СПОСОБ УЛАВЛИВАНИЯ ПЕСКА И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В ПОТОКЕ НЕФТИ, ВОДЫ И ГАЗА
METHOD FOR REMOVAL OF SAND AND MECHANICAL IMPURITIES IN FLOW OF OIL, WATER AND GAS

Изобретение относится к добыче и перекачке полезных жидких и газообразных природных ресурсов, в частности воды, нефти, водонефтяных смесей, нефтепродуктов и газов. Известно, что добыча, перекачка и переработка с целью доведения до товарной кондиции этих природных ресурсов связана с большими техническими проблемами, и одной из главных проблем является борьба с песком и механическими примесями. Песок, выносимый вместе с добытыми полезными ресурсами, и механические примеси являются одной из основных причин отказа и вывода из строя оборудования, преждевременного износа узлов и деталей оборудования, ускоренной коррозии всей трубопроводной системы. Для предупреждения и уменьшения вредного воздействия песка и механических примесей на оборудование и трубопроводы применялись и применяется много способов и методов. Первый из них - ограничение поступления песка из породы пластов, в которой находятся добываемые ресурсы, второй - максимально возможное уменьшение вредного воздействия поступивших из добывающих пластов песков на используемое оборудование и трубопроводы. Для решения второй задачи используются технологические, химические и механические способы и методы. Из них наиболее широко применяются механические. Но практика показывает низкую эффективность применяемых в настоящее время механических способов защиты от песка. В основе работы используемого оборудования механического типа используется принцип отсечения песка от основного оборудования для добычи и перекачки использованием различного рода фильтров, а также принцип осаждения песка в различного рода накопителях путем изменения векторов скоростей движения потока или уменьшения давления по пути потока. Подобный способ улавливания песка применен во многих предлагаемых изобретениях, например в патенте №2006574 «Устройство для отделения песка и газа из нефти в скважине», в котором поток нефти через радиальные отверстия поступает в патрубок под насосом, при этом понижается давление потока, затем происходит изменение вектора скорости потока и нефть поступает на прием насоса. Применяемый способ позволяет лишь улучшить отделение песка от нефти, и, как показывает практика, при этом улавливается не свыше 40 процентов песка. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому «Способу улавливания песка и механических примесей в потоке нефти, жидкости и газа» является способ, изложенный в патенте №2232881 «Устройство для отделения песка от пластового флюида в скважине при ее эксплуатации», в котором песок собирается в приемную колонну, размещенную под приемом глубинного насоса или лифтовой колонной. Внутри приемной колонны по длине последовательно установлены ряд песочных карманов, в которые под действием сил гравитации и центробежных сил от закручивания потока скапливается песок. Недостатками этого устройства являются сложность конструкции и низкая эффективность.
Целью предлагаемого изобретения является более полное улавливание песка и механических примесей для максимального снижения вредного воздействия песка и механических примесей на оборудование и трубопроводы, увеличение срока их эксплуатации и снижение материальных затрат при использовании предлагаемого способа улавливания песка.
Сущность предлагаемого способа улавливания песка и механических примесей в потоке нефти, воды и газа заключается в комплексном использовании двух эффектов гидроаэродинамики - это внезапное расширение потока (потери на удар). На основании теоремы импульса сил была выведена формула Борда:
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
(В.И. Калицун и др. «Гидравлика, водоснабжение и канализация». М.: 1980 г. Стр.45-46).
И эффекта Коанды, заключающегося в том, что при истечении потока жидкости или газа в трубе пониженное давление во внутренней стенке трубы препятствует свободному истечению потока, вызывая понижение давления в зоне истечения и заставляя поток отклоняться (Т.Е. Фабер «Гидроаэродинамика». Изд-во «Постмаркет», 2001 г. 105-109, 543 стр.).
Основным условием для успешной реализации поставленной задачи, то есть максимального проявления этих эффектов гидроаэродинамики, является подбор оптимального вида и конструкции устройства и его конструкционных параметров. При этом улавливание песка и механических примесей осуществляется простым механическим способом за счет резкого понижения давления в зоне улавливания - потери на удар, основанного на эффекте Борда, усиливаемого использованием эффекта Коанды. Для этого внутри потока жидкости или газа по его направлению устанавливается накопитель песка, представляющий собой трубу с заглушенным концом, за не заглушенным концом трубы на некотором расстоянии от конца трубы по ходу потока жидкости или газа соосно устанавливается дифференциатор давления, представляющий собой металлический цилиндр, диаметр которого меньше диаметра трубы-накопителя песка. Вся конструкция устройства жестко крепится в трубопроводе, по которому и течет поток жидкости или газа.
Предлагаемый способ улавливания песка иллюстрируется схемой устройства, где 1 - трубопровод, 2 - дифференциатор давления, 3 - накопитель песка, 4 - система крепления устройства в трубопроводе. Приведем гидравлический расчет предлагаемого способа улавливания песка, реализуемого посредством такого устройства, при установке его в колонну НКТ выше глубинного плунжерного насоса, с креплением устройства в подвеске штанг. При этом варианте системы крепления в трубопроводе, то есть в колонне НКТ, не требуется и устройство состоит лишь из накопителя песка и дифференциатора давления. При откачке нефти устройство вместе с колонной штанг в соответствии с установленным числом качаний будет двигаться вверх и вниз. Выберем вариант работы станка качалки, при котором движение подвески штанг будет осуществляться вверх как наиболее сложное. Расчет основан на том, что при начале движения плунжера насоса вверх в зоне выше насоса происходит сжатие жидкости вследствие наличия газового фактора и утечек жидкости между плунжером и цилиндром насоса. Поэтому жидкость сначала движется относительно устройства для улавливания песка вниз. Этим и объясняется разница между реальной подачей ШГН и идеальной.
