Способ добычи пластовой жидкости с содержанием газа и абразивных частиц и погружная установка с насосом и газосепаратором для его осуществления
METHOD FOR PRODUCING RESERVOIR FLUID CONTAINING GAS AND ABRASIVE PARTICLES AND A SUBMERSIBLE UNIT WITH A PUMP AND A GAS SEPARATOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при добыче нефти из скважин с высоким содержанием свободного газа и абразивных частиц посредством установок электроцентробежных насосов.
Известен из патента RU 2027912 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.
Однако такой способ откачивания газожидкостной смеси имеет следующие недостатки. Газосепаратор имеет недостаточную надежность при откачивании жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц, так как в проточной части сепарационной камеры установлено высоконапорное осевое колесо, поэтому повышается вероятность возникновения обратных токов с выхода сепарационной камеры, где давление высокое, на вход, где давление существенно ниже. Обратные токи, захватывая механические примеси, имеют повышенную концентрацию абразивных частиц, являются причиной гидроабразивного износа элементов проточной части газосепаратора. Необходимо устранить, или, по крайней мере, существенно снизить их интенсивность. Также газосепаратор имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.
На режимах, отличных от оптимальной подачи, при больших углах атаки возникают обратные токи на входе в шнек. При этом часть вращающейся жидкости с повышенным давлением может вытекать в затрубное пространство через отверстия в основании газосепаратора. Так как диаметр выхода этих отверстий совпадает с диаметром гильзы шнека. Обратные токи могут вызывать гидроабразивный износ элементов проточной части и диспергировать поток газожидкостной смеси (ГЖС), что приведет к снижению сепарирующих свойств, так как измельченные пузырьки малого диаметра сложнее сепарировать.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является техническое решение, известное из патента RU 2442023, заключающееся 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 электроцентробежный насос. При этом 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.
Однако такой способ откачивания газожидкостной смеси имеет следующие недостатки. Газосепаратор имеет недостаточную надежность при откачивании жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц, так как в проточной части сепарационной камеры установлено высоконапорное осевое колесо, шнек переменного хода имеет большие углы на выходе, поэтому повышается вероятность возникновения обратных токов с выхода сепарационной камеры, где давление высокое, на вход, где давление существенно ниже. Обратные токи, захватывая механические примеси, имеют повышенную концентрацию абразивных частиц, являются причиной гидроабразивного износа элементов проточной части газосепаратора. Необходимо устранить, или, по крайней мере, существенно снизить их интенсивность.
Также газосепаратор имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.
Известен из патента RU 2442023 газосепаратор установки электроцентробежного насоса, содержащий 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, при этом шнек имеет переменный шаг, а лопатки шнека установлены под входным углом, определяемым из условия безударного входа пластовой жидкости.
Однако данный газосепаратор имеет недостаточную надежность при откачивании жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц, так как в проточной части сепарационной камеры установлено высоконапорное осевое колесо, шнек переменного хода имеет большие углы на выходе, поэтому повышается вероятность возникновения обратных токов с выхода сепарационной камеры, где давление высокое, на вход, где давление существенно ниже. Обратные токи, захватывая механические примеси, имеют повышенную концентрацию абразивных частиц, являются причиной гидроабразивного износа элементов проточной части газосепаратора. Необходимо устранить, или, по крайней мере, существенно снизить их интенсивность.
Также газосепаратор имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является техническое решение, известное из патента RU 161892, в котором раскрыт вихревой газосепаратор, содержащий корпус, входной модуль, вращающийся вал, шнек переменного хода, заключенный в защитную гильзу, и головку разделитель.
Однако данный газосепаратор имеет недостаточную надежность при откачивании жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц, так как в проточной части сепарационной камеры установлено высоконапорное осевое колесо, поэтому повышается вероятность возникновения обратных токов с выхода сепарационной камеры, где давление высокое, на вход, где давление существенно ниже. Обратные токи, захватывая механические примеси, имеют повышенную концентрацию абразивных частиц, являются причиной гидроабразивного износа элементов проточной части газосепаратора. Необходимо устранить, или, по крайней мере, существенно снизить их интенсивность.
