УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ГАЗА ИЗ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
DEVICE FOR SEPARATION OF GAS FROM LIQUID-GAS MIXTURE

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для сепарации газа из газожидкостной смеси при ее перекачке.
Известен газовый якорь (авторское свидетельство SU №1810512, МПК E21B 43/38, опубл. 23.04.1993 г., бюл. №13), содержащий корпус с входными отверстиями для прохода газожидкостной смеси, всасывающую трубу, размещенную внутри корпуса для подачи жидкости на прием насоса и газовыпускной узел, причем якорь снабжен сепарационными элементами, размещенными в корпусе, и выполнен с газовой полостью, размещенной на наружной поверхности корпуса, при этом корпус в нижней части выполнен с боковым отверстием, полость сепарационных элементов и полость корпуса гидравлически связаны с газовой полостью, а всасывающая труба размещена эксцентрично оси корпуса, при этом сепарационные элементы выполнены в виде горизонтальных расположенных друг над другом цилиндрических патрубков с вырезанной нижней частью, внутренние торцы которых заглушены полностью, и выходящие в газовую полость наполовину снизу, при этом верхний сепарационный элемент расположен ниже входного отверстия газожидкостной смеси, а газовая полость выполнена в виде прикрепленной к корпусу трубы, открытый верх которой размещен выше входных отверстий.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (газовыпускной узел, сепарационные элементы и т.д.);
- во-вторых, низкая эффективность работы устройства, обусловленная тем, что теоретически скорость всплытия газового пузырька Vг рассчитывается согласно формуле Стокса, но на практике устройство не обеспечивает эффективного отделение газа от жидкости, так как размеры пузырьков газа всегда бывают разными, а скорость их всплытия, вследствие стесненности движения, сильно отличается от расчетной величины;
- в-третьих, конструктивно сложные детали и, как следствие, высокая себестоимость готового изделия.
Наиболее близким по технической сущности является газовый якорь (патент RU №2269649, МПК E21B 43/38, опубл. 10.02.2006 г., бюл. №4), содержащий всасывающий патрубок с осевым и радиальными каналами, ряд последовательно размещенных одна над другой на всасывающем патрубке чашек, накопительный патрубок, при этом радиальные каналы всасывающего патрубка расположены на уровне днища каждой чашки, высота которой определена из соотношения:
пуз
h>V·t/2,
пуз
где V - скорость всплытия пузырьков газа в чашке;
t - время цикла откачки пластовой жидкости штанговым насосом,
при этом суммарный объем чашек принят из условия превышения суммарного объема пластовой жидкости в этих чашках над объемом подачи штангового насоса за одно качание.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая эффективность работы устройства, выполненного в виде последовательно размещенных на всасывающем патрубке чашек. Это обусловлено тем, что весь объем газожидкостной смеси (ГЖС) при сепарации газа делится равными порциями на количество чашек, при этом происходит одноступенчатое одновременное отделение газа из жидкости, причем теоретически скорость всплытия газового пузырька Vг рассчитывается согласно формуле Стокса, но на практике устройство не обеспечивает эффективного отделение газа от жидкости, так как размеры пузырьков газа всегда бывают разными, а скорость их всплытия, вследствие стесненности движения, сильно отличается от расчетной величины;
- во-вторых, низкая надежность работы, связанная с тем, что механические частицы, песок шлам, грязь, оседающие в накопительном патрубке последовательно снизу вверх перекрывают радиальные каналы всасывающего патрубка и тем самым исключают переток ГЖС из чашек внутрь всасывающего патрубка, т.е. механические частицы, песок шлам, грязь последовательно выводят (отключают) чашки из работы;
- в-третьих, ограниченные функциональные возможности, т.е. данный газовый фильтр работает в паре только с насосом (ШГН), имеющим циклическую подачу, но не позволяет работать в паре с электроцентробежным, винтовым и другими видами насосов, имеющими постоянную подачу. Кроме того, при снижении дебита штангового насоса за одно качание вследствие выработки запасов нефти из пласта нарушается алгоритм работы устройства, что связано с тем, что высота каждой чашки определяется из условия, что высота чашки не превышает расчетной длины пути пузырька выделившегося газа за время, равное времени  цикла нагнетания насоса.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности сепарации газа из ГЖС, повышение надежности работы устройства для сепарации газа из газожидкостной смеси, а также расширение функциональной возможности работы устройства.
Поставленная задача решается устройством для сепарации газа из газожидкостной смеси, содержащим всасывающий патрубок с осевым каналом, ряд последовательно размещенных одна над другой на всасывающем патрубке чашек.
