Способ дифференциального нагнетания газа или газожидкостной смеси при помощи проточного жидкостного поршня
Владельцы патента RU 2296240:
Семенов Алексей Васильевич (RU)
Кобцев Юрий Борисович (RU)
Изобретение относится к области компримирования газов и нагнетания газожидкостных смесей и может быть использовано в бурении, освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Способ сжатия газа или газожидкостной смеси основан на дифференциальном нагнетании газа или газожидкостной смеси при помощи проточного жидкостного поршня (ПЖП), перемещаемого в дополнительной компрессионной камере за счет движения двух или более вытеснителей объемного типа, имеющих различную производительность и развивающих различное давление в рабочей камере. Один из вытеснителей расположен в части рабочей камеры, отделенной от компрессионной камеры перемычкой. Отделенная часть связана с компрессионной камерой при помощи канала, оборудованного управляемым клапаном. В течение части такта всасывания (или всего такта всасывания как частный случай) часть рабочей камеры, отделенная перемычкой, изолируется от компрессионной камеры управляемым клапаном. Во время, когда клапан закрыт, всасывание вытеснителем, расположенным в изолированной части рабочей камеры, происходит из жидкостной линии. Это обеспечивает поступление порции жидкости, необходимой для компенсации безвозвратных потерь в жидкостном поршне или получение заданного соотношения газ - жидкость. Во время такта всасывания, когда управляемый клапан открыт, всасывание жидкости происходит из компрессионной камеры. Все вытеснители обеспечивают обратный ход ПЖП. При этом происходит заполнение газом или газожидкостной смесью дополнительной компрессионной камеры. Время "изоляции" определяется алгоритмом работы управляемого клапана в зависимости от необходимого количества подпорной жидкости, добавляемой в ПЖП при каждом цикле. На такте нагнетания вытеснение жидкости из рабочей камеры в компрессионную происходит последовательно всеми вытеснителями, начиная с вытеснителя наибольшей производительности, но наименьшего давления. При этом каждый последующий вытеснитель имеет меньшую производительность по сравнению с предыдущим, но развивает большее давление. Повышается объемный КПД и возможность регулирования газожидкостного соотношения в нагнетаемой среде. 1 ил.
Изобретение относится к области компримирования газов и нагнетания газожидкостных смесей и может быть использовано в бурении с применением аэрированных буровых растворов, освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, при вызове и интенсификации притока флюида в нефтяных и газовых скважинах, испытании эксплуатационных колонн на герметичность понижением уровня, вскрытии продуктивных пластов с использованием газожидкостных смесей, промывке скважин после ГРП, пенных и пенокислотных обработках призабойной зоны. Кроме того, изобретение может быть использовано для заполнения и опрессовки полостей, газонефтепромыслового оборудования и трубопроводов и других технологических операций.
Из предыдущих уровней техники известен способ и устройство для нагнетания газожидкостной смеси, выполненное по авт. св. СССР N714044, кл. F 04 В 23/10, 1980 г.
Это устройство содержит состоящий из нескольких секций поршневой насос, имеющий в каждой секции рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой, всасывающий и нагнетательный клапаны, источник газожидкостной смеси или газа. Характерной особенностью известного устройства является то, что в каждой секции насоса между рабочим цилиндром и его нагнетательным клапаном установлена дополнительная (компрессионная) камера, снабженная впускным клапаном для сообщения этой камеры с источником газожидкостной смеси или газа в период выполнения насосом такта всасывания. При этом объем дополнительной камеры, по меньшей мере, равен рабочему объему цилиндра.
Работает устройство следующим образом. В период выполнения насосом такта всасывания газожидкостную смесь или газ с заданным избыточным давлением вводят непосредственно в рабочую камеру поршневого насоса - в зону, примыкающую к нагнетательному клапану. Одновременно через всасывающий клапан насоса из всасывающего коллектора (с помощью подпорного насоса) вводят перекачиваемую жидкость с избыточным давлением, равным давлению вводимой смеси или газа. При этом газожидкостная смесь или газ накапливается над жидкостью под нагнетательным клапаном (в период выполнения насосом такта всасывания) и при совершении насосом такта нагнетания вытесняется через нагнетательный клапан в коллекторную часть насоса. Для исключения накопления газожидкостной смеси или газа в объеме рабочей камеры при работе насоса количество вводимой газожидкостной смеси или газа не должно превышать объема части камеры, непосредственно примыкающей к нагнетательному клапану.
