Струйное устройство для перепуска затрубного газа
JET DEVICE FOR BYPASS OF ANNULAR GAS

Изобретение относится к области нефтедобывающей отрасли и может быть использовано для перепуска газа из затрубного пространства скважины, эксплуатируемой погружной установкой электроцентробежного насоса, в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ).
Известен способ перепуска газа из затрубного пространства с помощью клапана лифтового для стравливания газа, спускаемого в эксплуатационную колонну на глубину свыше 30 метров от устья скважины, устанавливаемого под трубодержатель в колонне НКТ (паспорт «Клапан лифтовый для стравливания газа», ООО «Татнефть-РНО-МехСервис», Альметьевск, 2008).  Клапан лифтовый для стравливания газа обеспечивает автоматический перепуск газа из затрубного пространства эксплуатационной колонны в верхнюю часть колонны НКТ и далее в выкидную линию.
Недостатком клапана лифтового для стравливания газа является его срабатывание только при условии превышения давления газа более 0,2…0,3 МПа в затрубном пространстве эксплуатационной колонны.
Известно автоматическое клапанное устройство, включающее в себя обратный клапан и устройство для управления его работой, выполненное в виде корпуса и поршня. В корпусе установлены клиновидные толкатели с пружинами, а поршень связан с выкидной линией посредством установленных под ним толкателя и двух концентрично расположенных гофрированных трубок. Обратный клапан посредством гидравлического канала соединен с выкидной линией (А. с. СССР № 625021, 1978). Перепуск газа осуществляется устройством независимо от величины давления газа в затрубном пространстве.
Недостатком автоматического клапанного устройства является не возможность работы в условиях низких температур из-за замерзания обратного клапана, установленного на выкидной линии. Конструкция автоматического клапанного устройства в целом отличается большими габаритами и сложностью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретениюструйный аппарат для перепуска затрубного газа (Патент РФ №2517287, 2014) в колонну НКТ. Струйный аппарат для перепуска затрубного газа устанавливается выше динамического уровня и связывает через обратный клапан затрубное пространство эксплуатационной колонны с колонной НКТ и выполнен из двух симметричных половин в продольном разрезе, одна половина установлена с обратным клапаном неподвижно, а вторая половина может продольно перемещаться внутри колонны НКТ и постоянными магнитами связана с поршнем, подпружиненным снизу, и размещенным в цилиндре, нижний конец которого сообщается с затрубным пространством, а верхний с полостью колонны НКТ.
Наиболее близкий к изобретению струйный аппарат для перепуска затрубного газа может быть принят в качестве прототипа, однако прототип не лишен недостатков. Существенным недостатком струйного аппарата для перепуска затрубного газа является расположение пружины в нижней части подпоршневой области, налагающее ограничение в применении этого насоса. Возможно возникновение ситуации, при которой давление затрубного газа будет значительно выше давления со стороны динамического уровня, тем самым струйный аппарат будет находиться в рабочем состоянии продолжительное время, вследствие чего возникнут значительные потери давления.
Техническое решение в предлагаемом изобретении направлено на повышение надежности и эффективности работы погружной установки электроцентробежного насоса посредством повышения ее коэффициента полезного действия (КПД).
Поставленная задача решается применением предлагаемого струйного устройства для перепуска затрубного газа.
Новым является то, что пружина сжатия располагается в надпоршневой полости, при чем поршень подпружинен сверху, пружина упирается на решетку, а между магнитами в корпусе предусмотрена немагнитная вставка шириной, равной ширине магнитов, и длиной, равной длине хода подвижной половины струйного устройства. Указанное расположение пружины позволит в значительной степени уравновесить высокое давление со стороны затрубного газа.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 приведена схема струйного устройства для перепуска затрубного газа в нерабочем состоянии;
- на фиг.2 приведена схема струйного устройства для перепуска затрубного газа в рабочем состоянии;
- на фиг.3 приведена расчетная схема поршневой полости струйного насоса.
