КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА
COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к области компрессорных машин, и может быть использовано при добыче нефти и газа на месторождениях углеводородов на суше или на море, в том числе для реализации газлифтного метода эксплуатации скважин или для технологий закачки различных газов в пласт при внедрении методов увеличения нефтеотдачи.
Известна компрессорная установка, содержащая две рабочие камеры, сообщающиеся с жидкостным насосом, перепускное распределительное устройство и нагнетательное распределительное устройство, всасывающие газовые клапаны и нагнетательные газовые клапаны, которые отделяют полости рабочих камер от газопровода низкого давления и газопровода высокого давления (SU 1707231 A1, 23.01.1992 г.).
Недостатком известного устройства является низкая эффективность рабочего процесса при сжатии газа, поскольку при перепуске газа через жидкостной насос мощность двигателя значительно снижается, провоцируя неравномерность нагрузки на двигатель.
Из известных устройств наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является компрессорная установка, содержащая рабочую камеру, сообщающуюся с жидкостным насосом, эжектор, перепускное распределительное устройство, всасывающий газовый клапан, который отделяет полость рабочей камеры и газопровода высокого давления от газопровода низкого давления (RU 2154749C2, 20.08. 2000 г.).
Недостатком указанного устройства является низкая эффективность рабочего процесса при сжатии газа, поскольку при заполнении газом рабочей камеры мощность жидкостного насоса и приводного двигателя значительно ниже, чем при вытеснении газа в газопровод высокого давления, что сопровождается неравномерной загрузкой двигателя. Указанное обстоятельство негативно отражается на эффективности самого рабочего процесса при сжатии и перекачке газа. Кроме того, из-за неравномерной загрузки установленная мощность двигателя к насосу должна быть увеличена, что сопряжено с соответствующим увеличением габаритов жидкостного насоса, двигателя и рабочих камер.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение энергоэффективности и снижение габаритов компрессорной установки.
Указанная проблема решается тем, что компрессорная установка, содержит рабочие камеры высокого и низкого давления, выполненные в виде частично заполненных жидкостью подземных вертикальных емкостей с устьевыми головками, всасывающий и нагнетательный газовые клапаны, установленные, соответственно, на газопроводах низкого и высокого давления, подсоединенных к полостям устьевых головок рабочих камер высокого и низкого давления, погружной жидкостной насос, размещенный в рабочей камере низкого давления, и эжектор, сопло которого подсоединено к выходу погружного жидкостного насоса, вход камеры смешения через всасывающий газовый клапан сообщается с газопроводом низкого давления, а выход камеры смешения гидравлически связан с рабочей камерой высокого давления, при этом рабочие камеры низкого и высокого давления сообщаются между собой посредством регулируемых распределительных устройств, установленных, соответственно, на линии, сообщающей указанные камеры непосредственно, и на линии, соединяющей выход погружного жидкостного насоса с рабочей камерой высокого давления.
Достигаемый технический результат заключается в снижении колебаний мощности жидкостного насоса, и, соответственно, приводного двигателя за счет реализации эжекторного процесса для предварительного сжатия газа при заполнении рабочей камеры газом с одновременным снижением гидравлического сопротивления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявляемой компрессорной установки.
Компрессорная установка содержит рабочие камеры 1, 2 низкого и высокого давления, регулируемые распределительные устройства 3, 4, погружной жидкостной насос 5, всасывающий газовый клапан 6, нагнетательный газовый клапан 7, установленные, соответственно, на газопроводах низкого 8 и высокого 9 давления. Выход 10 погружного жидкостного насоса 5 соединен с соплом 11 эжектора. Вход камеры смешения 12 эжектора через всасывающий газовый клапан 6 сообщается с газопроводом низкого давления 8, а выход камеры смешения 12 гидравлически связан с рабочей камерой высокого давления 2. Рабочая камера 2 высокого давления выполнена в виде частично заполненной жидкостью подземной вертикальной емкости 13 с устьевой головкой 14. Рабочая камера 1 низкого давления выполнена в виде частично заполненной жидкостью подземной вертикальной емкости 15 с устьевой головкой 16. Погружной жидкостной насос 5 может быть оснащен регулятором подачи 17. Регулятор подачи 17 может быть выполнен в виде частотного преобразователя, который подключен через электрический кабель 18 к электродвигателю 19, который и приводит в действие жидкостной насос 5. Для исключения попадания газа в жидкостный насос 5, в рабочих камерах 1 и/или 2 могут использоваться колонны насосно-компрессорных труб 20, как в известных технических решениях, когда погружная насосная установка (или отдельная колонна труб) спускается в скважину под уровень жидкости. На фигуре для наглядности показана граница раздела 21 между жидкостью и газом в рабочей камере.
