Способ и газожидкостная система для ступенчатого извлечения газа из скважинной газожидкостной смеси
METHOD AND GAS-LIQUID SYSTEM FOR MULTISTAGE GAS EXTRACTION FROM DOWNHOLE GAS-LIQUID MIXTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области технического обустройства нефтедобычи, и может быть использована для разделения жидкой и газообразной фаз, например, с целью последующего измерения количественных и качественных показателей основных компонентов добываемой газожидкостной смеси.
Уровень техники
Известен сепаратор гравитационного типа, например пробный сепаратор, широко применяющийся в практике нефтедобычи для оценки качества скважинной жидкости и попутного нефтяного газа. Он представляет собой сосуд, в котором происходит гравитационное расслаивание газожидкостной смеси на компоненты, находящиеся, как правило, в различных агрегатных состояниях. При этом преимущественно газообразные компоненты удаляются из сепаратора по трубопроводу, подсоединенному к верхней части сепаратора, а жидкие - по трубопроводу (-дам), подсоединенному (-ным) к нижней части сепаратора.
Известна также и широко применяется в технике принципиальная схема центробежной сепарации, т.е. разделения фаз и компонентов различной плотности в результате центробежных процессов в сосуде.
Для ускорения процесса разделения фаз и уменьшения потребных размеров сепаратора применяют также комбинированный метод, вводя газожидкостную струю в вертикальную емкость гравитационного сепаратора тангенциально его оболочке, с тем чтобы создать на внутренней поверхности оболочки цилиндра спирально ниспадающий (в силу гравитации) пристенный поток газожидкостной смеси, из которого более тяжелые (инерционные), преимущественно жидкостные, компоненты выдавливают более легкие, преимущественно газовые, включения в направлении оси цилиндра в силу центробежных закономерностей (см., например, [1] патент РФ №2425709, МПК B01D 19/00, опубл. 10.08.2011).
В качестве наиболее близкого аналога принят способ разделения газожидкостных смесей (см. [2] патент РФ №2409411, МПК B01D 45/12, B01D 19/00, опубл. 20.01.2011), заключающийся в закручивании потока газожидкостной смеси, поступающей в сепаратор, с помощью струи дегазированной жидкости, отбираемой на выходе из нижней части цилиндра с постоянным расходом (например, насосом), вводимой по касательной к направляющей внутренней стороны стенки сепаратора, имеющей форму круглого цилиндра, а отвод газовой фазы осуществляют из образующейся вдоль оси цилиндра газовой полости. Способ реализуется за счет газожидкостного сепаратора, содержащего цилиндр, закрепленный на его верхней части патрубок подвода газожидкостной смеси, закрепленный на его верхнем торце патрубок отвода газа и закрепленный на его нижней части патрубок отвода дегазированной жидкости. Вблизи патрубка подвода смеси на цилиндре установлено сопло, направленное тангенциально к стенке цилиндра и соединенное посредством трубы с насосом с внутренней полостью нижней части цилиндра.
Недостатком прототипа является неполнота осушения газа, получаемого в результате одноступенчатой сепарации, а также необходимость применения насоса для возвратной перекачки дегазированной жидкости.
Раскрытие изобретения
Задачей группы изобретений является создание способа и устройства, обеспечивающих повышение качества сепарации газожидкостной смеси и не требующих для этого дополнительного энергоемкого и дорогостоящего оборудования.
Технический результат осуществления группы изобретений заключается в повышении качества сепарации газожидкостной смеси путем извлечения газа, не требуя дополнительного энергоемкого оборудования, и снижении затрат.
Извлечение газа из скважинной газожидкостной смеси осуществляют путем ввода напорного потока газожидкостной смеси по подводящему трубопроводу в вертикальную камеру сепаратора первой ступени тангенциально направляющей ее цилиндрической оболочке, закручивания потока в ниспадающую спираль, отвода частично осушенного газа из верхней части камеры и отвода частично дегазированной жидкости из нижней части камеры. Далее поток частично осушенного газа, исходящий из камеры первой ступени сепарации, направляют в сепаратор-газоосушитель, конструктивно подобный сепаратору первой ступени. С газового выхода сепаратора-газоосушителя получают осушенный газ. При этом отсепарированные жидкости и газовый конденсат, получаемые на жидкостном выходе сепаратора-газоосушителя, направляют на всасывающий вход эжектора, установленного на входе сепаратора первой ступени.
