкостная смесь под действием напора газа поднимается сначала по внешней колонне (1) до нижней части центральной лифтовой колонны (2), где разделяется и дальше движется по двум каналам - по кольцевому, между внешней колонной (1) и центральной лифтовой колонной (2), и по центральной лифтовой колонне (2). Достигнув верхней части колонн, оба потока газожидкостной смеси поступают по трубопроводу отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводу отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11) в сепаратор (6).
В сепараторе жидкость отделяется от газа и стекает по трубопроводу подачи жидкости (8) в узел подачи и регулирования подачи жидкости (4), а газ по трубопроводу подачи газа (7) в узел подачи и регулирования расхода газа (5). Таким образом, жидкость циркулирует по замкнутому циклу.
Распределение потоков по кольцевому каналу и центральной лифтовой колонне (2) осуществляется посредством регулирующих клапанов (22, 21), установленных на трубопроводе отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводе отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11). При этом происходит измерение расхода на трубопроводе отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) посредством расходомера (20). Значение расхода, который приходится на движение по центральной лифтовой колонне (2), определяется как разность между значениями, замеренными первым и вторым расходомерами (19) и (20).
В ходе проведения экспериментов моделируются различные режимы работы, включающие также работу только по кольцевому каналу или только по центральной лифтовой колонне (2).
После окончания эксперимента давление из стенда стравливается посредством трубопровода сброса газа из стенда (15), путем открытия запорной арматуры (13). Жидкость сливается через сливной патрубок с запорным устройством (18), находящиеся внизу лифтовой колонны.
Во время проведения конкретного эксперимента измеряют давление в заданных участках колоны (1) манометрами или дифференциальными манометрами. Выполнив требуемые измерения, меняют технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа - с помощью компрессора (5), и жидкости - с помощью узла подачи и регулирования подачи жидкости (4) или прекращают работу стенда, удаляя жидкость из колонны в систему утилизации.
Работа стенда проходит аналогичным образом в обоих случаях, когда оси центральной лифтовой и внешней колонн совпадают или не совпадают.
Включение в стенд дополнительного сепаратора (29) позволяет обеспечить дополнительные технические возможности стенда, в котором возможно отслеживать количества жидкости, выносимой потоком газа по каждому каналу (кольцевому и по центральной колонне).
Во внешнюю колонну (1) устанавливают (подвешивают) центральную лифтовую колонну (2) при помощи устройства крепления центральной лифтовой колонны (9). Центральная лифтовая колонна (2) может располагаться как на одной оси с внешней колонной (1) так и быть смешена относительно ее оси (см. рисунок 2, 3). Нижний конец центральной лифтовой колонны (1) устанавливается на расстоянии от нижней части, заданном в ходе конкретного эксперимента. Стенд подключают к источнику газа высокого давления трубопроводом подачи газа в стенд (14). Открывают запорную арматуру (12) и в стенд начинают нагнетать газ, при этом запорная арматура (13) будет закрыта. Газ нагнетается до установленного значения давления, необходимого для эксперимента на входе во внешнюю колонну (1). После этого включают в работу узел подачи и регулирования расхода газа (5), при этом газ из дополнительного сепаратора (29) всасывается сначала в сепаратор (6) а потом в узел подачи и регулирования расхода газа (5). Затем через первый расходомер (19) и устройство ввода в лифтовую колонну газожидкостной смеси (3) в нижнюю часть внешней колоны (1). Газ, поступивший во внешнюю колонну (1), поднимается по ней вверх до нижнего конца центральной лифтовой колонны (2), где поток разделяется и движение происходит по двум каналам - по кольцевому, между внешней колонной (1) и центральной лифтовой колонной (2), и по центральной лифтовой колонне (2).
Далее оба потока по трубопроводу отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводу отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11) поступают: один в сепаратор (6), а затем в узел подачи и регулирования расхода газа (5), а другой - сначала в дополнительный сепаратор (29), затем в сепаратор (6), и далее в узел подачи и регулирования расхода газа (5). Газ, заполняющий стенд, начинает циркулировать по стенду в замкнутом цикле. При этом измеряют давления газа в стенде во время его работы. После достижения необходимого давления в стенде запорную арматуру (12) закрывают.
Необходимое количество жидкости подают в узел подачи и регулирования подачи жидкости (4) по трубопроводу подачи жидкости в стенд (17) путем открытия запорной арматуры (16). После этого запорная арматура (16) закрывается. Далее жидкость поступает в устройство ввода в лифтовую колонну ГЖС (3), в котором жидкость смешивается с газом и ГЖС под действием напора газа поднимается сначала по внешней колонне (1), а затем до нижней части центральной лифтовой колонны (2). В центральной лифтовой колонне поток разделяется и дальше движется по двум каналам - по кольцевому, между внешней колонной (1) и центральной лифтовой колонной (2), и по центральной лифтовой колонне (2). Достигнув верхней части колонн, оба потока газожидкостной смеси поступают по трубопроводу отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводу отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11) в сепаратор (6) и в дополнительный сепаратор (29).
В сепараторах жидкость отделяется от газа и стекает по трубопроводу (8) в узел подачи и регулирования подачи жидкости (4), а газ (из одного канала) из дополнительного сепаратора (29) поступает сначала в сепаратор (6), а затем общий поток газа (из двух каналов) по трубопроводу (7) в узел подачи и регулирования расхода газа (5). Таким образом жидкость циркулирует по замкнутому циклу.
Распределение потоков по кольцевому каналу и центральной лифтовой колонне (2) осуществляется посредством регулирующих клапанов (22, 21), установленных на трубопроводе отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10) и трубопроводе отвода газожидкостной смеси из центральной лифтовой колонны (11). При этом происходит измерение расхода на трубопроводе отвода газожидкостной смеси из кольцевого канала (10), посредством второго расходомера (20). Значение расхода, который приходится на движение по центральной лифтовой колонне (2), определяется как разность между значениями, замеренными первым и вторым расходомерами (19) и (20).
В ходе экспериментов также моделируются различные режимы работы, включающие также работу только по кольцевому каналу или только по центральной лифтовой колонне (2).
По окончании эксперимента давление из стенда стравливается посредством трубопровода сброса газа из стенда (15), путем открытия запорной арматуры (13). Жидкость сливается через сливной патрубок с запорным устройством (18), находящиеся в нижней части лифтовой колонны.
Во время проведения конкретного эксперимента измеряют давление в заданных участках колоны (1) манометрами или дифференциальными манометрами. Выполнив требуемые измерения, меняют технологические параметры режима работы стенда: давление, расходы газа - с помощью компрессора (5), и жидкости - с помощью узла подачи и регулирования расхода жидкости (4) или прекращают работу стенда, удалив жидкость из колонны в систему утилизации