Новым является то, что всасывающий патрубок снаружи оснащен пакером, сверху во всасывающий патрубок концентрично вставлен первый дополнительный патрубок с осевым каналом, а в первый дополнительный патрубок сверху установлен второй дополнительный патрубок с осевым каналом, причем первый дополнительный патрубок оснащен дополнительным рядом последовательно размещенных одна над другой на всасывающем патрубке чашек, причем все чашки в рядах снизу оснащены перфорированными отверстиями, а диаметры чашек в рядах увеличиваются сверху вниз, при этом в верхней части первого дополнительного патрубка установлена эластичная манжета, пропускающая снизу вверх, межколонное пространство скважины между пакером и эластичной манжетой сообщается с осевым каналом первого дополнительного патрубка с помощью первого ряда отводов, а межколонное пространство скважины выше эластичной манжеты, пропускающей снизу вверх, сообщается с осевым каналом второго дополнительного патрубка с помощью второго ряда отводов, причем в осевом канале всасывающего патрубка установлен завихритель, выполненный в виде шнека.
На фигуре схематично изображено предлагаемое устройство для сепарации газа из газожидкостной смеси.
n
n
Устройство для сепарации газа из газожидкостной смеси содержит всасывающий патрубок 1 с осевым каналом 2, ряд 3 последовательно размещенных одна над другой на всасывающем патрубке чашек 4′…4. Количество чашек 4′…4 зависит от производительности скважинного насоса и подбирается опытным путем. Например, на всасывающем патрубке 1 выполняют три чашки 4′, 4′′, 4′′, а всасывающий патрубок 1 выполняют из трубы условным диаметром 114·7 мм по ГОСТ 633-80. Всасывающий патрубок 1 снаружи оснащен пакером 5, любой известной конструкции, позволяющий герметизировать межколонное пространство. Сверху во всасывающий патрубок 1 концентрично вставлен первый дополнительный патрубок 6 с осевым каналом 7. Например, первый дополнительный патрубок 6 выполнен длиной 3 м из трубы с условным диаметром 89·6,5 мм по ГОСТ 633-80.
В первый дополнительный патрубок 6 сверху установлен второй дополнительный патрубок 8 с осевым каналом 9. Например, второй дополнительный патрубок 8 выполнен из трубы с условным диаметром 60·5 мм по ГОСТ 633-80.
n
n
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Первый дополнительный патрубок 6 оснащен дополнительным рядом 10 последовательно размещенных одна над другой чашек 11′…11. Количество чашек 11′…11 зависит от производительности скважинного насоса и подбирается опытным путем. Например, на первом дополнительном патрубке 6 выполняют три чашки 11′, 11′′, 11′′′. Диаметры чашек 4′, 4′′, 4′′′ (d; d; d) и 11′, 11′′, 11′′′ (D; D; D), соответственно, в рядах 3 и 10 увеличиваются сверху вниз: d<d<d и D<D<D. В верхней части первого дополнительного патрубка 6 установлена эластичная манжета 12, пропускающая снизу вверх. Межколонное пространство 13 скважины 14 между пакером 5 и эластичной манжетой 12, пропускающей снизу вверх, сообщается с осевым каналом 7 первого дополнительного патрубка 6 с помощью первого ряда отводов 15, например выполненных из трех втулок диаметром 60 мм по периметру всасывающего патрубка 1.
Межколонное пространство 16 скважины 14 выше эластичной манжеты 12, пропускающей снизу вверх, сообщается с осевым каналом 9 второго дополнительного патрубка 8 с помощью второго ряда отводов 17, например, выполненных из трех втулок диаметром 48 мм по периметру первого дополнительного патрубка 6. В осевом канале 2 всасывающего патрубка 1 установлен завихритель 18, выполненный в виде шнека.
Чашки 4′, 4′′, 4′′′ и 11′, 11′′, 11′′′, соответственно, в рядах 3 и 10 оснащены перфорированными отверстиями 19 (на чертеже показано условно), например, в днище чашек 4′, 4′′, 4′′′ и 11′, 11′′, 11′′′ по периметру выполняют отверстия диаметром 8 мм.
Устройство для сепарации газа из газожидкостной смеси работает следующим образом.
Устройство на конце насоса любой известной конструкции спускают в скважину 14 таким образом, чтобы нижний конец всасывающего патрубка 1 находился в зумпфе скважины на 1-2 м ниже нижнего интервала перфорации 20, например h=1,5 м, а пакер 5 размещался выше кровли пласта 21.
3
Запускают насос в работу, например с производительностью 20 м/сут, при этом пластовая газированная жидкость, т.е. газожидкостная смесь (ГЖС) из интервалов перфорации 20 пласта 21 попадает в завихритель 18, расположенный в осевом канале 2 всасывающего патрубка 1. В завихрителе 18 ГЖС начинает вращаться, причем вращение достигается за счет ввода ГЖС по шнеку.
Под действием центробежных сил вращающийся поток ГЖС прижимается к внутренним стенкам всасывающего патрубка 1, где происходит отделение жидкости от газа и механических частиц, грязи, песка, шлама за счет центробежных сил.
Газ, отделившийся из жидкости, поднимается вверх в межколонное пространство 13, а механические примеси - песок, шлам, грязь - через всасывающий патрубок 1 опускаются вниз на забой скважины 14 и удаляются с забоя при промывке скважины.
Таким образом, механические частицы, песок, шлам, грязь оседают на забое, а не внутри устройства, что исключает засорение устройства механическими частицами, песком, шламом, грязью, и выход чашек из строя в связи с этим повышает надежность работы устройства.