Существенным недостатком авт. св. СССР N714044 является нерациональное использование мощности привода, прикладываемой для совершения полезной работы насосом на такте нагнетания газожидкостной смеси. Следствием этого является снижение производительности насоса. Особенно этот фактор сказывается при достижении значительных степеней сжатия в одной ступени, увеличении производительности насоса в течение одного такта сжатия и снижении числа двойных ходов в единицу времени по конструктивным и технологическим особенностям.
Это обусловлено тем, что вышеозначенное устройство нагнетает сжимаемую среду. Следовательно, такт нагнетания можно разложить на два этапа - этап сжатия среды, т.е. увеличение давления в нагнетаемой среде от давления, при котором происходит заполнение компрессионной камеры газом или газожидкостной смесью до давления в нагнетаемой среде, при котором происходит открытие нагнетательного клапана (давления в линии потребителя). При втором этапе - собственно нагнетании - среда вытесняется в линию потребителя. Таким образом, мощность, прикладываемая для совершения полезной работы насосом на такте нагнетания газожидкостной смеси, будет раскладываться на мощность, расходуемую на сжатие газожидкостной среды, и на мощность собственно нагнетания последней. На участке сжатия (при условии постоянства скорости перемещения проточного жидкостного поршня (далее по тексту ПЖП) в компрессионной камере) потребляемая мощность для совершения работы меняется от минимальной до мощности, необходимой для нагнетания газожидкостной смеси в линию потребителя. При увеличении степени сжатия в одной ступени и увеличении объемного вытеснения за один двойной ход участок сжатия растет. Следовательно, растут потери, связанные с недогруженностью силового привода. Результатом последнего является значительное снижение объемного КПД.
Вторым существенным недостатком прототипа является невозможность точного контролирования количества жидкости, подаваемой в рабочую камеру для восполнения потерь жидкости в ПЖП. Подача подпорной жидкости осуществляется от отдельного подпорного насоса в гидрочасть газобустерного насоса. Причем подача подпорной жидкости идет непосредственно в ПЖП на стадии всасывания сжимаемой среды, т.е. подпорный насос передавливает избыточное давление в компрессионной камере, равное давлению, под которым подается в компрессионную камеру газ или газожидкостная смесь. Кроме того, подпорная жидкость подводится по общей линии подвода между соседними рабочими камерами. Данная схема не гарантирует равномерности распределения подпорной жидкости между камерами. Следствием вышесказанного является необходимость подачи заведомо завышенного количества подпорной жидкости, что в свою очередь ведет к снижению объемного КПД и увеличению минимально возможного количества жидкости в газожидкостной смеси, подаваемой потребителю. Попытка снижения количества подаваемой жидкости ведет к завоздушиванию отдельных компрессионных камер и далее к срыву подачи газа.
В связи с изложенным, основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является комплексное устранение вышеизложенных недостатков, повышение объемного КПД и повышение возможности регулирования газожидкостного соотношения в нагнетаемой среде.
Вышеозначенную задачу можно решить в способе сжатия газа или газожидкостной смеси, основанном на дифференциальном нагнетании газа или газожидкостной смеси при помощи ПЖП, перемещаемого в дополнительной компрессионной камере за счет движения двух или более вытеснителей объемного типа (плунжеров или поршней), имеющих различную производительность и развивающих различное давление, в рабочей камере (чем больше давление, развиваемое вытеснителем, тем меньше его производительность). При этом один из вытеснителей расположен в части рабочей камеры, отделенной от компрессионной камеры перемычкой. Отделенная часть связана с компрессионной камерой при помощи канала, оборудованного управляемым клапаном.
Способ складывается из циклов. Каждый цикл включает в себя такт сжатия, при котором газ или газожидкостная смесь сжимается и нагнетается жидкостным поршнем, и такт всасывания, при котором проточный жидкостный поршень совершает обратный ход в компрессионной камере за счет перемещения всех вытеснителей в рабочей камере. При обратном ходе объем над жидкостным поршнем заполняется газом или газожидкостной смесью, подаваемой в компрессионную камеру. При этом объем дополнительной компрессионной камеры, заполняемый газом или газожидкостной смесью, должен быть не менее суммарного объема жидкости, вытесняемого всеми вытеснителями, что исключает попадание нагнетаемой среды из дополнительной компрессионной камеры в рабочую камеру.