Предлагаемое струйное устройство для перепуска затрубного газа монтируется в колонне НКТ 1 (фиг.1). Струйное устройство для перепуска затрубного газа состоит из двух симметричных половин – неподвижной 2, оснащенной обратным клапаном 9, и подвижной половиной 6, связанной через постоянные магниты 7 с поршнем 8, подпружиненным пружиной 5, пружина располагается в надпоршневой полости 4 цилиндра 11 и сверху упирается на решетку 16. Цилиндр 11 имеет отверстие 12 в нижней части для сообщения с затрубным пространством 13, образованным колонной НКТ 1 и эксплуатационной колонной 14. Цилиндр 11 оснащен неметаллической вставкой 10. Отверстие 3 связывает надпоршневую полость 4 с полостью колонны НКТ 1. Пластовая среда, перекачиваемая электроцентробежным погружным насосом 15, перемещается через струйное устройство для перепуска затрубного газа в полость колонны НКТ 1.
Струйное устройство для перепуска затрубного газа работает следующим образом.
При эксплуатации насосного оборудования на приеме электроцентробежного погружного насоса 15 происходит разгазирование пластовой жидкости. При этом часть газа попадает в полость погружного электроцентробежного насоса 15 и по колонне НКТ 1 поднимается на дневную поверхность, а другая часть скапливается в затрубном пространстве 13 над динамическим уровнем, увеличивая давление газа. Под создавшимся давлением газ через отверстие 12 воздействует на поршень 8 (фиг. 2). Под действием пружины 5 и давления газа, которое начинает превышать давление пластовой среды, созданное через отверстие 3, поршень 8 перемещается вверх, вдоль неметаллической вставки 10 увлекая за собой постоянные магниты 7 и  подвижную симметричную половину 6 струйного устройства для перепуска затрубного газа. При достижении подвижной симметричной половины 6 верхнего крайнего положения струйное устройство для перепуска затрубного газа начинает действовать в рабочем режиме, снижая давление в сужении Н, при этом обратный клапан 9 открывается и газ из затрубного пространства 13 перепускается в колонну НКТ 1, снижая при этом давление газа в затрубном пространстве 13.
После снижения давления газа в затрубном пространстве 13 подвижная симметричная половина 6 струйного устройства для перепуска затрубного газа перемещается вниз под действием собственного веса, одновременно увлекая за собой поршень 8 с помощью постоянных магнитов 7, сжимая при этом пружину 5, увеличивая проходное сечение между неподвижной 2 и подвижной 6 симметричными половинами струйного устройства для перепуска затрубного газа, таким образом снижая гидравлическое сопротивление пластовой среды в колонне НКТ 1.
Для обоснования целесообразности применения предлагаемой конструкции струйного устройства требуется установить величину динамического уровня, при котором возможно перемещение поршня под действием давления затрубного газа. На фиг.3 представлена расчетная схема поршневой полости струйного насоса.
На фиг.3 расположение пружины в подпоршневой полости отмечено поз.1, а расположение пружины в надпоршневой полости – поз.2. Знаки «–» и «+» перед произведением  характеризуют действие пружины в зависимости от ее расположения соответственно в над- или подпоршневой полостях. В случае расположения пружины под поршнем усилия, вызванные разжатием пружины, необходимо суммировать, а при расположении пружины над поршнем – вычитать.
Движение поршня струйного устройства с учетом потерь на трение описано уравнением:
где  – масса поршня, кг;
– ускорение поршня, .
– площадь поперечного сечения поршня, ;
– давление на выходе отверстия в надпоршневой полости, Па;
– давление на выходе отверстия в подпоршневой полости, Па;
– жесткость пружины,;
– диаметр уплотнения поршня, м;
– ширина уплотнения поршня, м;
k – коэффициент трения.
Уравнение описывает процесс движения поршня при различных значениях динамического уровня.
В предлагаемом струйном устройстве для перепуска затрубного газа в колонну НКТ расположение пружины в надпоршневой полости позволяет в значительной степени уравновесить высокое давление со стороны затрубного газа, позволяя при этом увеличить уровень пластовой среды над погружным электроцентробежным насосом, повысить дебит скважины, предотвратить образование гидратных пробок за счет понижения давления газа в затрубном пространстве.
Применение струйного устройства для перепуска затрубного газа позволит увеличить КПД погружной установки электроцентробежного насоса, снизить глубину подвески электроцентробежного насоса в скважине за счет повышения динамического уровня пластовой среды, и тем самым, сократить количество спускаемых в скважину НКТ и увеличить период работы погружной установки электроцентробежного насоса между ремонтами.