По выходу из завихрителя 18 поток ГЖС попадает в кольцевое пространство 22, образованное всасывающим патрубком 1 и первым дополнительным патрубком 6, поднимается и выходит в межколонное пространство 13, где поток ГЖС резко меняет направление на 180°, так как сверху установлена самоуплотняющаяся манжета 12.
1
2
3
Далее поток ГЖС, двигаясь вниз, попадает на ряд 3 последовательно размещенных одна над другой на всасывающем патрубке 1 чашек 4′, 4′′, 4′′′ (D<D<D), ГЖС через перфорированные отверстия 19 (на чертеже  показано условно) чашек 4′, 4′′, 4′′′ стекает сверху вниз от одной чашки к другой.
Перфорированные отверстия 19 чашек 4′, 4′′, 4′′′ разбивают (дробят) поток ГЖС в чашах 4′, 4′′, 4′′ на несколько мелких потоков и снижают скорость потока ГЖС во время перетекания от одной чаши к другой чаше, т.е. от 4′ к 4′′; 4′′ и 4′′′; 4′′′ на пакер 5, при этом за счет гравитационных сил происходит выделение газа из ГЖС.
В случае переполнения чашек 4′ и 4′′ ГЖС переливается в нижележащую чашку, вследствие ее большего диаметра в сравнении с вышеустановленной чашкой.
Газ поднимается вверх (средняя скорость всплытия пузырьков газа в нефти, составляет 1-3 см/сек), а внизу над пакером 5 в межколонном пространстве 13 скапливается жидкость с остатками пузырьков газа.
Благодаря самоуплотняющейся манжете 12, пропускающей снизу вверх, газ из межколонного пространства 13 поднимается вверх в межколонное пространство 16.
Далее жидкость с остатками пузырьков газа через первый ряд отводов 15 поступает в осевой канал 7 первого дополнительного патрубка 6.
Жидкость с остатками пузырьков газа поднимается по первому дополнительному патрубку 6 через кольцевое пространство 23 между первым дополнительным патрубком 6 и вторым дополнительным патрубком 8, выходит в межколонное пространство 16 выше самоуплотняющейся манжеты 12, не пропускающей сверху вниз.
1
2
3
В межколонном пространстве 16 поток жидкости с пузырьками газа резко меняет направление на 180°, вдвигаясь вниз, попадает на ряд 10 последовательно размещенных одна над другой на первом дополнительном патрубке чашек 11′, 11′′, 11′′′ (d<d<d).
ГЖС через перфорированные отверстия 19 (на фиг. показано условно) чашек 11′, 11′′, 11′′′ стекает сверху вниз от одной чашки к другой.
Перфорированные отверстия 19 чашек 11′, 11′′, 11′′′ разбивают (дробят) поток ГЖС в чашах 11′, 11′′, 11′′ на несколько мелких потоков и снижают скорость потока ГЖС во время перетекания от одной чаши к другой чаше, т.е. от 11′ к 11′′; 11′′ и 11′′′; 11′′′ на эластичную манжету 12, при этом за счет гравитационных сил происходит выделение газа из ГЖС.
В случае переполнения чашек 11′ и 11′′ ГЖС переливается в нижележащую чашу, вследствие ее большего диаметра в сравнении с диаметром вышерасположенной чашки.
Отделенные от жидкости остатки пузырьков газа поднимаются вверх по межколонному пространству 16 на устье скважины, а отсепарированная от остатков пузырьков газа жидкость через второй ряд отводов 17 поступает в осевой канал 9 второго дополнительного патрубка 8 и далее на прием насоса (на чертеже не показано), которым перекачивается на поверхность.
Повышается эффективность работы устройства для сепарации газа из газожидкостной смеси, т.е. повышается качество сепарации газа из газожидкостной смеси так, как в предлагаемой конструкции устройства в отличие от прототипа скорость всплытия пузырьков газа не рассчитывается по формуле Стокса, при этом выделение газа из ГЖС происходит поэтапно (на двух ступенях), при этом основная часть газа выделяется из ГЖС на первой ступени в завихрителе 18 за счет центробежных сил, а также в чашках 4′, 4′′, 4′′′ за счет гравитационных сил, оставшаяся часть газа выделяется из ГЖС на второй ступени в чашках 11′, 11′′, 11′′′ за счет гравитационных сил.
Расширяются функциональные возможности работы устройства, так как оно имеет возможность работы в паре не только с насосом, имеющим циклическую подачу (ШГН), как описано в прототипе, но и позволяет работать в паре с электроцентробежным, винтовым и другими видами насосов, имеющими постоянную подачу.
Также исключается определение высоты каждой чашки из условия, что высота чашки не превышает расчетной длины пути пузырька выделившегося газа за время, равное времени  цикла нагнетания насоса.
Предлагаемое устройство для сепарации газа из газожидкостной смеси позволяет повысить эффективность отделения газа из ГЖС, а также повысить надежности работы из-за исключения засорения устройства механическими примесями, песком, шламом, грязью и расширить функциональные возможности работы за счет возможности работы устройства с любым типом скважинного насоса.