Особенностью заявляемого способа является то, что в течение части такта всасывания (или всего такта всасывания как частный случай) часть рабочей камеры, отделенная перемычкой, изолируется от компрессионной камеры управляемым клапаном. В это время (при изоляции части рабочей камеры) всасывание вытеснителем, расположенным в изолированной части рабочей камеры, происходит из жидкостной линии. Это обеспечивает поступление порции жидкости, необходимой для компенсации безвозвратных потерь в жидкостном поршне или получение заданного соотношения газ-жидкость. Во время такта всасывания, когда часть рабочей камеры, отделенная перемычкой, соединена с компрессионной камерой (управляемый клапан открыт), всасывание жидкости происходит из компрессионной камеры. Все вытеснители работают параллельно (совместно) и обеспечивают обратный ход ПЖП. При этом за счет высвобождаемого объема происходит заполнение газом или газожидкостной смесью дополнительной компрессионной камеры. Время «изоляции» определяется алгоритмом работы управляемого клапана в зависимости от необходимого количества подпорной жидкости, добавляемой в ПЖП при каждом цикле.
На такте нагнетания вытеснение жидкости из рабочей камеры в компрессионную происходит последовательно всеми вытеснителями, начиная с вытеснителя наибольшей производительности, но наименьшего давления, при этом каждый последующий вытеснитель, совершающий работу, имеет меньшую производительность по сравнению с предыдущим, но развивает большее давление.
Заявляемый способ нагнетания газа или газожидкостной смеси может быть реализован, например, с помощью устройства, имеющего одну или несколько насосных секций объемного вытеснения. Секция включает в себя рабочую камеру, в которой при помощи гидропривода прямого действия перемещаются два или более вытеснителя (плунжерного или поршневого типа). Вытеснители обеспечивают различную производительность (например, различного диаметра при одинаковой скорости перемещения, при этом вытеснитель меньшей производительности развивает большее давление). Рабочая камера оборудована дополнительной компрессионной камерой, в верхней части которой расположен газовый канал, соединенный с внешним источником газа или газожидкостной смеси низкого давления, и нагнетательной магистралью, соединенной с потребителем газожидкостной смеси.
Газовый канал перекрывается газовым всасывающим клапаном. Нагнетательная магистраль оборудована нагнетательным клапаном. При этом один из вытеснителей расположен в части рабочей камеры, изолированной от компрессионной камеры перемычкой. В эту часть рабочей камеры подведен канал подвода жидкости, перекрываемый всасывающим клапаном. В перемычке между компрессионной камерой и «отделенной» частью рабочей камеры дополнительно расположен канал, связывающий эти камеры, перекрытый управляемым клапаном. Клапан связан штоком с гидроприводом прямого действия, синхронизированным с работой вытеснителя, расположенного в части рабочей камеры, изолированной от компрессионной камеры перемычкой.
Условие различия диаметра вытеснителей не является критичным для обеспечения условия - каждый вытеснитель меньшей производительности развивает большее давление. Данное условие можно выполнить, например, при помощи мультипликатора, включенного в гидросхему привода, или каким либо другим способом, известным из предыдущих уровней техники.
На чертеже приведена схема вышеописанного устройства.
Основными элементами являются:
1 - рабочая камера;
2 - канал подвода жидкости;
3 - всасывающий клапан, перекрывающий канал подвода жидкости;
4 - вытеснитель №1;
5 - вытеснитель №2;
6 - гидропривод вытесиителя №1;
7 - гидропривод вытеснителя №2;
8 - компрессионная камера;
9 - газовый канал;
10 - газовый всасывающий клапан;
11 - нагнетательная магистраль;
12 - нагнетательный клапан;
13 -шток №1;
14 - шток №2;
15 - проточный жидкостный поршень;
16 - перемычка;
17 - управляемый клапан;
18 - канал, соединяющий рабочую камеру с ее отделенной частью;
19 - гидропривод управляемого клапана;
20 - шток, связывающий управляемый клапан с гидроприводом.
Вышеописанное устройство работает следующим образом.
На такте всасывания с помощью гидропривода первого вытеснителя 6 вытеснитель №1 отводится назад, обеспечивая обратный ход ПЖП. Жидкость из дополнительной компрессионной камеры 8 перетекает в рабочую камеру 1. Компрессионная камера 8 по газовому каналу 9 заполняется газожидкостной смесью или газом, подаваемым в эту компрессионную камеру.