Также газосепаратор имеет недостаточную эффективность сепарации газа из-за того, что отсутствует отбор дегазированной жидкости непосредственно с периферии сепарационной камеры, где она максимально очищена от свободного газа.
На режимах, отличных от оптимальной подачи, при больших углах атаки возникают обратные токи на входе в шнек. При этом часть вращающейся жидкости с повышенным давлением может вытекать в затрубное пространство через отверстия в основании газосепаратора. Так как диаметр выхода этих отверстий совпадает с диаметром гильзы шнека. Обратные токи могут вызывать гидроабразивный износ элементов проточной части и диспергировать поток газожидкостной смеси (ГЖС), что приведет к снижению сепарирующих свойств, так как измельченные пузырьки малого диаметра сложнее сепарировать.
Технической проблемой группы заявляемых изобретений является создание технического решения, при котором в процессе работы газосепаратора внутри него снижается или полностью прекращается возникновение противотоков относительно основного потока пластовой жидкости (газожидкостной абразивной смеси) с высокой концентрацией механических примесей.
Это устраняет диспергирование, уменьшает диаметров пузырьков газа, предохраняет от износа внутреннюю поверхность корпуса газосепаратора, и в результате приводит к повышению надежности газосепаратора и эффективности сепарации. Отбор дегазированной жидкости осуществляется непосредственно с периферии сепарационной камеры, что приводит к повышению эффективности сепарации. Использование низконапорного осевого колеса (шнека) приводит к снижению мощности и энергопотребления.
Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности и эффективности работы погружной установки с газосепаратором и лопастным насосом.
Следствием использования низконапорного осевого колеса является снижение энергопотребления погружной установки.
Заявленный технический результат достигается за счёт того, что в способе откачивания пластовой жидкости с повышенным содержанием газа и абразивных частиц, заключающемся в подводе газожидкостной смеси в газосепаратор через основание, повышении напора газожидкостной смеси в шнековом узле, закручивании и разделении потока газожидкостной смеси в сепарационной камере с последующим отводом через головку большей части отсепарированного газа в затрубное пространство и дегазированной жидкости в лопастной насос с последующим сжатием и растворением оставшегося газа, газожидкостную смесь направляют через конусообразный диффузорный участок основания в низконапорный шнековый узел, подводя газожидкостную смесь в сепарационную камеру с малым градиентом давления, газожидкостную смесь направляют в установленную в головке разделительную втулку, установленную с кольцевым зазором относительно внутренней поверхности сепарационной камеры, с помощью разделительной втулки формируют две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, удаленные друг от друга, при этом область отвода дегазированной жидкости приближена к периферии сепарационной камеры, а область отвода отсепарированного газа приближена к валу, дегазированную жидкость отбирают с периферии сепарационной камеры, отсепарированный газ - из области сепарационной камеры близкой к валу.
В способе откачивания разделительная втулка может быть выполнена с конусообразным конфузорным участком на внутренней поверхности.
Заявленный технический результат достигается также за счёт того, что в погружной установке, содержащей лопастной насос, электродвигатель и газосепаратор, содержащий вал, корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, шнековый узел, установленный на валу, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, в головке газосепаратора установлена разделительная втулка, формирующая две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, между внешним диаметром разделительной втулки и защитной гильзой образован кольцевой зазор, а на входе в шнековый узел основание имеет конусообразный диффузорный участок, минимальный внутренний диаметр которого, по крайней мере, на 9% меньше внутреннего диаметра защитной гильзы.
В погружной установке внутренняя поверхность разделительной втулки может образовывать канал с конфузорным участком.
Лопасти на выходе из шнекового узла могут быть выполнены под углом меньше 60°.