Возможны варианты реализации описанного процесса (см., например, фиг. 2):
повышенные требования к степени осушки газа могут вызвать необходимость применения двух и более последовательных ступеней газоосушения;
необходимый напор в подводящем трубопроводе, как правило, обеспечивается состоянием добываемого флюида. При недостаточном напоре в трубопроводе подвода газожидкостной смеси на вход сепаратора первой ступени, а также при значительной пульсации потока газожидкостной смеси, не позволяющей реализовать в полной мере устойчивое закручивание потока газожидкостной смеси в ниспадающую спираль в сепараторе первой ступени и устойчивый забор жидкости через всасывающий вход эжектора, возможно применение насоса в возвратной жидкостной трубопроводной ветви между выходом сепаратора-газоосушителя и входом сепаратора предыдущей ступени.
Газожидкостная система, необходимая для реализации процесса, включает трубопровод, подводящий газожидкостную смесь; сепаратор первой ступени, содержащий оболочку в форме кругового цилиндра, расположенную вертикально, цилиндрическую перегородку, расположенную соосно внутри цилиндрической оболочки сепаратора, установленный на входе скважинной газожидкостной смеси трапециевидный фитинг для формирования плоской струи, направляемой тангенциально цилиндрической оболочке в кольцевой зазор между цилиндрической оболочкой и цилиндрической перегородкой, соразмерный толщине пристенного газожидкостного потока. При этом в систему включен по меньшей мере один сепаратор-газоосушитель, конструктивно подобный сепаратору первой ступени; в подводящий трубопровод скважинной смеси на входе в сепаратор первой ступени включен эжектор, к всасывающему входу которого присоединен трубопровод от жидкостного выхода сепаратора-газоосушителя.
В нижней части сепаратора первой ступени установлен наклонно поддон для отбора твердых примесей, в корпусе сепаратора по ходу наклонного поддона имеется лючок для их удаления. Для обеспечения протока жидкости в донную часть сепаратора в поддоне выполнены трубчатые каналы.
Газожидкостная сепарационная система по обеспечению осушки газа может содержать более одного сепаратора-газоосушителя, установленного последовательно сепаратору первой ступени, друг за другом, в зависимости от требуемой степени осушения газа и всасывающей способности эжектора.
В трубопровод возврата жидкости и конденсата с жидкостного выхода сепаратора-газоосушителя включен насос.
Технический результат достигается:
за счет использования заявленного ступенчатого извлечения газа в последовательной системе сепараторов;
за счет возврата отсепарированной жидкости с использованием жидкостного эжектора на всасывающий вход предыдущей ступени сепарации;
за счет использования способа сепарирования с закручиванием потока в ниспадающую спираль, стекающую в узком кольцевом зазоре.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена гидравлическая схема двухступенчатого извлечения газа из скважинной газожидкостной смеси.
На фиг. 2 представлен вариант гидравлической схемы трехступенчатого газоизвлечения с двумя сепараторами-газоосушителями, установленными последовательно.
Позиции, указанные на чертежах:
1 - сепаратор первой ступени;
2, 10 - узел ввода рабочей среды;
3, 8 - цилиндрическая перегородка;
4, 9 - кольцевой зазор;
5 - поддон;
6 - лючок;
7, 12 - сепаратор-газоосушитель;
11 - эжектор;
13 - насос.
Осуществление изобретения
Поток скважинной газожидкостной смеси с присущим ему напором направляют в вертикальную осесимметричную камеру гравитационного газожидкостного сепаратора 1 с тангенциальным вводом, благодаря которому газожидкостный поток закручивается в цилиндрической оболочке сепаратора в ниспадающую пристенную спираль; при этом более плотные компоненты (смесь жидкостей и механических примесей) прижимается к цилиндрической оболочке сепаратора, а частично осушенный газ выталкивается в направлении оси цилиндра и далее поднимается вверх, в зону меньшего давления. Для активизации процессов захвата жидкости из смеси силами поверхностного натяжения и конденсации паров, присутствующих в газожидкостной смеси, в конструкцию введена цилиндрическая перегородка 3, отделяющая зону течения спирального газожидкостного потока от внутреннего, свободного пространства сепаратора. При этом ширина образуемого кольцевого зазора 4 должна быть подобрана так, чтобы она была соразмерна с наиболее вероятной толщиной пристенного газожидкостного потока (для обеспечения большей эффективности захвата жидкости из потока силами поверхностного натяжения при контакте с цилиндрической перегородкой), но при этом сохранялась бы возможность истечения из щели освобождающегося газа. Целесообразно также снабдить концевой участок подводящего трубопровода плоским наконечником (трапециевидным фитингом), с тем чтобы создать большую площадь контакта струи с ограждающими поверхностями.