С помощью гидропривода второго вытеснителя 7 вытеснитель №2, работающий в отделенной перемычкой 16 части рабочей камеры, также отводится назад. На некотором участке обратного хода второго вытеснителя, когда управляемый клапан 17 закрыт, из канала подвода жидкости 2 происходит поступление некоторого количества жидкости в рабочую камеру 1. Закрытие клапана, к примеру, может обеспечивать давление газа или газожидкостной смеси, накапливаемой над жидкостью под нагнетательным клапаном. На остальном участке обратного хода второго вытеснителя, управляемый клапан 17 с помощью гидропривода управляемого клапана 19 открывается. «Отделенная» часть рабочей камеры соединяется со всей рабочей камерой, а значит, и с дополнительной компрессионной камерой. Заполнение «отделенной» части жидкостью происходит из компрессионной камеры 8 по каналу 18, соединяющему рабочую камеру с ее отделенной частью. Это обеспечивает дополнительное поступление газа или газожидкостной смеси в камеру 8.
На такте нагнетания вытеснение жидкости из рабочей камеры в компрессионную первым начинает вытеснитель большей производительности, но меньшего давления (в представленной схеме условно можно принять вытеснитель 4). По окончании вытеснения вышеозначенным вытеснителем вытеснение начинает вытеснитель 5 меньшей производительности, но большего давления. При этом управляемый клапан 17 открыт. Таким образом обеспечивается прямой ход ПЖП. Объем над жидкостью уменьшается. Газ или газожидкостная смесь, накапливаемая над жидкостью, через нагнетательный клапан 12 по нагнетательной магистрали 11 направляется к потребителю.
Заявленные признаки позволяют в данном способе иметь новые свойства в сравнении с известными техническими решениями. Новые свойства заключаются в том, что предлагаемый способ сжатия газа или газожидкостной смеси с помощью проточного жидкостного поршня насосной секцией объемного вытеснения возвратно-поступательного действия обеспечивает создание комплекса оборудования с более высокими техническими параметрами по сравнению с известными из уровня техники.
Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого способа, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники (приводные гидравлические насосы, напорные трубопроводы, задвижки, гидроцилиндры, гидрораспределители и т.д.).
Способ дифференциального нагнетания газа или газожидкостной смеси при помощи проточного жидкостного поршня (ПЖП), перемещаемого в дополнительной компрессионной камере за счет движения двух или более вытеснителей объемного типа (плунжеров или поршней), обеспечивающих различную производительность (при этом вытеснитель меньшей производительности развивает большее давление) в рабочей камере, при этом один из вытеснителей совершает работу в отделенной перемычкой от дополнительной компрессионной камеры части рабочей камеры, а вышеозначенная часть рабочей камеры связана с компрессионной камерой при помощи канала, оборудованного управляемым клапаном, включающий такт сжатия, при котором газ или газожидкостная смесь сжимается и нагнетается жидкостным поршнем, и такт всасывания, при котором проточный жидкостной поршень совершает обратный ход в компрессионной камере за счет перемещения всех вытеснителей в рабочей камере, при этом объем над жидкостным поршнем заполняется газом или газожидкостной смесью, подаваемой в компрессионную камеру, отличающийся тем, что в течение части такта всасывания (или всего такта всасывания как частный случай) управляемый клапан изолирует часть рабочей камеры, отделенную перемычкой, от компрессионной камеры, за счет чего всасывание вытеснителем, расположенным в изолированной части рабочей камеры, производится из жидкостной линии, что обеспечивает поступление порции жидкости, необходимой для компенсации безвозвратных потерь в жидкостном поршне, или получение заданного соотношения газ-жидкость, а в остальной части такта всасывания, когда часть рабочей камеры, отделенная перемычкой, соединена с компрессионной камерой (управляемый клапан открыт), всасывание жидкости происходит из компрессионной камеры, т.е. все вытеснители работают совместно и обеспечивают обратный ход ПЖП, при этом за счет высвобождаемого объема происходит заполнение газом или газожидкостной смесью дополнительной компрессионной камеры, на такте нагнетания вытеснение жидкости из рабочей камеры в компрессионную происходит последовательно всеми вытеснителями, начиная с вытеснителя наибольшей производительности, но наименьшего давления, при этом каждый последующий вытеснитель, совершающий работу, имеет меньшую производительность по сравнению с предыдущим, но развивает большее давление.
