СПОСОБ ОТКАЧИВАНИЯ ЖИДКОСТИ УСТАНОВКОЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА И ГАЗОСЕПАРАТОР УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
FLUID PUMPING-OUT METHODS BY USING ELECTRIC-CENTRIFUGAL PUMP EQUIPMENT AND ELECTRIC-CENTRIFUGAL PUMP GAS SEPERATOR EQUIPMENT

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при добыче из скважин жидкости с большим газосодержанием посредством установок электроцентробежных насосов (УЭЦН).
Известен способ откачивания жидкости скважинным насосом, включающий подвод газожидкостной смеси в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока посредством воздействия лопастного колеса на смесь, разделение смеси в поле центробежных сил с последующим отводом отсепарированного газа в затрубное пространство скважины и нагнетание насосом дегазированной жидкости (см. Патент РФ №2027912, МПК 7 F04D 13/10, опубл. 27.01.1995 г.).
Однако при таком способе откачивании жидкости при увеличении расхода жидкости снижается степень отделения газа. В результате газосодержание газожидкостной смеси, поступающей в насос, становится больше допустимого, что приводит к ухудшению его характеристик, а именно: уменьшению подачи, напора и КПД, а при определенных условиях - и к срыву подачи насоса. Решить задачу увеличения производительности насоса путем увеличения радиальных габаритов газосепаратора невозможно из-за ограниченности радиального габарита скважины. Кроме того, как правило, для одного габарита используется один газосепаратор на весь диапазон подач, что приводит, с одной стороны, к появлению при малых подачах на входном участке газосепараторов противотоков, закручивающих основной поток, что вызывает ускоренный износ деталей газосепаратора. С другой стороны, при больших подачах из-за неоптимальных условий течения потока, снижается величина предельного газосодержания в жидкости.
Известен газосепаратор, включающий в себя корпус с отверстиями для подвода газожидкостной смеси и каналами для подачи дегазированной жидкости в насос и отвода отсепарированного газа в затрубное пространство, напорную вихревую ступень и завихритель, состоящий из лопастного колеса и специального направляющего аппарата (см. А.А.Богданов. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти, - М.: Недра, 1968 г., с.80-82, рис.64).
Недостатком данного газосепаратора является небольшая эффективность сепарации газожидкостной смеси, особенно с высоким содержании газа.
Известен также газосепаратор скважинного центробежного насоса, содержащий размещенные в корпусе последовательно по ходу потока скважинной продукции лопастное колесо, установленное на валу, и центробежный разделитель (см. Патент РФ №2027912, МПК 7 F04D 13/10, опубл. 27.01.1995 г.).
Однако в данном газосепараторе отсутствуют средства для принудительного вывода отсепарированного газа в затрубное пространство. Отсутствие принудительного вывода газа при увеличении отбора жидкости насосом приводит к вторичному подсосу газа в насос и как следствие к снижению коэффициента сепарации. Кроме того, газосепаратор представляет собой весьма ненадежный узел. Существует вероятность перерезания корпуса и падения установки в скважину. Причиной проблемы являются особенности работы шнековой ступени. Типичные места перерезания находятся при входе в шнек и в сепаратор. В случае несоответствия подачи расчетной и фактической в указанных местах возникнут обратные токи. При снижении подачи их интенсивность будет увеличиваться. Обратные токи являются «ловушкой» для твердых взвешенных частиц, и вращающееся кольцо жидкости с повышенной концентрацией абразивных частиц, действуя, как наждачный круг, может перерезать корпус газосепаратора.