При этом рабочие камеры низкого 1 и высокого 2 давления сообщаются между собой посредством регулируемых распределительных устройств 3 и 4, установленных, соответственно, на линии, сообщающей указанные камеры непосредственно, и на линии, соединяющей выход 10 погружного жидкостного насоса 5 с рабочей камерой высокого давления 2.
Рабочие камеры низкого 1 и высокого 2 давления могут быть выполнены с применением известной технологии строительства скважин, и с использованием серийно выпускаемого нефтяного и газового оборудования.
Работа компрессорной установки может быть автоматизирована и компьютеризирована с использованием системы управления 22. Система управления 22 соединена с датчиками 23 и 24 через каналы связи 25 и 26, соответственно. В качестве датчиков 23 и 24 могут быть использованы датчики давления, к примеру (также могут использоваться и другие известные датчики, в том числе для контроля скорости потока, плотности перекачиваемой среды, или датчики для контроля уровня жидкости в скважине: по расстоянию от устья скважины до границы раздела 21 между жидкостью и газом в рабочей камере). Система управления 22 соединена с регулятором подачи 17 через канал связи 27. Система управления 22 соединена с регулируемыми распределительными устройствами 4 и 3 через каналы управления 28 и 29, соответственно.
Компрессорная установка работает следующим образом.
Рабочие камеры высокого 2 и низкого 1 давления, выполненные в виде подземных вертикальных емкостей 13 и 15, частично заполнены жидкостью, в качестве которой может использоваться пластовая вода. При режиме работы, когда регулируемое распределительное устройство 4 закрыто, а регулируемое распределительном устройстве 3 открыто, погружной жидкостной насос 5 подает жидкость из рабочей камеры низкого давления 1 в сопло 11 эжектора. За счет энергии струи жидкости на входе камеры смешения 12 эжектора понижается давление, и в камеру смешения 12 поступает газ из газопровода низкого давления 8, через открытый всасывающий газовый клапан 6. На выходе камеры смешения 12 эжектора повышается давление в потоке смеси жидкости и газа, за счет преобразования кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию, что сопровождается повышением давления при понижении скорости течения газожидкостного потока. Сжатый газ вместе с жидкостью поступает в рабочую камеру высокого давления 2, где реализуется процесс сепарации, с разделением газожидкостной смеси на жидкую и газовую фазу. Жидкость скапливается в нижней части рабочей камеры высокого давления 2, а газ в верхней части, как в известных гравитационных сепараторах. Сжатый газ накапливается в верхней части рабочей камеры высокого давления 2, что приводит к смещению границы раздела 21 в направлении сверху вниз. При этом жидкость из рабочей камеры высокого давления 2 вытесняется через колонну насосно-компрессорных труб 20, и через открытое регулируемое распределительное устройство 3, в рабочую камеру низкого давления 1. При этом газ из рабочей камеры низкого давления 1 отводится в камеру смешения 12 эжектора через открытый всасывающий газовый клапан 6, поскольку рабочая камера 1 сообщается с газопроводом низкого давления 8. Когда граница раздела 21 приблизится к нижнему концу колонны насосно-компрессорных труб 20, в систему управлений 22 поступит сигнал с датчика 23 через канал связи 25. При этом система управления 22 сгенерирует управляющий сигнал на закрытие регулируемого распределительного устройства 3, и на открытие регулируемого распределительного устройства 4. Управляющий сигнал на закрытие регулируемого распределительного устройства 3 поступает через канал управления 29. Управляющий сигнал на открытие регулируемого распределительного устройства 4 поступает через канал управления 28. Часть жидкости с выхода 10 погружного жидкостного насоса 5 начнет поступать в полость колонны насосно-компрессорных труб
20 через открытое регулируемое распределительное устройство 4. При этом снижается гидравлическое сопротивление и уменьшаются потери мощности в каналах при заполнении рабочей камеры 2 жидкостью, поскольку жидкость в рабочую камеру 2 поступает уже по двум параллельным каналам: через регулируемое распределительное устройство 4, и через сопло 11, камеру смешения 12 эжектора.
