ЭЖЕКТОР ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ПОДАЧИ ПОТОКА В СКВАЖИНАХ И ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ СЫРОЙ НЕФТИ ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ
EJECTOR FOR IMPROVING FLOW SUPPLY CONDITIONS IN BOREHOLES AND DURING TRANSPORTATION OF CRUDE OIL FROM SURFACE STORAGE TANKS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к модифицированному насосу струйного типа и, в частности, к эжектору, который установлен на поверхности и задействуется в процессе нефтедобычи, увеличивая выработку нефти и сопутствующих жидкостей путем воздействия на устье скважины; изобретение также предназначено для перекачки нефти из одного места хранения в другое по трубопроводу.
Более конкретно, изобретение относится к струйному насосу, приводимому в движение рабочей жидкостью, имеющейся на месте эксплуатации, такой как вода, извлеченная из скважин и отделенная от нефти, подлежащей обратной закачке, в качестве основного рабочего элемента струйного насоса, который улучшает экологические условия, поскольку для его работы не требуются другие источники энергии, такие как электроэнергия или топливо, и, кроме того, который является очень экономичным, поскольку затраты на его эксплуатацию и техническое обслуживание очень низкие.
Этот струйный насос, модифицированный для заявленной здесь цели, называется эжектором и имеет некоторые изменения в конструкции и компоновке, что делает его новым и соответствующим критерию изобретательского уровня.
Преимущество его также заключается в том, что благодаря своему весу и размерам он легко транспортируется с одного места на другое.
Уровень техники
В настоящее время для перекачки жидкостей, таких как нефть, особенно на поверхности, используются насосы объемного действия, приводимые в движение электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания; это увеличивает расходы на эксплуатацию, для которой требуются источники энергии, обеспечивающие привод вышеуказанных насосов, и влечет за собой повышение затрат в связи с необходимостью сложной инфраструктуры, соответствующей каждому конкретному случаю.
Кроме того, эти насосы требуют постоянного периодического технического обслуживания, а также контроля со стороны операторов. Следует также отметить, что, как хорошо известно, данные насосы наносят вред окружающей среде как на этапе монтажа, так и во время эксплуатации и технического обслуживания.
В настоящее время разработаны эжекторы или струйные насосы, принцип действия которых основан на эффекте Вентури; в них рабочая жидкость под высоким давлением используется для подвода энергии к подсасываемой жидкости с низким давлением, а их смесь на выходе имеет заданное давление с учетом требований места эксплуатации. Такие эжекторы или струйные насосы используются в нефтедобыче и специально предназначены для таких условий; есть и другие насосы, имеющие специальную конструкцию и применяемые для обратной закачки в определенные скважины жидкостей, которые были добыты вместе с нефтью, имеют высокую концентрацию загрязняющих веществ и подлежат повторной закачке на большие глубины. В качестве примера можно привести следующие патенты.
В нефтедобывающей промышленности для добычи нефти также применяется оборудование, использующее эффект Вентури, примером которого является насос Jet Claw. Это оборудование было соответствующим образом модифицировано для такого применения. Другим примером является струйный насос, известный из патента US 4718486 A, в котором показано, что были разработаны струйные насосы, которые могут перевозиться грузовым автотранспортом к нефтяным скважинам, где они устанавливаются на имеющиеся в скважинах кабельные линии. Другими ссылочными документами могут быть JP 2004293509 A, WO 2016084035 А1 или решение по документу WO 2003036011 А2, из которых на последние уже выданы патенты США, и все они относятся к струйным насосам, модифицированным для специфического применения, и при этом их характеристики отличаются от настоящего изобретения.
Технологии и исследования по этим вопросам уже получили развитие в области нефтегазовых технологий, особенно в научных публикациях технического журнала Общества инженеров-нефтяников [2-5] CALTECH, в котором опубликовано несколько тематических исследований, а также выводы, сделанные в отношении производительности и экономических показателей такого рода систем.