Задачей изобретения является повышение надежности газосепаратора и поддержание величины предельного газосодержания в газожидкостной смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе откачивания жидкости установкой электроцентробежного насоса, заключающемся в подводе газожидкостной смеси в газосепаратор, повышении ее напора в шнеке газосепаратора, закручивании потока газожидкостной смеси, разделении потока с последующим отводом отсепарированного газа в затрубное пространство и подаче дегазированной жидкости в электорцентробежный насос, в ограниченных радиальных габаритах скважины предварительно, до размещения установки электроцентробежного насоса в скважине, определяют диапазон подач газожидкостной смеси, рассчитывают для каждого значения этого диапазона геометрические параметры шнека газосепаратора и затем комплектуют установку партией рассчитанных шнеков для каждого значения подачи в пределах одного габарита скважины.
Технический результат в части заявленного устройства достигается тем, что в газосепараторе установки электроцентробежного насоса, содержащем размещенные в корпусе последовательно установленные на валу по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями и с приемной сеткой, шнек, защитную гильзу, сепаратор, выполненный в виде радиальных ребер, головку с каналами, выход которых связан с входом в насос, и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, шнек имеет переменный шаг, а лопатки шнека установлены под входным углом, определяемым из условия
,
л1
где β - угол установки лопатки шнека;
ж
Q - подача жидкости за секунду;
ш
D - наружный диаметр шнека;
вт
d - диаметр втулки шнека;
u - окружная скорость на наружном диаметре (постоянная величина);
1
1
q - комплексный параметр; q≥0,5.
Кроме того, в газосепараторе входной диаметр шнека меньше диаметра последующих витков шнека.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен газосепаратор установки электроцентробежного насоса.
На фиг.2 представлен шнек газосепаратора.
На фиг.3 представлен шнек газосепаратора по п.3 формулы изобретения.
Газосепаратор установки электроцентробежного насоса, посредством которой осуществляется заявленный способ, содержит последовательно установленные на валу 1 по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание 2 с отверстиями 3 и с приемной сеткой 4, шнек 5, защитную гильзу 6, сепаратор 7, выполненный в виде радиальных ребер 8, головку 9 с каналами 10 и отверстиями 11 для выхода газа в затрубное пространство (на фигуре не показано). Выход каналов 10 связан с входом в насос (на фигуре не показан). На валу установлены подшипники 13. Шнек 5 имеет переменный шаг, лопатки шнека установлены под входным углом, который определяется из условия
.
ш
В газосепараторе входной диаметр D шнека 5 меньше диаметра последующих витков шнека (фиг.3).
Способ откачивания жидкости установкой электроцентробежного насоса осуществляется следующим образом. Предварительно в ограниченных радиальных габаритах скважины до размещения установки в скважине определяют диапазон подач газожидкостной смеси. Затем рассчитывают для каждого значения этого диапазона подач геометрические параметры шнека газосепаратора (угол установки лопатки на входе, наружный диаметр шнека, диаметр втулки шнека), изготавливают под эти размеры шнеки и затем комплектуют установку электроцентробежного насоса партией нескольких рассчитанных шнеков для каждого значения подачи в пределах одного габарита скважины. Затем установка размещается в скважине. Газожидкостная смесь поднимается по стволу скважины и подводится к приему газосепаратора. Здесь она захватывается шнеком 5, который повышает напор газожидкостной смеси, лопастным колесом закручивает поток газожидкостной смеси, после чего поток газожидкостной смеси разделяется в поле центробежных сил сепаратора 7 по фазам и свободный отсепарированный газ отводится в затрубное пространство 12, а дегазированная до допустимого газосодержания жидкость поступает в электроцентробежный насос (на фигуре не показан) и нагнетается им потребителю.
