ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО СКВАЖИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при добыче обводненной нефти для снижения темпов образования высоковязкой водонефтяной эмульсии в колонне лифтовых труб путем организации поочередной подачи нефти и воды на прием скважинного насоса.
Известно «Входное устройство скважинного насоса» (патент РФ №2213269, кл. F 04 D 13/10, опубл. Бюл. №27 от 27.09.2003 г.), включающее U-образный подводящий патрубок, переводник приемной части скважинного насоса, отстойную камеру, имеющую в нижней части входной канал, и дополнительную отстойную камеру, расположенную на U-образном подводящем патрубке в месте изменения направления потока жидкости, а сечения каналов U-образного подводящего патрубка выполнены кольцевыми и образованы трубами, эксцентрично размещенными одна в другой.
Недостатками устройства являются высокая трудоемкость и себестоимость его изготовления, поскольку при сварке крышек к наружной трубе необходимо обеспечить их достаточно высокую соосность, которая может быть достигнута только применением специальных приспособлений, высокая металлоемкость устройства, поскольку все применяемые детали и узлы выполнены из металла, и низкая долговечность работы вследствие коррозии тонкостенных металлических труб устройства в скважине.
Известно «Входное устройство скважинного насоса» (патент РФ №2232294, кл. F 04 В 47/00, опубл. Бюл. №19 от 10.07.2004 г.), содержащее соединенную с переводником приемной части скважинного насоса отстойную камеру, в которой частично размещен U-образный подводящий патрубок, один конец которого выведен за отстойную камеру, а отстойная камера имеет в нижней части входной канал с сечением, меньшим проходного сечения отстойной камеры. Входное устройство дополнительно снабжено стаканом,
выполненным с отверстиями в верхней части и сообщенным с отстойной камерой входным каналом, выполненным в виде трубки, размещенной в стакане, нижний конец которой расположен ниже отверстий стакана, а верхний конец расположен в отстойной камере на некотором расстоянии от ее дна.
Недостатками устройства также являются высокая трудоемкость его изготовления и высокая металлоемкость, а также низкая пропускная способность кольцевых каналов.
Техническая задача полезной модели состоит в том, чтобы понизить себестоимость и трудоемкость изготовления устройства за счет исключения сварных операций, снизить его металлоемкость и повысить долговечность за счет применения полимерных материалов, а также увеличить пропускную способность устройства за счет изменения геометрии сечений его каналов.
Указанная техническая задача решается входным устройством скважинного насоса, содержащим соединенную с переводником приемной части скважинного насоса отстойную камеру, в которой размещен U-образный подводящий канал, один конец которого выведен за отстойную камеру, причем ниже отстойной камеры расположен стакан с отверстиями, который соединен с отстойной камерой входным каналом сечением, меньшим проходного сечения отстойной камеры, при этом нижний конец входного канала расположен ниже отверстий стакана, а верхний конец - в отстойной камере, при этом площадь внутреннего сечения между входным каналом и стаканом выбрана таким образом, что максимальная скорость течения воды вниз в этом сечении может превышать скорость всплытия нефти в воде не более чем в два раза, а минимальный объем внутреннего пространства между входным каналом и стаканом должен быть не менее половины объема жидкости, поступающей в насос при всасывании.
Новым является то, что отстойная камера и стакан расположены в едином корпусе, где они разделены перемычкой, а U-образный подводящий канал и входной канал образованы продольными перегородками корпуса, причем верхний конец входного канала расположен на уровне конца U-образного подводящего канала, выведенного за отстойную камеру.
На Фиг.1 представлена схема входного устройства, на Фиг.2 - поперечное сечение устройства (увеличено).
Входное устройство содержит соединенную с переводником 1 приемной части насоса (см. Фиг.1) отстойную камеру 2, в которой размещен U-образный подводящий канал 3. Конец 4 U-образного подводящего канала 3 выведен за отстойную камеру 2. Ниже отстойной камеры 2 расположен стакан 5 с отверстиями 6, который соединен с отстойной камерой 2 входным каналом 7, сечение которого меньше проходного сечения отстойной камеры 2. Нижний конец 8 входного канала 7 расположен ниже отверстий 6 стакана 5, а его верхний конец 9 расположен в отстойной камере 2.
Отстойная камера 2 и стакан 5 расположены в едином корпусе 10, где они разделены перемычкой 11. U-образный подводящий канал 3 и входной канал 9 образованы продольными перегородками 12 (см. Фиг.2) корпуса 10, причем верхний конец 9 (см. Фиг.1) входного канала 7 расположен на уровне конца 4 U-образного подводящего канала 3, выведенного за отстойную камеру 2.
Устройство работает следующим образом.
Поступающая в скважину (на Фиг.1 не показана) пластовая жидкость под действием гравитационных сил разделяется на нефть и воду. В установившемся режиме работы насосной установки граница водонефтяного раздела находится в пределах высоты устройства, поскольку происходит переключение устройства на отбор либо воды через отверстия 6 стакана 5, либо нефти через U-образный подводящий патрубок 3.