Настоящее изобретение разработано на основе этих знаний и применяется для разработки эжектора, позволяющего решить существующую задачу, которая заключается в перекачке добытой нефти и нефтепродуктов с минимальными затратами из резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов на насосные подстанции или в другие соответствующие системы хранения или распределения.
Из уровня техники известны несколько патентов на системы и способы перекачки жидкостей, включая нагнетательные насосы. Однако эжектор, аналогичный разработанному в данном изобретении, не известен из уровня техники для заявленного процесса, указанного в цели изобретения.
Раскрытие изобретения
Заявляемый эжектор предназначен для повышения продуктивности нефтяных скважин, когда давление на устье добывающей скважины снижается, независимо от того, перекачивается ли добываемая нефть струйными насосами типа Jet Claw, или электропогружными насосами, улучшая условия эксплуатации скважины и, как следствие, повышая продуктивность за счет увеличения нагнетаемого потока.
Еще одной важной задачей разработанного эжектора является значительное повышение скорости потока нефтепродуктов и их производных на поверхности, которые находятся в резервуарах и подлежат перекачке на такие объекты, как нефтеподстанции или другие объекты распределения. В настоящее время нефть, в которой еще содержатся некоторые коррозионные и токсичные компоненты, хранится в резервуарах, где накапливается и иногда выливается, оказывая вредное воздействие на окружающую среду, до тех пор, пока она не будет транспортирована в автоцистернах или перекачана с помощью электронасосных установок, стоимость которых является высокой и которые требуют длительных затрат по времени на откачивание, так как поток, перекачиваемый насосами этого типа, меньше, чем поток, получаемый с помощью струйного насоса, соответствующего настоящему изобретению.
Разработка эжектора для указанного применения очень выгодна, так как его эксплуатация осуществляется с гораздо более низкими затратами и меньшим воздействием на окружающую среду, поскольку для перемещения добытой нефти и нефтепродуктов в соответствующие центры переработки в нем используется вода, отделяемая от добываемой нефти и имеющаяся на объекте в системах обратной закачки в скважины, с практически нулевыми расходами. Данное решение имеет два важных конкурентных преимущества: 1. использование экологически чистого оборудования, не требующего для своей работы других источников энергии или топлива, так как в качестве рабочей жидкости используется вода, накапливаемая при добыче нефти из скважин, и которая имеется у оператора в магистралях обратной закачки; 2. результирующий напор значительно выше, чем у насосов с приводом от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, что значительно сокращает время хранения в резервуарах и позволяет избежать загрязнения вследствие разливов, а также экономит время на опорожнение резервуаров, содержимое которых необходимо транспортировать на подстанции или в распределительные системы по мере необходимости.
В настоящее время такая транспортировка осуществляется с помощью насосов объемного действия или автоцистерн, которые дороги в эксплуатации и загрязняют окружающую среду, в связи с использованием электроэнергии или топлива; кроме того, в большинстве случаев в технологическом процессе необходимо делать перерывы, чтобы избежать этих затрат, или для проведения техобслуживания.
Разработанный эжектор, обеспечивающий решение указанных проблем, является результатом модификаций струйного насоса, который в настоящее время используется для обратной закачки жидкостей в скважины; и эти модификации, в частности, связаны с внутренними изменениями, обусловленными изменениями в зависимости от расстояний между горловиной и соплом, пропорциями между длиной насоса для выходного потока и пространством для гашения турбулентности, возникающей в результате большего воздействия жидкости по сравнению с другими известными потоками жидкости, а также с расчетом потоков и рабочих давлений, которые были определены в рабочих диапазонах, скорректированных в соответствии с математической прикладной моделью, используемой при ее проектировании, и которые отвечают переменным характеристикам существующих прототипов, как показано в следующей таблице:
Коэффициент эжекции = расход всасываемой жидкости / расход рабочей жидкости
Новое устройство, разработанное на основании результатов, полученных при применении переменных характеристик в математических моделях, выполнено в виде эжектора, который, будучи установленным на поверхности, служит для поддержки другого оборудования по добыче нефти со дна скважины, увеличивая при этом ее продуктивность. Разработанный эжектор может выполнять различные функции, основными среди которых являются снижение противодавления на устье скважины, поддержка при перезапуске скважин путем очистки жидкости с присадками или жидкости для глушения скважины, перекачка жидкостей между технологическими станциями, применение в ступенях компрессоров и т.д.