Газосепаратор работает следующим образом. Газожидкостная смесь из скважины попадает через сетку 4 и отверстия 3 основания 2 на шнек 5. За счет приобретенного напора в шнеке 5 газожидкостная смесь поступает во вращающийся на валу 1 сепаратор 7, выполненный в виде радиальных ребер 8, где под действием центробежных сил газ отделяется от жидкости. Далее жидкость с периферии камеры сепаратора 7 поступает по верхним каналам 10 головки 9 на прием насоса 16, а газ через наклонные отверстия 11 отводится в затрубное пространство 12. Защитная гильза 6, выполненная из нержавеющего материала, предохраняет от износа пластовой жидкостью внутреннюю поверхность корпуса газосепаратора. Для увеличения напорности потока шнек выполнен с переменным шагом, позволяющим иметь на входе достаточно малые углы установки лопатки, увеличивающиеся по всей длине шнека равномерно. Лопатки шнека спрофилированы так, что угол установки их определяется из условия
,
л1
где β - угол установки лопатки шнека;
ж
Q - подача жидкости за секунду;
ш
D - наружный диаметр шнека;
вт
d - диаметр втулки шнека;
u - окружная скорость на наружном диаметре (постоянная величина);
1
1
q - комплексный параметр; q≥0,5.
Это условие обеспечивает оптимальный режим характера течения жидкости, при котором активный поток входит в межлопастные каналы с минимальными потерями.
Кроме того, входной диаметр шнека делается меньше, чем диаметр последующих витков шнека (фиг.3), так как при малых подачах и больших наружных диаметрах шнека угол установки лопасти стремится к нулю (чтобы обеспечить работу шнека без обратных токов), и, следовательно, площадь проходного сечения равняется нулю. В этом случае входной диаметр шнека уменьшают, а угол оставляют достаточным для обеспечения необходимого расхода жидкости.
3
3
Известные типы газосепараторов работают в широком диапазоне подач, однако применяемый шнек имеет ограниченный рабочий диапазон подач. В случае если шнек спроектирован на подачи Q≥300 м/сут, то при работе на малых подачах (Q≤100 м/сут) входной участок шнека не полностью заполнен потоком. Часть сечения на периферии заполнена противотоками, движущимися обратно. Сильно закрученные в сторону вращения шнека обратные токи размываются основным потоком и увлекаются обратно. Образуется так называемая вихревая зона. Оставшаяся часть входного сечения заполнена потоком, который называется «активным». Расход жидкости через сечение активного потока равен расходу жидкости через шнек.
При увеличении подачи насоса (при n=const) размеры вихревой зоны уменьшаются и, при некоторой подаче, вихревая зона исчезает совсем - все сечение на входе в насос заполнено активным потоком.
3
3
В случае если шнек спроектирован на подачи Q≤100 м/сут, то при работе на подачах Q≥300 м/сут из-за небольших входных площадей сечения не выполняются требования по величине предельного газосодержания в жидкости.
Решением по уменьшению обратных токов на малых подачах является уменьшение наружного диаметра шнека, т.е. применение разных модификаций газосепаратора со сменными шнеками. Тем самым можно использовать один вид отливки шнека и заготовки обоймы с небольшими доработками для разных исполнений.
Характерным явлением в зоне обратных токов является разрушение защитной гильзы и промыв корпуса.
1
Основным показателем возникновения обратных токов является комплексный параметр q, равный отношению текущей подачи к подаче, при которой поток входит безударно на лопасти колеса,
1
1
Эксперименты и расчеты показали, что при q<0,5 течение потока происходит с обратными токами на входных участках шнека, при q≥0,5 течение потока без обратных токов.
ш
вт
л1
Как показали экспериментальные исследования, влияние на режимы работы шнека оказывают параметры конфигурации, такие как наружный диаметр шнека D, диаметр втулки шнека d, угол установки лопатки шнека β. Любое изменение данных параметров может привести к улучшению или ухудшению показателей работы шнека.
л1
Полученные в ходе расчета и экспериментальных работ результаты показывают, что применение для определенных диапазонов подач шнеков переменного шага с различными углами установки лопасти на входе позволяет решить проблему с появлением обратных токов и перерезаниями механическими примесями в этих местах корпуса. А при малых подачах, при которых β=0, требуется применение шнеков переменного шага с углами установки лопасти на входе ≈5…7° и дополнительным уменьшением наружного диаметра входного витка шнека.
