ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИННОЙ ЖИДКОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
INPUT DEVICE FOR THE BOTTOM-HOLE LIQUID CLEANING OF MECHANICAL IMPURITIES

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти в условиях, осложненных высоким содержанием абразивных частиц в пластовой продукции.
Известен скважинный сепаратор, содержащий корпус с входными отверстиями, коаксиально установленную в корпусе отводящую трубу, шнек центробежной очистки в кольцевой полости между корпусом и отводящей трубой и сборник примесей [Якимов С.Б. и др. Применение десендеров для защиты ЭЦН на пластах Покурской свиты // Новатор. 2009. №27. С. 27-31].
3
Скважинный сепаратор характеризуется высокой продолжительностью работы, однако его недостатком является зависимость коэффициента сепарации от расхода добываемой жидкости и размера содержащихся в ней частиц примесей. Отсепарированные частицы оседают на дно скважины или попадают в специальный хвостовик (накопительный контейнер сепаратора), что приводит либо к засорению скважины, либо к переполнению хвостовика. В конечном итоге необходимо извлекать насосную установку из скважины и проводить дорогостоящие очистные и спускоподъемные операции. Расчеты показывают, что при концентрации взвешенных твердых частиц, например, 0.5 г/л и при подаче насоса 100 м в сутки в скважине (в хвостовике) за месяц осядет 1500 кг песка.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство для очистки скважинной жидкости от механических примесей на входе в погружной центробежный насос, содержащее вал с подшипниковыми опорами, корпус с верхними входными отверстиями, средство для отделения крупных частиц механических примесей с отводящей трубой - сепаратор, измельчитель крупнодисперсных частиц, выполненный в виде установленного на валу подвижного измельчающего элемента и установленного в корпусе неподвижного измельчающего элемента, взаимодействующих при вращении вала [Пат. RU 2272129 С2, МПК Е21В 43/38, опубл. 20.03.2006].
Очистка скважинной жидкости при работе описываемого устройства осуществляется путем гравитационной или инерционной сепарации. Скважинная жидкость, содержащая механические примеси, попадает в устройство через входные отверстия и проходит вдоль наружной поверхности отводящей трубы. При развороте входного потока на 180° осуществляется сепарация крупных частиц механических примесей, которые поступают в измельчитель, очищенная жидкость подается на вход электроцентробежного насоса (ЭЦН).
В измельчителе осуществляется механическое разрушение твердых частиц, после чего измельченные частицы подаются в пространство обсадной колонны скважины через выходные отверстия, подхватываются восходящим потоком жидкости и вновь подаются на вход устройства. Измельченные частицы механических примесей, попадая в ЭЦН, оказывают минимальное изнашивающее воздействие на детали, что обусловливает увеличение времени наработки насоса на отказ. Вынос измельченных частиц механических примесей из скважины существенно снижает интенсивность процесса ее засорения, исключает пересыпание зумпфа скважины и отверстий перфорации.
В описываемом устройстве осуществляется гравитационная сепарация механических примесей. Установка на наружной поверхности отводящей трубы профилированных лопаток или лопастей шнеков позволяет повысить эффективность сепарации крупных частиц благодаря созданию центробежной силы, прижимающей твердые частицы к корпусу, то есть за счет реализации инерционной сепарации.
Для увеличения напора на входе в ЭЦН, предотвращения кавитационных процессов и срыва подачи насоса на приводном валу устройства может быть установлен шнек, предназначенный для нагнетания жидкости на вход ЭЦН.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства для очистки скважинной жидкости, являются: наличие корпуса с входными отверстиями, сепаратора для отделения крупных частиц механических примесей, приводного вала на подшипниковых опорах, установленного с возможностью вращения, и измельчителя крупных частиц механических примесей с возможностью вывода измельченных частиц через выходные отверстия в пространство обсадной колонны скважины.
К недостаткам устройства очистки скважинной жидкости от механических примесей, принятого за прототип, следует отнести то, что разрушение механических примесей осуществляется путем истирания, во время которого взаимодействующие поверхности измельчителя интенсивно изнашиваются, что, в конечном итоге, приводит к отказу измельчителя. Срок наработки такого измельчителя оказывается гораздо меньше, чем гарантируемый срок безотказной работы УЭЦН, что для скважинного оборудования неприемлемо, поскольку подъем установки из скважины с целью устранения отказов и замены изношенных элементов сопровождается существенными материальными и временными затратами.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: повышение времени непрерывной работы устройства для очистки скважинной жидкости и увеличение наработки УЭЦН, как следствие, уменьшение интенсивности процесса засорения скважины твердыми частицами, выносимыми из пласта.