Отличительные признаки заявляемого в соответствии с изобретением эжектора:
• Используется преимущество наличия рабочей жидкости на месте установки.
• Используется давление рабочей жидкости, что позволяет перекачивать всасываемую жидкость с помощью устройства с низкими эксплуатационными требованиями (данный технический аспект не используется или не известен из уровня техники), что дает экономию средств вследствие того, что отпадает необходимость в дополнительных наземных насосах, затратах времени на их установку и эксплуатацию, топливе и обслуживании.
• В эжекторе используется принцип Вентури благодаря специальной конструкции эжектора для перекачки жидкостей.
• Конструкционные особенности эжектора позволяют легко осуществлять его настройку, а особая конструкция его внутренних деталей позволяет создавать эффект Вентури с регулируемым потоком в соответствии с потребностями пользователя.
• Благодаря особенностям конструкции устройства, а также эксплуатационно-техническим характеристикам значительно снижаются затраты на установку, эксплуатацию и техническое обслуживание.
• Благодаря своим размерам, вес эжектора составляет менее 67 кг, а благодаря простоте установки он может быть использован в качестве передвижного устройства, которое может быть подключено в любом месте для выполнения задач, изложенных в настоящем описании.
В частности, изобретение относится к разработке новых моделей эжекторов путем усовершенствования их конструкции, в которой предусмотрено изменение соотношений между основными элементами в соответствии с потребностями использования и применения, а также с качеством жидкостей, в частности, добываемой из скважин нефти вместе с компонентами ее добычи.
Было проведено математическое моделирование с учетом типа транспортируемой нефти и других жидкостей в соответствии с требуемыми плотностью, объемом и давлением, с целью подачи требуемого количества всасываемой жидкости при помощи рабочей среды, и на этой основе были проведены «полевые» исследования, в ходе которых разработана новая конструкция, удовлетворяющая требованиям к однонаправленному насосу, в которой сопло и камера смешивания отрегулированы в соответствии с требованиями к давлению и расходу таким образом, чтобы обеспечить соответствие характеристик эжектора потребностям конкретной насосной станции. Далее указаны полученные в ходе испытаний переменные величины, которым отвечает изобретение, при этом значения не являются предельными, так как установки пропорционального соотношения могут изменяться соответственно.
Таким образом, при достаточном давлении, обеспечивающем оптимальную стоимость перекачки и минимальное загрязнение окружающей среды, после проведения ряда испытаний и анализа результатов, на основании математических моделей оптимизации процессов перекачки в зависимости от объема, давления и плотности транспортируемых жидкостей, была разработана и спроектирована новая модель эжектора, отвечающая параметрам этих процессов, которые влияют на модификацию его составляющих частей, например, на соотношение между диаметрами сопла и камеры смешивания, и всегда использующая рабочую жидкость и эффект Вентури для всасывания; при этом было продемонстрировано, что параметры регулируются в диапазонах, указанных в вышеприведенной таблице.
Таким образом, настоящее изобретение решает указанные выше, а также другие задачи, при выполнении которых эжектор может работать при условии наличия рабочей жидкости, тем самым значительно снижая затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и монтаж, так как использование рабочей жидкости в соответствующих условиях оптимизируется практически с нулевыми затратами, как это происходит с пластовыми жидкостями или газами, где одним из продуктов добычи является пластовая вода, которая добывается вместе с нефтью, что влияет на снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание системы перекачки жидкости с использованием заявляемого эжектора.
При этом необходимо учитывать, что данный тип перекачки, не требующий топлива, а использующий только движущую силу указанной жидкости, не загрязняет окружающую среду, поскольку не требует таких ресурсов, как электричество или нефтепродукты.
Стоимость обслуживания заявляемого устройства практически равна нулю ввиду отсутствия в его конструкции движущихся рабочих деталей, простоты транспортировки и монтажа на любом участке, что делает его универсальным для перекачки жидкостей в любом месте, где она требуется, а также - как было указано выше - для поддержки работ по добыче нефти из скважин.