Можно проиллюстрировать данные утверждения примером результатов расчета шнека для определенного диапазона подач.
Пример
Для 5-го габарита приведены необходимые углы установки лопастей и диапазон подач, соответствующий режиму работы без обратных токов и при необходимом газосодержании на входе.
n=const=3000 об/мин
3
Диапазон 1: Подача жидкости Q=20÷50 м/сут.
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
50×10<sup>-3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
7
3
Диапазон 2: Подача жидкости Q=50÷125 м/сут
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
63×10<sup>-3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
7
3
Диапазон 3: Подача жидкости Q=125÷200 м/сут
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
63×10<sup>-3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
12
3
Диапазон 4: Подача жидкости Q=200÷300 м/сут
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
63×10<sup>-3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
17
3
Диапазон 5: Подача жидкости Q=300÷400 м/сут
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
63×10<sup>-3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
22
3
Диапазон 6: Подача жидкости Q=400÷500 м/сут
№ п/п
Наименование
Обозначение
Размерность
Численное значение
1
Наружный диаметр шнека
D<sub>ш</sub>
м
63×10-<sup>3</sup>
2
Диаметр втулки шнека
d<sub>вт</sub>
м
26×10<sup>-3</sup>
3
Угол установки лопатки шнека на диаметре D<sub>ш</sub>
β<sub>л1</sub>
град
27
По проведенным предварительным результатам исследования можно разрабатывать конструкторскую документацию шнеков.
Таким образом, применение одного газосепаратора на весь диапазон подач приводит, с одной стороны, к появлению, при малых подачах, на входном участке газосепаратора противотоков, закручивающих основной поток, и вызывает ускоренный износ деталей газосепаратора. С другой стороны, при больших подачах из-за неоптимальных условий течения потока снижается величина предельного газосодержания в жидкости.
3
В результате экспериметальных исследований и расчетов были получены результаты показывающие, что при подаче жидкости Q=500 м/сут - режим работы без обратных токов. С уменьшением же подачи жидкости происходит образование вихревых зон, которые сужают активный поток и приводят к потерям энергии активного потока на поворот обратных токов. При таких режимах течения жидкости происходит интенсивное накапливание механических частиц и быстрое разрушение защитной гильзы и корпуса газосепаратора.
3
3
В качестве эксперимента был взят за основу серийный газосепаратор габарита 5, поставляемый к установкам электроцентробежного насоса 5-го габарита. Данный газосепаратор был выполнен под максимальную пропускную способность 500 м/сут. В результате экспериметальных исследований и расчетов были получены результаты, показывающие, что при подаче жидкости Q=500 м/сут - режим работы без обратных токов. С уменьшением же подачи жидкости происходит образование вихревых зон, которые сужают активный поток и приводят к потерям энергии активного потока на поворот обратных токов. При таких режимах течения жидкости происходит интенсивное накапливание механических частиц и быстрое разрушение защитной гильзы и корпуса газосепаратора.
Показанный пример результатов расчета шнека для конкретного диапазона подач подтверждает, что под определенный диапазон подач необходимо рассчитывать геометрические параметры шнека, учитывать влияние геометрических размеров, таких как угол установки лопасти шнека, наружного диаметра шнека, диаметра втулки и др. на работу газосепаратора для конкретных диапазонов подач, т.е. применять разные сменные шнеки в пределах одного габарита скважины для разных подач одного определенного диапазона. Полученные экспериментальные данные показывают, что применение шнека постоянного шага создает малый напор, поэтому при разработке шнековой ступени желательно закладывать шнеки переменного шага, увеличивающие напор шнека.
Таким образом, предложенное конструктивное выполнение газосепаратора и сочетание вышеперечисленных операций, проводимых в такой последовательности, позволяет обеспечить повышение надежности газосепаратора и поддержания величины предельного газосодержания в газожидкостной смеси.