СЕПАРАТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОЙ ЖИДКОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для защиты УЭЦН от засорения и гидроабразивного износа механическими примесями.
Известен сепаратор для очистки скважинной жидкости от механических примесей, состоящий из внешней и внутренней концентрично установленных труб с образованием кольцевого зазора, в верхней части которого размещена винтовая направляющая лопасть, снабженный контейнером для накопления отделенных частиц механических примесей и предохранительным клапаном, выполненным с возможностью гидравлического соединения приема насоса с затрубным пространством при условии прекращения движения перекачиваемой жидкости через сепаратор. Выход очищенной жидкости из сепаратора гидравлически связан с приемом насоса. Сепаратор включает в себя гидроциклон, состоящий из сменной вставки с заданным углом конусности и сменной насадки на вершине конуса с заданным диаметром (патент РФ №66417, E21B 43/38, 10.04.2007).
Недостатком устройства является необходимость подбора и смены вставки и насадки в гидроциклоне. В отличие от поверхностных гидроциклонов, в данном устройстве пространство под конусом заглушено, и нет смысла применять сменные насадки на вершине конуса, поскольку в данном случае нет потока жидкости через насадку.
Известен сепаратор для очистки скважинной жидкости от механических примесей, входящий в состав погружной скважинной установки для добычи нефти, состоящий из внешней и внутренней концентрично установленных труб с образованием кольцевого зазора, по всей длине которого размещена винтовая направляющая лопасть, снабженный контейнером для накопления отделенных в сепараторе частиц механических примесей. Выход очищенной жидкости из сепаратора гидравлически связан с приемом насоса (патент GB 2409691, E21B 43/34, 05.03.2003).
Недостатком устройства является недостаточно высокая степень очистки из-за возникновения вихрей на выходе из кольцевого зазора при повороте потока во внутреннюю трубу, вызывающего перемешивание твердых частиц и ухудшение сепарации.
Техническим преимуществом предлагаемой полезной модели является улучшение степени очистки скважинной жидкости от механических примесей.
Указанный результат достигается тем, что в сепараторе для очистки скважинной жидкости от механических примесей, содержащем наружную и внутреннюю трубы, установленные концентрично с образованием кольцевого зазора, в котором размещена направляющая лопасть в виде шнека постоянного шага, выполненные в верхней части наружной трубы отверстия для входа потока жидкости в кольцевой зазор и контейнер для сбора отделенных механических примесей, согласно полезной модели, направляющая лопасть выполнена с входным углом, равным 20-45 градусам, и размещена в верхней части кольцевого зазора, а длина участка внутренней трубы ниже лопасти определена из выражения L=f(Q), где Q - расход пластовой жидкости, δ - высота лопасти шнека, S - площадь кольцевого зазора, ν - вязкость жидкости, k - коэффициент, равный 0.0015±0.0005.
В днище контейнера для сбора отделенных механических примесей может быть вмонтирована коаксиальная труба, обеспечивающая отвод механических примесей в зумпф скважины.
Для улучшения степени очистки скважинной жидкости от механических примесей в кольцевом зазоре может быть размещена, по меньшей мере, одна дополнительная направляющая лопасть.
Для пояснения сущности заявленного устройства рассмотрим схему конструкции сепаратора, изображенную на фиг.
Сепаратор состоит из наружной трубы 1 с отверстиями 2 для входа жидкости и внутренней трубы 3, образующих между собой кольцевой зазор 9, в верхней части которого расположена неподвижная направляющая лопасть в виде шнека постоянного шага 4. Лопасть 4 расположена так, что внутренняя труба 3 продолжается после окончания лопасти 4 на расстояние , где Q - расход пластовой жидкости, δ - высота лопасти шнека, S - площадь кольцевого зазора, ν - вязкость жидкости, k - коэффициент, зависящий от угла навивки лопасти на внутреннюю трубу 3. Снизу сепаратор оснащен контейнером 5 для сбора отделенных механических примесей. Контейнер 5 может быть продолжением наружной трубы 1 или выполнен отдельно с последующим жестким креплением к нижней части сепаратора. Для предотвращения переполнения в контейнере 5 установлена коаксиальная труба 6. Для того, чтобы обеспечить прохождение потока жидкости через сепаратор, выше него в пространстве между обсадной колонной и трубами НКТ установлено уплотнение или пакер 8. Для улучшения сепарационных свойств устройства в кольцевом зазоре 9 может располагаться две или более неподвижных лопасти 4.
Сепаратор для очистки скважинной жидкости работает следующим образом.
Поток скважинной жидкости через отверстия 2 поступает в кольцевой зазор 9 гравитационного сепаратора, движется вниз по направляющей лопасти шнека 4 и, огибая нижний конец наружной трубы 3, поднимается вверх по ее внутренней полости, и далее двигается на прием насоса. При движении по кольцевому зазору 9 под действием центробежной силы происходит разделение потока, частицы закручиваются и прижимаются к стенкам внешней трубы 1. Для уменьшения вихреобразования внутренняя труба 3 выполнена с продолжением за лопастью шнека 4 на расстояние , в результате чего жидкость после закручивания движется по кольцевому зазору, образованному продолжением внутренней трубы 3 и внешней трубой 1. При этом сохраняется сепарация частиц и одновременно происходит выравнивание потока по оси за счет уменьшения окружной компоненты скорости. Отсутствие вращения жидкости позволяет избежать при развороте потока в конце трубы 3 образования интенсивных вихрей, мешающих сепарации твердых частиц.
Коэффициент k зависит от угла навивки лопасти на внутреннюю трубу 3. Чаще всего применяются лопасти с углом навивки на внутреннюю трубу 20-45°, для этого диапазона значений коэффициент k равен 0.0015±0.0005.
При значении коэффициента k меньше 0.001 поток не успеет выровняться по оси до его разворота в конце трубы 3, что приведет к образованию интенсивных вихрей и ухудшению сепарации. При значении коэффициента k больше 0.002 из-за большой протяженности трубы не удается сохранить уровень сепарации частиц, достигнутый при движении жидкости по спирали вдоль лопасти.
При выходе из кольцевого зазора 9 основной поток разворачивается на 180°, при этом крупные частицы механических примесей под действием силы тяжести опускаются вниз, накапливаясь на дне контейнера 5 вокруг трубы 6, а очищенная жидкость попадает в трубу 3, поднимается по ней вверх и поступает в насосную установку. Для того, чтобы избежать восходящего потока жидкости по трубе 6, она должна обладать достаточным гидравлическим сопротивлением - большим, чем сопротивление сепаратора. Это достигается за счет оптимального подбора длины и диаметра трубы 6. При переполнении контейнера 5, когда уровень примесей становится выше верхнего конца трубы 6, твердые частицы сбрасываются через нее в зумпф скважины. Тонкость очистки будет определяться соотношением сил вязкого трения частиц о жидкость, архимедовой силы, центробежной силы и веса частиц.