Эжектор может быть легко адаптирован для присоединения к системам резервуаров с датчиками уровня и давления, что позволяет использовать эжектор в автоматическом режиме при необходимости перекачки, например, в системах взаимосвязанных резервуаров, где их опорожнение может происходить по очереди, с использованием их автоматизации с помощью датчиков уровня в резервуарах, а также открытия и закрытия клапанов с помощью команд, связанных с уровнем. Все эти операции выполняются автоматически и в режиме самонастройки, без необходимости контроля. В ходе проведенных испытаний было установлено, что объем нефти и ее производных, перемещаемых через данный эжектор, соответствует потребностям резервуаров-хранилищ, поскольку выходной поток эжектора при его рабочих давлениях оптимально удовлетворяет существующим потребностям.
В своей работе заявляемый эжектор, в отличие от насосов, известных из уровня техники, использует эффект Вентури для всасывания хранящейся в резервуарах жидкости и подачи ее через камеру смешивания (позиция 7 на Фиг. 1) в диффузор (позиция 9 на Фиг. 1), где она смешивается с рабочей жидкостью, приводящей в действие эжектор; смесь двух жидкостей подается в нагнетательные трубопроводы, по которым транспортируется к местам постоянного хранения.
Поскольку эжектор является наземным устройством, он легко устанавливается обычными средствами на месте эксплуатации, не требуя использования дополнительных сложных внешних источников питания. Требуется всего лишь присоединить трубопровод подачи рабочей жидкости, всасывающий и нагнетательный трубопроводы через соответствующие обычные затворы и соединительные элементы.
Технические преимущества заявляемого эжектора по отношению к техническим решениям, известным из уровня техники, не ограничиваясь его возможным применением, заключаются в следующем:
a. При использовании в качестве наземного оборудования на выходе из скважины, эжектор обеспечивает снижение давления на устье скважины, что, в свою очередь, приводит к увеличению результирующего дебита.
b. Применение устройства в качестве оборудования для перекачки жидкости из одного резервуара в другой позволяет избежать установки на поверхности дополнительных крупногабаритных насосов, что позволяет сэкономить средства и улучшить экологические условия, поскольку устройство не загрязняет окружающую среду.
c. Возможно использование эжектора с компрессорами для облегчения очистки скважин.
d. Исключаются дополнительные расходы на эксплуатацию, обслуживание, электропитание или топливо для двигателей, приводящих в движение вышеупомянутые дополнительные наземные насосы.
e. Благодаря отсутствию движущихся частей снижается износ, что обеспечивает длительный срок службы устройства.
f. Обслуживание устройства не требует специализированного персонала благодаря простоте конструкции, удобству демонтажа, осмотра и ремонта, в результате чего время простоя сокращается.
Свойства материала, использованного при изготовлении эжектора, отвечают техническим требованиям для применения в контакте с нефтепродуктами, что позволяет использовать эжектор с сильно загрязненной водой с такими примесями, как кислоты, агрессивные газы, марганец, кремнезем, поэтому устройство может применяться не только в нефтедобыче и связанных с ней видах деятельности, но и в других отраслях, как, например, отвод стоков или перекачка морской воды на судах.
Краткое описание чертежей
На следующих фигурах приведено подробное описание изобретения, с их помощью можно лучше понять изменения, внесенные по отношению к другим струйным насосам, известным из уровня техники, в результате которых была получена заявляемая новая конструкция, в которой изменены некоторые внутренние части известного струйного насоса. Кроме того, можно оценить технические изменения существующих типоразмеров и расстояний между элементами насоса, а также устройство нового эжектора как таковое, которые делают его эффективным в качестве новой разработки в зависимости от требуемых изменений, в его новом применении для решения существующих проблем, а также его размеров, для транспортировки на новый объект, при сохранении свойств материала, необходимых с учетом сильно загрязняющих жидкостей, с которыми устройству необходимо работать.
На Фиг. 1. показан эжектор или наземный струйный насос.
