Погружная насосная установка

 

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при добыче нефти из скважин с высоким газовым фактором. Установка содержит погружной электродвигатель с гидрозащитой, газосепаратор, диспергатор и погружной насос. Газосепаратор включает установленное на валу кавернообразующее лопастное колесо и сепарационный барабан с ребрами, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса расположены на осевом расстоянии от входных кромок ребер сепарационного барабана, составляющем 0,05 до 0,25 наружного диаметра сепарационного барабана, а диспергатор выполнен в виде ступеней, содержащих статоры-втулки и роторы, расположенные внутри статоров втулок, причем на поверхностях сопряжения статоров-втулок и роторов выполнены выступы и впадины. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей и области применения путем интенсификации диспергирования газожидкостной смеси и уменьшения объемного содержания в ней свободного газа. 8 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при добыче нефти из скважин с высоким газовым фактором.

Известна погружная насосная установка, содержащая газосепаратор и погружной насос (а.с. СССР №109579, 1954). Это устройство имеет низкую эффективность при откачке из скважин нефти с высоким газосодержанием.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является погружная насосная установка, содержащая погружной электродвигатель с гидрозащитой, газосепаратор, диспергатор и погружной насос (патент США №5628616, F 04 D 29/22, 1997). Известное устройство имеет низкие функциональные возможности и ограниченную область применения из-за малоэффективного диспергирования газожидкостной смеси лопастными колесами с отверстиями в верхнем диске и лопастях.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и области применения путем интенсификации диспергирования газожидкостной смеси и уменьшения объемного содержания в ней свободного газа.

Расширение функциональных возможностей и области применения достигается тем, что в погружной насосной установке, содержащей погружной электродвигатель с гидрозащитой, газосепаратор, диспергатор и погружной насос, газосепаратор содержит установленные на валу кавернообразующее лопастное колесо и сепарационный барабан с ребрами, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса расположены на осевом расстоянии от входных кромок ребер сепарационного барабана, составляющем от 0,05 до 0,25 наружного диаметра сепарационного барабана.

Диспергатор выполнен в виде ступеней, содержащих статоры-втулки и роторы, расположенные внутри статоров-втулок, причем на поверхностях сопряжения статоров-втулок и роторов выполнены выступы и впадины. В погружной насосной установке расширение функциональных возможностей и области применения достигается также тем, что выступы и впадины выполнены в виде нарезок. Число ступеней диспергатора предпочтительно составляет не менее двух, а нарезки выполнены в виде винтовых канавок, которые могут иметь полукруглую форму меридианного сечения. Число ребер сепарационного барабана может быть равно или кратно числу лопастей кавернообразующего колеса, а газосепаратор и ступени диспергатора могут составлять единый модуль, в котором роторы ступеней диспергатора установлены на валу газосепаратора, где также может быть установлена осевая подшипниковая опора, снабженная винтовым микронасосом и всасывающим отверстием для промывки и охлаждения. Входные отверстия газосепаратора могут быть снабжены защитными износостойкими втулками, а внутри корпуса газосепаратора напротив вращающихся элементов проточной части могут устанавливаться защитные износостойкие гильзы.

Указанные выше отличительные признаки изобретения позволяют существенно интенсифицировать диспергирование газа в смеси перед входом в погружной насос, что значительно снижает вредное влияние свободного газа на работу насоса и дает возможность успешно вести добычу нефти из скважин с высоким газовым фактором, в которых известные технические решения практически неработоспособны.

На фиг.1 представлена схема погружной насосной установки в скважине; на фиг.2 - схема газосепаратора с диспергатором; на фиг.3 - вариант выполнения газосепаратора; на фиг.4 - поперечный разрез газосепаратора в месте расположения сепарационного барабана; на фиг.5 - осевое расстояние от выходных кромок лопастей кавернообразующего колеса до входных кромок ребер сепарационного барабана; на фиг.6 -статор-втулка ступени диспергатора; на фиг.7 - ротор ступени диспергатора; на фиг.8 - распределение пузырьков газа по размерам на входе в газосепаратор (а), на входе в диспергатор (б) и на входе в погружной насос (в); на фиг.9 - области эффективного применения прототипа и предлагаемого технического решения.

Погружная насосная установка (см. фиг.1) для эксплуатации скважины 1, пробуренной на пласт 2, содержит погружной электродвигатель 3 с гидрозащитой 4, газосепаратор 5, диспергатор 6 и погружной насос 7. Установка спущена в скважину 1 на насосно-компрессорных трубах 8. Электроэнергия к погружному электродвигателю 3 передается по кабелю 9. Между насосно-компрессорными трубами 8 и эксплуатационной колонной скважины 1 образовано затрубное пространство 10.