Указанный результат достигается тем, что во входном устройстве для очистки скважинной жидкости, содержащем корпус с верхними входными отверстиями, сепаратор механических примесей, приводной вал на подшипниковых опорах с возможностью вращения и измельчитель крупнодисперсных частиц, снабженный выходными отверстиями для подачи измельченных частиц в пространство обсадной колонны скважины, согласно изобретению, измельчитель крупнодисперсных частиц выполнен в виде отдельных ступеней центробежного насоса, содержащих рабочее колесо с лопастями и направляющий аппарат, образованный цилиндрическим корпусом с верхним и нижним дисками, между которыми расположены лопасти; на внутренней поверхности направляющего аппарата размещены лопатки, выполненные из материала, твердость которого превышает твердость измельчаемых абразивных частиц, например, из твердого сплава ВК8.
Использование в конструкции устройства измельчителя крупнодисперсных частиц, выполненного в виде отдельных ступеней центробежного насоса, позволяет осуществлять разрушение крупнодисперсных механических частиц без прямого взаимодействия рабочих поверхностей элементов измельчителя, за счет соударения частиц механических примесей, движущихся в потоке перекачиваемой жидкости, о лопатки, сформированные на внутренней поверхности направляющего аппарата, выполненные из материала, твердость которого превышает твердость измельчаемых частиц, что обусловливает повышение ресурса входного устройства для очистки скважинной жидкости при работе УЭЦН в нефтяной скважине.
В случае если крупность и масса измельченных частиц меньше крупности и массы, на которые рассчитано устройство для очистки скважинной жидкости (гравитационный или инерционный сепаратор), частицы с потоком скважинной жидкости проходят в ЭЦН и, осуществляя минимальное изнашивающее воздействие на узлы насоса, подаются к поверхности скважины. Тем самым снижается интенсивность засорения скважины песком. Частицы, недостаточно измельченные для прохождения через устройство очистки скважинной жидкости, снова подаются на измельчитель твердых частиц. Таким образом, достигается контролируемое измельчение выносимых из пласта твердых крупнодисперсных частиц, тем самым уменьшается износ электроцентробежного насоса и повышается время его безотказной работы.
В некоторых вариантах исполнения лопатки измельчителя, изготовленные из материала, твердость которого превышает твердость измельчаемых частиц механических примесей, могут быть выполнены как единое целое с корпусом направляющего аппарата, или сформированы на вставном элементе, закрепленном в корпусе направляющего аппарата посредством шпонки или стопорного кольца. Выбор вариантов исполнения лопаток и их крепления внутри корпуса направляющего аппарата обусловлен необходимостью обеспечения максимальной технологичности изделия.
Кроме того, на поверхности отводящей трубы сепаратора, коаксиально расположенной внутри корпуса устройства, могут быть установлены профилированные лопатки или лопасти шнеков для повышения эффективности процесса сепарации крупнодисперсных частиц, а внутри отводящей трубы, на приводном валу, может быть дополнительно размещен шнек для создания дополнительного напора на входе ЭЦН.
На основании изложенного заявляемое изобретение является техническим решением, обладает новизной и имеет изобретательский уровень, так как оно неизвестно из уровня техники, и для специалистов оно явным образом не следует из уровня техники с более ранним приоритетом. Промышленная применимость входного устройства для очистки скважинной жидкости от механических примесей подтверждается возможностью его реализации с использованием известных средств и материалов, применяемых в нефтедобывающей промышленности.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемого входного устройства для очистки скважинной жидкости; на фиг. 2 и 3 - продольный и поперечный разрез ступени измельчителя крупнодисперсных частиц, соответственно.
Входное устройство для очистки скважинной жидкости от механических примесей (фиг. 1) включает корпус 1 в виде полой трубы с входными отверстиями 2, сообщающимися с пространством внутри обсадной колонны скважины. На торцах корпуса 1 закреплены верхний 3 и нижний 4 узлы отвода, снабженные фланцами с крепежными отверстиями 5. Внутри корпуса 1 коаксиально расположена отводящая труба 6, на поверхности которой в некоторых вариантах исполнения устройства, могут быть установлены профилированные лопатки или лопасти шнеков 7. Корпус 1 и отводящая труба 6 образуют сепаратор для разделения механических примесей. Отводящая труба 6 сообщается с выходными отверстиями 8, по которым очищенная скважинная жидкость поступает к электроцентробежному насосу (не показан). В нижней части корпуса 1 размещены ступени измельчителя крупнодисперсных частиц 9, вращающий момент на который передается приводным валом 10 от погружного электродвигателя насосной установки (не показан). Приводной вал 10 проходит через отводящую трубу 6 и установлен в подшипниковых опорах 11 с возможностью вращения. В некоторых вариантах конструкции на приводном валу 10 устанавливается шнек 12 для обеспечения дополнительного напора на входе электроцентробежного насоса. В нижнем узле отвода 4 выполнены выкидные отверстия 13, сообщающиеся с пространством внутри обсадной колонны скважины. Стенки корпуса 1 и отводящей трубы 6 образуют кольцевой канал 14, по которому скважинная жидкость поступает внутрь устройства.