Поскольку разделение пластовой жидкости на нефть и воду в скважине происходит постоянно, нефть, имеющая меньшую плотность, всплывает в воде, перемещается вверх по стволу скважины и при переключении входного устройства на отбор воды вместе с ней поступает через отверстия 6 в стакан 5.
Площадь кольцевого сечения между входным каналом 7 и стаканом 5 выбрана таким образом, что максимальная скорость течения воды вниз в этом сечении может превышать скорость всплытия нефти в воде не более чем в два раза, при этом минимальный объем пространства между входным каналом 7 и стаканом 5 должен быть не менее половины объема жидкости, поступающей в насос при всасывании. Необходимый объем обеспечивается тем, что нижний
конец 8 входного канала 7 расположен на некотором достаточном расстоянии ниже отверстий 6 стакана 5.
Такое выполнение входного устройства исключает попадание нефти в входной канал 7 и далее в приемный патрубок 1, поскольку течение жидкости вниз в стакане 5 происходит только при всасывании насоса, а всплытие нефти относительно воды происходит постоянно. При вышеуказанном условии выполнения площади сечения между входным каналом 7 и стаканом 5 капли нефти смогут пройти вниз лишь половину расстояния, на которое сможет переместиться вниз вода. Затем, при нагнетательном ходе плунжера, когда всасывающий клапан насоса закрыт, а вода в стакане находится в покое, вся нефть, поступившая в стакан 5 вместе с водой в течение всасывающего хода плунжера, успевает всплыть и выйти из стакана 5 через окна 6 в скважину.
По мере отбора воды из скважины граница водонефтяного раздела снижается, равновесие столбов жидкости в U-образном подводящем канале 3 и входном канале 7 нарушается и происходит переключение устройства на отбор нефти.
Нефть поступает в устройство через выведенный за отстойную камеру 2 конец 4 U-образного подводящего канала 3, затем по полости 13 U-образного подводящего канала 3 движется вниз, поступает в отстойную камеру 2, далее вверх по полости 14 U-образного подводящего канала 3 в переводник 1 приемной части скважинного насоса и далее в насос (не показан).
Скорость движения нефти при выходе из полости 13 снижается, так как площадь поперечного сечения отстойной камеры 2 кратно превышает площадь поперечного сечения полости 13, а направление потока нефти при поступлении ее в полость 14 меняется на противоположное. За счет этого происходит отделение от нефти механических примесей и оседание их на перемычке 11, являющейся дном отстойной камеры 2.
Расположение верхнего конца 9 входного канала 7 на уровне конца 4 U-образного подводящего канала 3 обеспечивает равную и максимально возможную высоту столбов жидкостей в каналах устройства, поскольку чем больше высота U-образного подводящего канала 3, тем большие порции нефти и
воды будут подаваться в насос при прочих равных условиях и тем на большей высоте от насоса возможно образование высоковязкой эмульсии.
При добыче вязкой нефти в полостях 13 и 14, из которых и состоит U-образный канал 3, возникают значительные гидродинамические сопротивления, что требует увеличения пропускной способности их сечений. Увеличить пропускную способность полостей за счет увеличения площади их поперечного сечения в пределах ограниченного пространства скважины невозможно, поэтому сечения этих полостей, образованных продольными перегородками 12 (см. Фиг.2) в корпусе 10 при его изготовлении, например из полиэтилена с помощью экструдера, выполнены призматическими. Кроме того, продольные перегородки 12 выполняют роль ребер жесткости, повышающих жесткость и прочность корпуса 10, что упрощает транспортировку и монтаж устройства.
По мере отбора нефти из скважины линия раздела жидкостей поднимается, равновесие столбов жидкостей в U-образном подводящем канале 3 и входном канале 7 нарушается и происходит переключение устройства на отбор воды. Далее циклы повторяются.
Приближенное решение для ламинарного течения жидкости в призматических каналах произвольного сечения с достаточной для практических расчетов точностью может быть получено по зависимости (см. стр.152-153. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1977. - 304 с)
где Q - расход жидкости;
Δp - падение давления по длине канала;
F - площадь поперечного сечения канала;
l -длина канала;
μ - динамическая вязкость жидкости;
0
I - полярный момент инерции поперечного сечения рассматриваемого канала.
Расчеты, проведенные по формуле, показывают, что при прочих равных условиях расход жидкости по каналам призматического сечения, то есть их
пропускная способность, превышает почти в 2 раза пропускную способность кольцевых сечений, образованных расположением труб с максимально возможным эксцентриситетом и почти в 5 раз выше пропускной способности кольцевых сечений, образованных концентричным расположением труб. Это позволяет не увеличивая поперечные габариты устройства, что важно в ограниченном пространстве скважины, существенно повысить его пропускную способность.
Применение предложенного входного устройства позволит: снизить себестоимость и трудоемкость изготовления устройства за счет исключения сварных операций, более чем на 90% снизить его металлоемкость и повысить долговечность за счет применения полимерных материалов, а также увеличить пропускную способность устройства за счет изменения геометрии сечений его каналов.