В нижней части сепаратора 1 первой ступени предусмотрен поддон 5 для сбора и удаления твердых примесей, выпадающих из газожидкостного потока, установленный наклонно и снабженный лючком 6 в оболочке сепаратора.
Поскольку первостепенной задачей данного устройства является эффективное разделение жидкой и газообразной фаз газожидкостной смеси, частично осушенный газ после первой ступени сепарации 1 через трубный отвод, расположенный в верхней части сепаратора, направляют в сепаратор-газоосушитель 7. Жидкость, отсепарированную на первой ступени, выводят из данного технологического процесса и направляют в дальнейший технологический процесс.
Частично осушенный газ в сепараторе-газоосушителе 7 должен быть освобожден от большей части занесенной потоком жидкой фазы и жидкостного конденсата, подхваченного газовым потоком со стенок трубопроводов и емкостей. Физические процессы в сепараторе-газоосушителе 7 в основном аналогичны процессам в сепараторе 1 первой ступени; с тем отличием, что рабочая среда здесь - преимущественно газ (или пар). Соответственно должны быть выбраны другие геометрические параметры основных конструктивных элементов, в частности существенно меньшая ширина кольцевой щели 9 между наружной стенкой емкости и цилиндрической перегородкой 8. Жидкость стекает по стенкам в нижнюю часть емкости сепаратора.
Отсепарированные жидкости и конденсат из сепаратора-газоосушителя направляют на всасывающий вход эжектора 11, чем обеспечивается необходимое разрежение в сепараторе-газоосушителе. Применение эжектора 11 в этой системе, как правило, позволяет выполнить отвод жидкой фазы из сепаратора-газоосушителя 7 без применения энергоемких средств откачки. Через проточный канал эжектора с большой скоростью протекает скважинная газожидкостная смесь; за счет понижения давления в потоке смеси в суженном участке, организованном в корпусе эжектора, обеспечивается подсос жидкости, поступающей в эжектор через всасывающий вход.
Газожидкостная система работает следующим образом.
Скважинную газожидкостную смесь подают в сепаратор первой ступени 1 по подводящему трубопроводу через узел ввода 2 и за счет плоского наконечника (трапециевидного фитинга) создают струю большой площади, направляя ее в кольцевую щель 4, образованную оболочкой сепаратора и цилиндрической перегородкой 3. Частично осушенный газ из сепаратора первой ступени через трубный отвод в верхней ее части направляют в сепаратор-газоосушитель 7. Жидкую фазу, отсепарированную в сепараторе первой ступени, выводят из процесса через штуцер в нижней части сепаратора первой ступени. Твердые примеси, выпавшие в сепараторе первой ступени на поддон 5, по мере необходимости удаляют через лючок 6. Частично осушенный газ, поступающий в сепаратор-газоосушитель 7, направляют с помощью узла ввода 10 в кольцевую щель 9 между стенкой сепаратора-газоосушителя и цилиндрической перегородкой 8. Осушенный газ забирают из сепаратора-газоосушителя через трубный отвод в его верхней части для дальнейшей технологической переработки или на следующую ступень сепаратора для осушки. Отсепарированные жидкости и конденсат из сепаратора-газоосушителя направляют на всасывающий вход эжектора 11, чем обеспечивается необходимое разряежение в сепараторе-газоосушителе.
Возможен вариант гидравлической схемы трехступенчатого газоизвлечения с двумя сепараторами-газоосушителями 7 и 12, установленными последовательно. Для активизации возвратного жидкостного потока здесь может быть применен насос 13.