Измельчитель крупно дисперсных частиц 9 (фиг. 2 и фиг. 3) состоит из отдельных ступеней, содержащих рабочее колесо 15 с лопастями 16 и направляющий аппарат 17, образованный цилиндрическим корпусом 18, верхним 19 и нижним 20 дисками, между которыми располагаются лопасти 21, образующие каналы для перекачки жидкости. Внутри цилиндрического направляющего аппарата 17 посредством шпонки или стопорного кольца закреплен вставной элемент 22, выполненный из материала, твердость которого превышает твердость измельчаемых частиц механических примесей, например, из сплава ВК8. На внутренней поверхности вставного элемента 22 сформированы лопатки 23.
Заявляемое входное устройство для очистки скважинной жидкости от механических примесей монтируется на вход электроцентробежного насоса посредством фланца верхнего узла отвода 3, в котором выполнены отверстия 5 под крепежные элементы (см. фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
Вращающий момент на приводной вал 10 входного устройства подается от вала погружного электродвигателя (не показан). При включении электроцентробежного насоса скважинная жидкость с частицами механических примесей различной дисперсности поступает через верхние входные отверстия 2 в корпус 1 и движется вниз вдоль внешней поверхности отводящей трубы 6 по кольцевому каналу 14, образованного стенками корпуса 1 и отводящей трубы 6, В случае, если на внешней поверхности отводящей трубы 6 установлены профилированные лопатки или лопасти шнека 7, движущийся поток приобретает вращательное движение, что обусловливает смещение крупнодисперсных частиц механических примесей к стенке корпуса 1 и более эффективное их сепарирование.
На выходе из канала 14 поток изменяет направление движения на 180°, что обусловливает отделение от основного потока скважинной жидкости крупнодисперсных частиц механических примесей. Очищенная от крупных частиц механических примесей скважинная жидкость попадает в отводящую трубу 6, откуда через выходные отверстия 8 верхнего узла отвода 3 подается на вход электроцентробежного насоса. Дополнительный напор очищенной жидкости на вход ЭЦН может быть создан посредством шнека 12.
Крупные частицы механических примесей проходят по инерции мимо отводящей трубы 6 и под действием собственного веса опускаются вниз, где подаются на вход многоступенчатого измельчителя 9.
Подача скважинной жидкости, содержащей твердые крупнодисперсные частицы, в ступень измельчителя 9 на вход рабочего колеса 15 осуществляется по каналам, образованным верхним 19, нижним 20 дисками и лопастями 21 направляющего аппарата 18 (см. фиг. 2). При вращении рабочего колеса 15 ступени измельчителя твердых частиц 9 перекачиваемому потоку жидкости с крупнодисперсными частицами сообщается энергия лопастями 16. Поток жидкости с крупно дисперсными частицами движется от центра рабочего колеса 15 к периферии, в сторону цилиндрического корпуса 18 направляющего аппарата 17. На выходе из рабочего колеса 15 (см. фиг. 3) поток, содержащий крупнодисперсные твердые частицы, направляется на лопатки 23, выполненные как единое целое с цилиндрическим корпусом 18 направляющего аппарата или на вставном элементе 22. Крупнодисперсные частицы, содержащиеся в потоке жидкости, ударяются о лопатки 23 деформируются и измельчаются.
Вращающий момент на колесо 15 передается от приводного вала 10, установленного в подшипниковых опорах 11 с возможностью вращения (см. фиг. 1). Измельченные частицы механических примесей выводятся из устройства через выкидные отверстия 13 нижнего узла отвода 4, подхватываются восходящим потоком скважинной жидкости и снова подаются во входное устройство через отверстия 2. Измельченные частицы, крупность которых меньше крупности, на которую рассчитано устройство для очистки скважинной жидкости, проходят в отводящую трубу 6 и через каналы 8 подаются на вход ЭЦН, откуда выносятся в выкидную линию скважины вместе с потоком скважинной жидкости. При этом измельченные частицы оказывают минимальное изнашивающее влияние на детали ЭЦН.
Отсутствие в ступенях измельчителя 9 элементов, рабочие поверхности которых контактируют между собой при разрушении крупнодисперсных частиц механических примесей, обусловливает повышение времени непрерывной работы устройства для очистки скважинной жидкости и увеличивает время безотказной работы УЭЦН. Измельчение и вынос частиц механических примесей с потоком скважинной жидкости исключает перекрытие зоны перфорации скважины и пересыпание зумпфа.