Соответствует общему описанию эжектора:
На Фиг. 1 показан эжектор или наземный струйный насос, который состоит из следующих элементов: соединитель нагнетательного сопла (1 на Фиг. 1), корпус эжектора (2 на Фиг. 1), наружная труба эжектора (3 на Фиг. 1), корпус уплотнения эжектора (4 на Фиг. 1), сопло Вентури (Venturi Claw) (5 на Фиг. 1), держатель сопла (6 на Фиг. 1), камера смешивания Вентури (Venturi Claw) (7 на Фиг. 1), корпус камеры смешивания (8 на Фиг. 1), диффузор (9 на Фиг. 1), втулка эжектора (10 на Фиг. 1), фильтр эжектора (11 на Фиг. 1), кольцевые уплотнения (12, 13, 14, 15, 16 на Фиг. 1), быстроразъемное соединение 50,8 мм (17 на Фиг. 1).
Корпус эжектора (2 на Фиг. 1) или наземного струйного насоса имеет 3 патрубка (А, В и С) для присоединения к трубопроводам обслуживаемой системы. Трубопровод подачи рабочей или движущей жидкости присоединяется к патрубку А (Фиг. 1) с помощью быстроразъемного соединения 50,8 мм (17 на Фиг. 1) и втулки (10 на Фиг. 1) на конце соединителя нагнетательного сопла (1 на Фиг. 1). Магистраль перекачиваемой жидкости присоединяется к патрубку В (Фиг. 1) с помощью быстроразъемного соединения 50,8 мм (17 на Фиг. 1) и втулки (10 на Фиг. 1). Наконец, патрубок С (Фиг. 1) или выходной патрубок, присоединяется к транспортному трубопроводу с помощью быстроразъемного соединения 50,8 мм (17 на Фиг. 1) и втулки (10 на Фиг. 1). Рассматриваемый эжектор, специально разработанный для вышеописанного применения, не требует дополнительных подключений.
Принцип его работы также прост и заключается в следующем: после установления нормальных условий эксплуатации в месте установки, после включения подачи рабочей или нагнетаемой жидкости она поступает в патрубок А корпуса эжектора (Фиг. 1), проходит через сопло (5 на Фиг. 1) и выбрасывается в камеру смешивания (7 на Фиг. 1), расположенную внутри наружной трубы (3 на Фиг. 1), снабженной расположенными в определенном порядке отверстиями, через которые подсасываемая или транспортируемая жидкость всасывается через всасывающий патрубок (В на Фиг. 3). Смесь этих жидкостей вытесняется через диффузор (9 на Фиг. 1) в направлении выходного отверстия эжектора (С на Фиг. 1).
На Фигуре 2 показаны наружная оболочка или корпус эжектора, или наземного струйного насоса (2 на Фиг. 1), в продольном разрезе, и в котором показаны его основные характеристики, обеспечивающие выполнение функций эжектора или наземного струйного насоса в определенных диапазонах значений характеристик, указанных выше. Этот элемент, корпус эжектора, находясь под постоянным воздействием окружающей среды, обеспечивает необходимую прочность и стойкость эжектора или наземного струйного насоса к воздействию атмосферных факторов и окружающей среды.
На Фиг. 3 показано применение эжектора или наземного струйного насоса по Фиг. 1 для перекачки жидкостей.
По одному из вариантов применения эжектор или наземный струйный насос (Фиг. 1) используется в соответствии с технологической схемой (Фиг. 3) для перекачки жидкостей.