Газосепаратор 5 (см. фиг.2, 3, 4) содержит установленные на валу 11 кавернообразующее лопастное колесо 12 и сепарационный барабан 13 с ребрами 14. Выходные кромки 15 лопастей 16 кавернообразующего колеса 12 расположены при этом (см. фиг.5) на расстоянии L от входных кромок 17 ребер 14 сепарационного барабана 13, которое составляет от 0,05 до 0,25 наружного диаметра D сепарационного барабана 13.

Газосепаратор 5 содержит также шнек 18, радиальный подшипник 19, узел отвода 20 и входные отверстия 21.

В варианте газосепаратора 5 (см. фиг.3) радиальный подшипник 19 может не устанавливаться.

В одном из вариантов выполнения газосепаратор 5 содержит также установленную на валу 11 осевую подшипниковую опору 22, снабженную винтовым микронасосом 23 и всасывающим отверстием 24. В других вариантах выполнения входные отверстия 21 газосепаратора 5 снабжены защитными износостойкими втулками 25 и внутри корпуса газосепаратора 5 напротив вращающихся элементов проточной части (шнека 18, кавернообразующего колеса 12 и сепарационного барабана 13) установлены защитные износостойкие гильзы 26 и 27.

Диспергатор 6 состоит (см. фиг.2) из ступеней 28, содержащих статоры-втулки 29 и роторы 30, расположенные внутри статоров-втулок 29.

На поверхностях сопряжения статоров-втулок 29 и роторов 30 имеются выступы и впадины, которые в вариантах установки могут быть выполнены в виде нарезок, а нарезки - в форме винтовых канавок 31 и 32, которые могут иметь полукруглую форму меридианного сечения (см. фиг.6 и 7). В варианте выполнения установки число ступеней 28 диспергатора 6 составляет не менее двух.

В других вариантах установки число ребер 14 сепарационного барабана 13 равно или кратно числу лопастей 16 кавернообразующего колеса 12, а газосепаратор 5 и ступени 28 диспергатора 6 составляют единый модуль, в котором роторы 30 ступеней 28 диспергатора 6 установлены на валу 11 газосепаратора 5.

Погружная насосная установка для эксплуатации скважины работает следующим образом.

Погружной электродвигатель 3, электроэнергия к которому подводится по кабелю 9, приводит во вращение погружной насос 7 с газосепаратором 5 и диспергатором 6. Погружная насосная установка откачивает из пласта 2 смесь нефти, газа и воды в скважину 1. По мере подъема продукции пласта 2 по стволу скважины 1 давление в потоке падает, и попутный газ выделяется из нефти. При этом также увеличивается объемная доля газа в смеси. Газожидкостная смесь, поступающая из скважины, имеет в своем составе пузырьки газа различных размеров. Распределение пузырьков газа в смеси перед входом в газосепаратор 5 показано на фиг.8, кривая “а” (по оси абсцисс отложен диаметр d пузырька, по оси ординат - процентное содержание пузырьков данного диаметра в смеси).

Газожидкостная смесь из скважины 1 поступает во входные отверстия 21 газосепаратора 5 и далее - в шнек 18. При прохождении через шнек 18 повышается давление газожидкостной смеси, которая направляется затем в кавернообразующее колесо 12. Благодаря тому, что выходные кромки 15 лопастей 16 кавернообразующего колеса 12 находятся на осевом расстоянии L от входных кромок 17 ребер 14 сепарационного барабана 13, составляющем от 0,05 до 0,25 наружного диаметра D сепарационного барабана 13, за лопастями 16 кавернообразующего колеса 12 и ребрами 14 сепарационного барабана 13 происходит укрупнение части пузырьков газа, имеющих наибольшие размеры, в газовые суперкаверны. В дальнейшем эти укрупненные газовые включения отделяются от жидкости в сепарационном барабане 13 и отводятся в затрубное пространство 10 скважины 1 через узел отвода 20 газосепаратора 5. Наилучший эффект при этом достигается, если число ребер 14 сепарационного барабана 13 равно или кратно числу лопастей 16 кавернообразующего колеса 12. На вход в диспергатор 6 поступает смесь с меньшим газосодержанием и оставшимися в ней пузырьками газа меньшего среднего размера, чем в смеси на входе в газосепаратор 5 (см. фиг.8, кривая “б”).

При прохождении через ступени 28 диспергатора 6 газожидкостная смесь подвергается интенсивному измельчению. Наиболее эффективное дробление имеет место в том случае, когда число ступеней 28 диспергатора 6 составляет не менее двух, а выступы и впадины на поверхностях сопряжения статоров-втулок 29 и роторов 30 выполнены в виде нарезок.