Граница раздела 21 начнет смещаться в направлении снизу вверх, поскольку регулируемое распределительное устройство 3 переведено в закрытое положение. При этом продолжится сжатие газа в рабочей камере высокого давления 2, что сопровождается соответствующим ростом давления. Из-за увеличения давления в рабочей камере высокого давления 2 всасывающий газовый клапан 6 закроется. При смещении границы раздела 21 вверх, наступит момент, когда давление в рабочей камере высокого давления 2 сравняется с давлением в газопроводе высокого давления 9, а информация об этом поступит в систему управления 22, поскольку система управления 22 соединена с датчиками 23 и 24 через каналы связи 25 и 26, соответственно. Такое выравнивание давления приведет к открытию нагнетательного газового клапана 7. При дальнейшем смещении границы раздела 21 вверх, сжатый газ из рабочей камеры высокого давления 2 вытесняется в газопровод высокого давления 9, через открытый нагнетательный газовый клапан 7. После цикла вытеснения газа, жидкость попадет в полость нагнетательного газового клапана 7, и такое замещения газа на жидкость отразится на показаниях от датчиков 23 и 24. В систему управления, таким образом, поступит сигнал о завершении цикла по вытеснению газа из рабочей камеры высокого давления 2. При этом система управления 22 сгенерирует управляющий сигнал на открытие регулируемого распределительного устройства 3, и на закрытие регулируемого распределительного устройства 4. Управляющий сигнал на открытие регулируемого распределительного устройства 3 поступает через канал управления 29. Управляющий сигнал на закрытие регулируемого распределительного устройства 4 поступает через канал управления 28. При этом давление в рабочей камере высокого давления 2 снизится до значения равного давлению в рабочей камере низкого давления 1, и соответственно до значения давления в газопроводе низкого давления 8, поскольку рабочая камера 1 сообщается с газопроводом низкого давления 8. При этом закроется нагнетательный газовый клапан 7. Вся жидкость с выхода 10 погружного жидкостного насоса 5 будет поступать в сопло 11 эжектора. При этом на входе камеры смешения 12 снизится давление, что приведет к открытию всасывающего газового клапана 6. В камеру смешения 12 эжектора начнет поступать газ из газопровода низкого давления 8, и описанный выше цикл работы повторится. Тем самым достигается технический результат изобретения, которой заключается в снижении колебаний мощности погружного жидкостного насоса 5, и приводного двигателя 19 соответственно, за счет использования эжекторного процесса для предварительного сжатия газа при заполнении рабочей камеры 2 газом, с одновременной откачкой жидкости из этой же рабочей камеры 2. Кроме того, компрессорная установка может иметь исполнение, где погружной жидкостной насос 5 оснащен регулятором подачи 17. Регулятор подачи 17 может быть выполнен в виде частотного преобразователя, который, как в известной системе регулирования, подключен через электрический кабель 18 к электродвигателю 19, который и приводит в действие погружной жидкостной насос 5. При подаче управляющего сигнала от системы управления 22, через канал управления 27, на регулятор подачи 17 в виде частотного преобразователя, достигается изменение частоты вращения ротора у погружного жидкостного насоса 5, что позволяет снизить колебания мощности жидкостного насоса 5, и приводного двигателя 19 соответственно.
Предлагаемое изобретение предоставляет дополнительные возможности для использования принципов унификации. Широкая гамма серийно выпускаемых обсадных труб, устьевого и насосного оборудования дает возможности для сборки оптимальной компрессорной установки, при самых различных давлениях и производительности компрессорной установки. В том числе в качестве рабочих камер 1 и 2 могут быть использованы нефтяные или газовые скважины, выведенные в бездействующий фонд скважин. Для морских месторождений подобная компактная компрессорная установка может быть расположена на дне моря или на морской нефтяной платформе.