Согласно схеме (Фиг. 3), работа эжектора или наземного струйного насоса заключается в следующем: линия подачи рабочей жидкости соединяется через последовательно установленные вентиль (18 на Фиг. 3) и автоматический клапан (19 на Фиг. 3) с входным патрубком (А на Фиг. 3) эжектора (27 на Фиг. 3). Открытие и закрытие автоматического клапана (19 на Фиг. 3) осуществляется по сигналам от датчиков максимального (22 на Фиг. 3) и минимального уровней (23 на Фиг. 3), получаемым по электрическому кабелю (21 на Фиг. 3). Линия перекачки жидкости, выходящая из резервуара (30 на Фиг. 3) присоединена через вентиль (18 на Фиг. 3) и обратный клапан (20 на Фиг. 3), устанавливаемые последовательно со стороны всасывающего патрубка (В на Фиг. 3) эжектора (27 на Фиг. 3). Выходная линия смеси присоединяется к выходному патрубку (С на Фиг. 3) эжектора (27 на Фиг. 3) и далее сообщается с основным транспортным трубопроводом (25 на Фиг. 3) через соединенные последовательно обратный клапан (20 на Фиг. 3) и вентиль (18 на Фиг. 3).
В момент заполнения резервуара (26 на Фиг. 3) до максимального уровня датчик (22 на Фиг. 3) посылает сигнал на открытие автоматического клапана (19 на Фиг. 3), тем самым обеспечивая подачу рабочей жидкости в эжектор (27 на Фиг. 3) через соответствующий вентиль (18 на Фиг. 3) и входной патрубок (А на Фиг. 3); при этом возникает эффект Вентури, в результате действия которого хранящаяся в резервуаре (26 на Фиг. 3) жидкость через всасывающий патрубок (В на Фиг. 3) всасывается в эжектор (27 на Фиг. 3), в котором смешивается с рабочей жидкостью и далее выбрасывается через выходной патрубок (С на Фиг. 3) в основной транспортный трубопровод (25 на Фиг. 3).
Таким образом, как следует из вышеуказанного, данное применение эжектора или наземного струйного насоса (Фиг. 1) является очень выгодным при транспортировке жидкостей, так как для его работы не требуются сложные электроустановки или загрязняющие окружающую среду топливные установки, как в случае, когда для этой цели применяются насосы с электроприводом или топливные насосы.
На Фиг. 4. Показано применение эжектора или наземного струйного насоса для снижения давления в устье нефтяной скважины.
В одном из вариантов применения эжектор или наземный струйный насос (Фиг. 1) используется в соответствии с технологической схемой по Фиг. 4 для снижения давления в устье нефтяной скважины, тем самым улучшая условия эксплуатации и производительность скважинного нефтяного насоса.
В соответствии с показанным на Фиг. 4, эжектор или наземный струйный насос функционируют следующим образом: линия подачи рабочей жидкости через вентиль (18 на Фиг. 4) присоединена к входному патрубку (А на Фиг. 4) эжектора (27 на Фиг. 4). Выкидная линия от устья скважины (30 на Фиг. 4) через два последовательно установленных вентиля (18 на Фиг. 4) присоединена к всасывающему патрубку (В на Фиг. 4) эжектора (27 на Фиг. 4). Выходная линия смеси присоединяется со стороны выходного патрубка эжектора (27 на Фиг. 3) к резервуарам для хранения через клапан (18 на Фиг. 4).
В момент поступления рабочей жидкости в эжектор (27 на Фиг. 4) через соответствующий вентиль (18 на Фиг. 4) и входной патрубок (А на Фиг. 4) возникает эффект Вентури, в результате действия которого выходящая из устья жидкость (30 на Фиг. 4) всасывается через всасывающий патрубок (В на Фиг. 4) в эжектор (27 на Фиг. 4), в котором смешивается с рабочей жидкостью, и через выходной патрубок (С на Фиг. 4) поступает к резервуарам хранения.
Таким образом, как следует из вышеуказанного, данное применение эжектора или наземного струйного насоса (Фиг. 1) является очень выгодным при эксплуатации нефтяных скважин, поскольку снижение давления в устье скважины позволяет улучшить условия эксплуатации и производительность соответствующего скважинного насоса.
На Фиг. 5. показан эжектор в разрезе.
На Фиг. 5 показано внутренние элементы эжектора или наземного струйного насоса в сечении с пространственным разделением. Этот рисунок показывает, что каждый элемент имеет соответствующие размеры, которые соответствуют точной конструкции для обеспечения эффективной работы заявленного устройства. Данные элементы уже указаны в описании по Фиг. 1 в настоящем документе.