Шнековый узел может состоять из шнека постоянного или переменного хода.
Шнековый узел может состоять из двух шнеков постоянного хода.
Шнековый узел может состоять из двух шнеков постоянного хода и установленного за ними осевого колеса.
Между конусообразным диффузорным участком основания и входом в шнековый узел в основании может быть установлен подшипник.
Внутренний диаметр разделительной втулки может быть меньше наружного, по крайней мере, на 25%.
Заявленный технический результат объясняется следующим образом.
На выходе из сепарационной камеры перед головкой газосепаратора с помощью разделительной втулки формируют две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, входы в которые удалены друг от друга. Наиболее эффективное разделение жидкости и газа происходит, если внутренний диаметр разделительной втулки меньше наружного, по крайней мере, на 25 %. Между наружным диаметром разделительной втулки и внутренним диаметром защитной гильзы образован кольцевой канал для прохода дегазированной пластовой жидкости в лопастной насос. Между внутренним диаметром разделительной втулки и валом образован кольцевой канал для отвода отсепарированного газа и части пластовой жидкости в затрубное пространство.
На периферии сепарационной камеры собирается наиболее дегазированная жидкость. Поэтому, если дегазированная жидкость отбирается непосредственно из этой области, то повышается эффективность сепарации свободного газа.
При вращении пластовой жидкости, если внутренняя поверхность разделительной втулки образует канал с конфузорным участком между областями отвода газа в центре и дегазированной жидкости на периферии, то такая конструкция канала будет способствовать разделению фаз, скорость движения газа в центр будет выше, по сравнению с другими формами канала.
Если шнековый узел в сепарационной камере создает низконапорный поток, то это снижает потребление электроэнергии и вероятность образования обратных токов между выходом и входом в шнековый узел, которые диспергируют ГЖС и могут приводить к гидроэрозийному износу элементов проточной части, так как имеют повышенное содержание механических примесей. За счет этого повышается надежность работы газосепаратора. Высокие сепарирующие свойства определяются способом отбора дегазированной жидкости от периферии сепарационной камеры и большими диаметрами пузырьков газа в ГЖС.
На входе в шнековый узел проточная часть имеет конусообразный диффузорный участок, который образует основание газосепаратора, механически обработанное определенным образом. Рекомендованный угол раскрытия диффузора составляет от 10 до 60 градусов. Значение угла определяется необходимостью обеспечить плавный вход потока в подводящую область газосепаратора и требованиями по минимизации длины и себестоимости изделия. Конус, подобно крышке на стакане с водой, воспринимает на себя давление вращающегося кольца жидкости, препятствует вытеканию через подводящие каналы обратно в затрубное пространство. За счет этого повышается давление на входе в шнековый узел на нерасчетных режимах и, соответственно, снижается вероятность образования обратных токов. Для эффективной борьбы с обратными токами минимальный внутренний диаметр диффузорного участка, по крайней мере, на 9% должен быть меньше внутреннего диаметра защитной гильзы. Внешний диаметр диффузорного конусообразного участка на входе в шнековый узел ограничивается защитной гильзой, минимальный внутренний диаметр - пересечением с подводящими каналами. Если внутренний диаметр будет больше рекомендованного значения, то повышается вероятность обратных токов, перетечек, вращающееся кольцо пластовой жидкости высокого давления сможет на некоторых режимах работы вытекать через подводящие каналы 18 обратно в затрубное пространство. Если меньше - могут быть проблемы с подводом потока газожидкостной смеси в газосепаратор в связи с уменьшением площади подводящего канала.
Если шнековый узел состоит из одного шнека постоянного или переменного хода, это позволяет снизить себестоимость изделия.
Если шнековый узел состоит из двух шнеков постоянного хода, или из двух шнеков и установленного за ними осевого колеса это позволяет повысить сепарирующие свойства, что необходимо для установок с большим расходом для эксплуатации скважин с большим дебитом.
