УСТРОЙСТВО СЕПАРАЦИИ СВОБОДНОГО ГАЗА ИЗ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ НА ПРИЕМЕ ГЛУБИННОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к области добычи нефти электроцентробежными (штанговыми, электродиафрагменными) насосами. Как известно, попутный газ, выделяющийся в области приемных отверстии установки электроцентробежного насоса, проникая с добываемой нефтью в рабочие органы, в значительной степени снижает коэффициент полезного действия УЭЦН, приводит к преждевременному отказу насоса {И.Т.Мищенко: Скважинная добыча нефти. Из-во «Нефть и газ». М. 2003., стр.695, рис.9.36.}.
Для уменьшения вредного влияния свободного попутного газа на работу УЭЦН существуют сепараторы, устанавливаемые последовательно с насосом так, что газожидкостная смесь поступает сначала в сепаратор, где происходит отделение свободного газа от добываемой жидкости. Отделившийся газ подается в наружу УЭЦН (в кольцевое пространство между корпусом установки и эксплуатационной клоны нефтяной скважины), однородная жидкость поступает в приемные отверстия погружного насоса. Все существующие сепараторы центробежного принципа действия. Попадая внутрь газосепаратора газожидкостная смесь приводится во вращательное движение, в результате чего пузырьки свободного газа, имея малую плотность концентрируются в центре сепаратора и выводятся в наружу, а водонефтяная смесь по внутренней образующей сепаратора подается на прием центробежного насоса (например, патент РФ №2027912. Способ откачивания жидкости скважинным насосом и газосепаратор скважинного центробежного насоса /Авт. изобрет. П.Д.Ляпков, А.Н.Дроздов, В.И.Игревский, А.С.Монаенков, Р.Г.Ямлиханов, И.Т.Мищенко, В.Н.Сокорев, В.Н.Филиппов, Г.И.Богомольный. - М. кл F04D 13/10, Е21В 43/38, заявл. 28.02.1991, опубл. 27.01.1995, Б.И.№3.). На таком принципе работают все сепараторы российского производства типа МНГ.
Аналогичный принцип заложен в газосепараторах иностранного производства США-фирмы «REDA» - вихревой газосепаратор VGS (Vortex Gaz Separator), «Centrilift» - сепаратор FRS, «ODI» - сепаратор вихревой RGV, KGV, китайской фирмы «TEMTEX». Сепаратор с противотоком фирмы «REDA» является гравитационным, в котором за счет двухкратного поворота газожидкостной смеси, свободный газ, под действием Архимедовой силы, должен оторваться от жидкости до поступления смеси в приемные отверстия насоса. Из-за малой величины Архимедовой силы действующей на газовые пузыри и сравнительной большой скорости движения смеси возле приема насоса (из-за малой разности плотности свободного газа от плотности жидкости), гравитационные сепараторы имеют самый низкий коэффициент сепарации (не более 5-7%) и не нашли широкого применения (в настоящее время не выпускаются).
Все эти сепараторы, дают неплохие коэффициенты сепарации в лабораторных условиях, где плотность газа меньше плотности жидкости в 750-1000 раз (пузырьки воздуха в масле). Однако в скважинных условиях, где плотность попутного газа (около 140-180 кг/м3) отличается от плотности нефти (700-800 кг/м3) около 3-4 раза сепараторы дают низкий коэффициент сепарации (около 15-18%, см. ст. «К вопросу сепарации газа», Нефтепромысловое дело, 2000. №2, стр.21, 22).
Сепараторы приводятся во вращение от вала погружного электродвигателя и потребляют мощность не менее 1-2 кВт, их длина достигает 1000-1500 мм, масса -50-60 кг., нередко собой представляют аварийно опасный элемент в конструкции УЭЦН (разрушение сепаратора из-за образивного износа механическим примесями в добываемой нефти с последующим падением оборудования на забой добывающей скважины).
Для устранения вышеуказанных недостатков сепараторов, в эксплуатации УЭЦН из-за присутствия свободного газа в добываемой жидкости, предлагаем изменить принцип сепарации. Для этого на приеме электроцентробежного насоса создаем при помощи калиброванных и направленных своими осями к геометрическому центру вала насоса, ряд цилиндрических отверстий, создающих на расстоянии d от корпуса насоса, «цилиндрическую эквипотенциальную поверхность» равных малых скоростей движения газожидкостной смеси. На расстоянии d от корпуса насоса устанавливаем цилиндрическую поверхность с продольными щелями шириной менее диаметра газовых пузырей. На каждой щели с равными размерами создается небольшой перепад давления, под действием которого газожидкостная смесь устремится во внутрь. Газовые пузыри, достигая щели, из-за своих размеров и действия сил поверхностных натяжений не смогут пройти внутрь. Постепенно накапливаясь на поверхности с щелями, пузыри газа под действием поверхностных сил постепенно будут сливаться, укрупняются и под действием Архимедовой силы начнут всплывать. В результате, за цилиндрической поверхности с щелями остается однородная жидкость, которая затем поступает в приемные отверстия насоса. При этом способе исключается дополнительное потребление мощности УЭЦН, явление образивного износа. Созданный на этом принципе сепаратор применим при любом способе добычи, является менее материалоемким (массой не более 1 кг) и безаварийным элементом, прост в конструкций, изготовлений и монтаже; не требует переделки приема стандартного насосного оборудования.
На рисунке «Принцип сепарации» приведен процесс работы сепаратора. Газожидкостная смесь поднимается с линейной скоростью V1 до «эквипотенциальной поверхности» 2 и под действием равных градиентов, создаваемых отверстиями 3 направляется в фигурные щели. Ширина щели f1, сопоставимая с диаметром свободных газовых пузырей, непроходимая для пузырьков из-за действия сил поверхностного натяжения. Газовые пузыри, скапливаются на «эквипотенциальной поверхности», коагулируют и под действием Архимедовой силы направляются вверх, в межтрубное пространство. Однородная жидкость проходит через отверстия 3 и направляется вверх, к приемным отверстиям электроцентробежного насоса. Общая пропускная площадь щелей должна обеспечивать скорости w, сравниваемые со скоростью всплытия газовых пузырей. Расстояние между поверхностями 1 и 2 определяется исходя из площади щелей. Диаметры d1, d2 и количество отверстий 3 подбираются так, что при движении через них однородной жидкости, в щелях на поверхности 2 должны устанавливаться одинаковые перепады давления. Расстояние g больше диаметра газовых пузырей. Расстояние f3 между рядами щелей составляет 3-4 диаметра газовых пузырей. Толщина пластинки «эквипотенциальной поверхности» около 1,5 диаметра газовых пузырей. Толщина поверхности 1 не ограничена в размерах, но учитывается при расчете диаметров отверстий d1, d2.