Скорость движения жидкости вниз в основном определяется величиной газового фактора и глубиной спуска насоса. При достижении определенной критической точки, при которой газ уже перестает сжиматься, начинается движение жидкости в основном вверх и происходит откачка нефти.
Для расчета примем глубину спуска насоса, равную 1000 м, внутренний диаметр НКТ=60 мм, диаметр дифференциатора давления=40 мм.
Рассчитаем потери давления после дифференциатора давления, используя законы гидравлики.
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Для этого определим коэффициенты местных гидравлических сопротивлений в сечениях
и
.
При движении плунжера насоса вверх поток жидкости сначала устремляется вниз, потому под дифференциатором давления 2 происходит явление внезапного расширения потока (потери на удар). Согласно теореме Борда:
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
1
2
, где ϑ и ϑ - скорости потока в сечениях
и
,
g - ускорение свободного падения.
1
1
2
2
1
2
Учитывая, что ϑ×F=ϑ×F, где F и F - соответствующие площади сечений:
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ϑ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
или
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ϑ</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>M</mi></msub><mo>=</mo><mo>∂</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ϑ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
Сопоставляя эти формулы с формулой Вейсбаха
, где ∂ - коэффициент местного сопротивления.
Получим:
<mrow><msub><mo>∂</mo><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mo>∂</mo><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
и
;
1
2
2
2
Так как у нас F=15,7 mm и F=25,12 mm,
получим:
<mrow><msub><mo>∂</mo><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>15</mn><mo>,</mo><mn>7</mn></mrow><mrow><mn>25</mn><mo>,</mo><mn>12</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>140</mn></mrow>
<mrow><msub><mo>∂</mo><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>25</mn><mo>,</mo><mn>12</mn></mrow><mrow><mn>15</mn><mo>,</mo><mn>7</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>360</mn></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Исходя из этого падение давления после дифференциатора давления определяется разницей местных гидравлических сопротивлений по сечениям
и
, то есть
2
1
∂=∂-∂=0,220
<mrow><mn>100</mn><mtext> кг</mtext><mo>×</mo><mfrac bevelled="true"><mtext>с</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>см</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>−</mo><mover accent="true"><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Так как при подъеме плунжера вверх давление достигает
и выше, то падение давления после дифференциатора давления будет довольно существенным и будет определяться разницей местных гидравлических сопротивлений по сечениям
и
и оно будет тем больше, чем больше разница площадей потока и его расширившейся части. Дополнительное снижение давления обеспечивается эффектом Коанды. Именно это возникновение понижения давления у приема накопителя обеспечивает поступление песка в накопитель и предохраняет песок от вымывания. При движении плунжера насоса вниз поток нефти относительно устройства движется вверх и понижение давления у приема накопителя песка будет еще больше.
Создаваемое предлагаемым способом улавливания песка и механических примесей в потоке нефти, воды и газа понижение давления в накопителе песка имеет сложную зависимость и определяется общей конструкцией системы, его конструкционными параметрами, и его величина определяется многими факторами (вязкость нефти, расстояние от дифференциатора давления до накопителя песка и другими), а характер распределения давления зависит от момента времени. При работе устройства в установившемся режиме течения жидкости или газа пониженное давление в накопителе песка остается неизменным. Это характерно при установке устройств для улавливания песка до и после насосов и компрессоров центробежного типа. Применение предлагаемого способа улавливания песка с установкой подобных устройств в скважинах имеет свои особенности, в частности, для обеспечения надежной работы глубинных насосов типа ЭЦН необходимо применять механические пакера, устанавливаемые автономно до насоса, на которые и монтируется устройство по предлагаемому способу.
Для полной очистки потока жидкости, нефти и газа предусматривается установка последовательно нескольких устройств. Предлагаемый способ улавливания песка и механических примесей в потоке нефти, воды и газа, включающий улавливание из потока нефти, воды и газа и накопление песка и механических примесей в накопителях, отличается от применяемых и предлагаемых принципом действия, заложенным в основу работы устройств, созданных по принципу, по которому улавливание песка и механических примесей из потока нефти, воды и газа осуществляется механическим способом за счет понижения давления на локальном участке - потеря на удар, основанного на эффекте Борда, усиливаемого использованием эффекта Коанды и предполагающего установку в потоке нефти, воды и газа, такую конструкцию устройства, состоящую из накопителя песка и механических примесей и дифференциатора давления, конструкционные параметры которых позволяют обеспечить максимальное проявление этих эффектов. Эффективность предлагаемого способа и простота созданных по этому способу устройств позволяет размещать их в потоке перекачиваемой или движущей под уже имеющимся собственным давлением потока жидкости с газом или газа как до, так и после любых перекачивающих механизмов.