Если же нарезки выполнены в виде винтовых канавок 31 и 32, имеющих полукруглую форму меридианного сечения, то одновременно с интенсивным дроблением пузырьков газа повышается давление в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размеров пузырьков газа, а также к существенному снижению объемного содержания свободного газа в смеси.

Распределение пузырьков газа в смеси по размерам на входе в погружной насос 7 после прохождения диспергатора 6 показано на фиг.8, кривая “в”.

Далее мелкодисперсная смесь идет в погружной насос 7, который, не испытывая при этом вредного влияния газа, нагнетает ее по насосно-компрессорным трубам 8 на поверхность.

Конструктивное выполнение газосепаратора 5 и диспергатора 6 в виде единого модуля, в котором роторы 30 ступеней 28 диспергатора 6 установлены на валу 11 газосепаратора 5, позволяет упростить конструкцию и повысить надежность погружной насосной установки за счет сокращения числа фланцевых соединений.

В варианте установки на валу имеется осевая подшипниковая опора 22 для восприятия осевой силы. При работе устройства винтовой микронасос 23 забирает через отверстие 24 и прокачивает жидкость через пару трения осевой подшипниковой опоры 22, промывая и охлаждая ее, а также предотвращая ее засорение и износ твердыми частицами, содержащимися в скважинной продукции. В других вариантах устройства снабжение входных отверстий 21 газосепаратора 5 защитными износостойкими втулками 25 и установка внутри корпуса газосепаратора 5 напротив вращающихся элементов проточной части защитных износостойких гильз 26 и 27 продлевает ресурс погружной насосной установки при наличии значительного количества твердых частиц в откачиваемой продукции.

На фиг.9 представлены области эффективного применения прототипа и предлагаемого технического решения, полученные экспериментально путем сравнительных стендовых исследований на смеси “вода - ПАВ - газ”. В качестве пенообразующего ПАВ использовали дисолван 4411, объемная концентрация которого в жидкости составляла 0,05%. Смесь готовили с помощью эжектора. Такая смесь обеспечивает моделирование самых жестких условий нефтяных скважин. По оси абсцисс на фиг.9 отложена подача жидкости Q_Ж, по оси ординат - максимально допустимое объемное содержание свободного газа в смеси βвх на входе в погружной насосный агрегат, при котором обеспечивается эффективная эксплуатация. На стенде исследовали прототип и предлагаемое изобретение, выполненные в габарите 5 (наружные диаметры погружного насоса, сепаратора и диспергатора составляли 92 мм). Экспериментальные исследования показали, что предложенное изобретение имеет более широкую область применения и лучшие функциональные возможности по сравнению с прототипом.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно снизить объемное содержание свободного газа и уменьшить размеры его пузырьков в газожидкостной смеси, поступающей на вход погружного насоса.

Этим достигается эффективная защита от вредного влияния свободного газа на работу погружного оборудования в скважинах с высоким газовым фактором, что существенно расширяет область применения и функциональные возможности насосной добычи нефти по сравнению с известными изобретениями.

Формула изобретения

1. Погружная насосная установка, содержащая погружной электродвигатель с гидрозащитой, газосепаратор, диспергатор и погружной насос, отличающаяся тем, что газосепаратор содержит установленные на валу кавернообразующее колесо и сепарационный барабан с ребрами, при этом выходные кромки лопастей кавернообразующего колеса расположены на осевом расстоянии от входных кромок ребер сепарационного барабана, составляющем от 0,05 до 0,25 наружного диаметра сепарационного барабана, а диспергатор выполнен в виде ступеней, содержащих статоры-втулки и роторы, расположенные внутри статоров-втулок, причем на поверхностях сопряжения статоров-втулок и роторов выполнены выступы и впадины.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выступы и впадины выполнены в виде нарезок.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что число ступеней диспергатора составляет не менее двух, а нарезки выполнены в виде винтовых канавок.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что винтовые канавки имеют полукруглую форму меридианного сечения.

5. Установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что число ребер сепарационного барабана равно или кратно числу лопастей кавернообразующего колеса.

6. Установка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что газосепаратор и ступени диспергатора составляют единый модуль, в котором роторы ступеней диспергатора установлены на валу газосепаратора.

7. Установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что на валу газосепаратора установлена осевая подшипниковая опора, снабженная винтовым микронасосом и всасывающим отверстием для промывки и охлаждения.

8. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что входные отверстия газосепаратора снабжены защитными износостойкими втулками.

9. Установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что внутри корпуса газосепаратора напротив вращающихся элементов проточной части установлены защитные износостойкие гильзы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9