Если между конусообразным диффузорным участком, изготовленным в основании, и входом в шнековый узел в основании установлен подшипник, то это позволяет повысить надежность работы газосепаратора, снизить вибрации ротора.
Сущность группы изобретений поясняется фигурами 1-4, на которых показаны:
На фиг. 1 - схема погружной установки в составе двигателя, газосепаратора, модуля с компрессорными диспергирующими ступенями, насоса и насосно-компрессорные трубы;
На фиг. 2 - общий вид газосепаратора в разрезе с двумя шнеками разного хода;
На фиг. 3 - общий вид газосепаратора в разрезе с двумя шнеками разного хода и установленным за ними дополнительным осевым колесом;
На фиг. 4 - головка газосепаратора.
На фиг. 1-4 позициями 1-25 обозначены:
1 - электродвигатель;
2 - газосепаратор;
3 - модуль с компрессорными диспергирующими ступенями;
4 - лопастной насос;
5 - насосно-компрессорные трубы;
6 - корпус газосепаратора;
7 - защитная гильза;
8 - основание;
9 - вал газосепаратора;
10 - шнек;
11 - ступица шнека;
12 - дополнительный шнек;
13 - дополнительное осевое колесо;
14 - головка;
15 - каналы для отвода жидкости;
16 - отверстия для отвода газа;
17 - разделительная втулка;
18 - подводящие каналы в основании;
19 - подшипник;
20 - лопастная решетка;
21 - конусообразный диффузорный участок на входе в шнековый узел;
22 - кольцевой канал для отвода отсепарированного газа;
23 - кольцевой канал для отвода дегазированной жидкости в насос;
24 - внутренний диаметр разделительной втулки;
25 - внешний диаметр разделительной втулки.
Погружная установка содержит электродвигатель 1, газосепаратор 2, модуль с компрессорными диспергирующими ступенями 3, лопастной насос 4 и насосно-компрессорные трубы 5.
Газосепаратор 2 содержит вал 9, корпус 6, установленную в корпусе 6 защитную гильзу 7, последовательно установленные по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание 8 с отверстиями, шнековый узел, установленный на валу 9, головку 14 с каналами 15 для прохода отсепарированной жидкости в лопастной насос 4 и отверстиями 16 для выхода газа в затрубное пространство.
На входе в шнековый узел основание 8 имеет конусообразный диффузорный участок 21, минимальный внутренний диаметр которого, по крайней мере, на 9% меньше внутреннего диаметра защитной гильзы 7.
Шнековый узел содержит шнек 10 со ступицей 11, установленный на валу 9, дополнительный шнек 12 с большей величиной хода. Шнековый узел может дополнительно содержать дополнительное осевое колесо 13. Шнековый узел может содержать шнек постоянного или переменного хода, два шнека постоянного хода или два шнека постоянного хода и установленное за ними осевое колесо. Шнек 10 и дополнительный шнек 12 образуют лопастную решётку 20.
Лопасти на выходе из шнекового узла выполнены под углом меньше 60°.
В головке 14 установлена разделительная втулка 17, формирующая две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, и изготовлены каналы 15 для отвода отсепарированной жидкости в лопастной насос 4 и отверстия 16 для отвода газа в затрубное пространство.
Между внешним диаметром 25 разделительной втулки 17 и защитной гильзой 7 образован кольцевой зазор 23.
Между конусообразным диффузорным участком 21 основания 8 и входом в шнековый узел в основании может быть установлен подшипник 19.
Внутренний диаметр 24 разделительной втулки 17 меньше внешнего 25, по крайней мере, на 25%.
Погружная установка работает следующим образом.
После включения электродвигателя 1 шнек 10 и дополнительный шнек 12 начинают закачивать газожидкостную смесь из затрубного пространства через основание 8 в сепарационную камеру между валом 9 и защитной гильзой 7.
Шнек 10 и дополнительный шнек 12 подводят и закручивают ГЖС. Под воздействием центробежной силы в сепарационной камере происходит разделение ГЖС, дегазированная жидкость собирается на выходе на периферии сепарационной камеры и через кольцевой канал 23, образованный между внешним диаметром разделительной втулки 17 и внутренним диаметром защитной гильзы 7, по каналам 15 отводится в лопастной насос 4. При необходимости увеличить градиент давления в сепарационной камере за шнеком 10 и дополнительным шнеком 12 может быть установлено дополнительное осевое колесо 13. При этом будут улучшены сепарирующие свойства.
Отсепарированный газ собирается в центре вокруг вала 9 и через отверстия 16 отводится в затрубное пространство.
Газосепаратор 2 не может полностью удалить весь свободный газ из потока при высоком газосодержании в потоке. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД на входе в лопастной насос 4 может быть установлен модуль с компрессорными диспергирующими ступенями 3 с целью диспергирования, уменьшения среднего диаметра пузырьков газа, сжатия и растворения в пластовой жидкости.
Пройдя через лопастной насос 4, пластовая жидкость поступает в насосно-компрессорные трубы 5 и поднимается на поверхность.
Способ осуществляют следующим образом.
В способе откачивания пластовой жидкости с повышенным содержанием газа и абразивных частиц подводят газожидкостную смесь в газосепаратор через основание 8, где газожидкостную смесь направляют через конусообразный диффузорный участок 21 основания в низконапорный шнековый узел, повышая напор газожидкостной смеси в шнековом узле.
Газожидкостную смесь закручивают и разделяют поток в сепарационной камере с малым градиентом давления.
Газожидкостную смесь направляют в установленную в головке разделительную втулку 17, которая установлена с кольцевым зазором 23 относительно внутренней поверхности сепарационной камеры, образованной внутренней стороной защитной гильзы 7. С помощью разделительной втулки 17 формируют две области: отвода дегазированной жидкости и отвода отсепарированного газа, удаленные друг от друга. Область отвода дегазированной жидкости приближена к периферии сепарационной камеры, а область отвода отсепарированного газа приближена к валу 9. Дегазированную жидкость отбирают с периферии сепарационной камеры.
Таким образом через головку 14 отводят большую часть отсепарированного газа в затрубное пространство и дегазированную жидкость в лопастной насос 4 с последующим сжатием и растворением оставшегося газа.
Новый способ работы заключается в подводе газожидкостной смеси в сепарационную камеру с малым градиентом давления и мощности за счет низконапорной лопастной решетки 20 ротора с малыми углами лопастей на выходе. Значение градиента давления - более чем в полтора, два раза меньше, чем у центробежных и вихревых газосепараторов с большими углами на выходе (порядка 90 градусов) из подводящего лопастного колеса с таким же диаметром корпуса.Лопастная решетка 20 шнека 10 и дополнительного шнека 12, дополнительного осевого колеса 13 имеет угол на выходе в диапазоне от 15 до 60 градусов. Это обеспечивает высокий гидравлический КПД за счет оптимальной диффузорности лопастной решетки 20, разницы между углами наклона лопастей на входе и выходе.
Низкий градиент давления в осевом направлении снижает вероятность образования обратных токов между выходом и входом в шнековый узел, которые диспергируют ГЖС и могут приводить к гидроэрозийному износу элементов проточной части, так как имеют повышенное содержание механических примесей. За счет этого повышается надежность работы газосепаратора.
Высокие сепарирующие свойства определяются отбором дегазированной жидкости непосредственно от периферии сепарационной камеры и большими диаметрами пузырьков газа в газожидкостной смеси.
Наличие низконапорной лопастной решетки 20 ротора с малыми углами лопастей на выходе также определяет малую мощность газосепаратора и низкое потребление электроэнергии.
Таким образом, решается задача настоящего изобретения по повышению надежности и эффективности работы установки с газосепаратором и лопастным насосом.