Способ испытания газосепараторов погружных нефтяных насосов и стенд для осуществления такого способа

Группа изобретений относится к испытаниям газосепараторов, обеспечивающих работу погружных нефтяных насосов в условиях повышенного газосодержания. Способ испытаний газосепараторов включает нагнетание жидкости и газа в затрубное пространство модели обсадной колонны, формирование рабочей жидкости в виде газожидкостной смеси, разделение газожидкостной смеси с помощью испытуемого газосепаратора на дегазированную жидкость и свободный газ. Вывод дегазированной жидкости осуществляют через гидравлически сопряженные с газосепаратором устройства из модели обсадной колонны. Отвод отсепарированного свободного газа происходит через газоотводящие отверстия газосепаратора, выполненные в его верхней части, в заполненное рабочей жидкостью затрубное пространство колонны. При этом осуществляют регулирование пенообразующих свойств и вязкости циркулирующего объема рабочей жидкости, определение объемных расходов жидкости и газа на входе в модель обсадной колонны и объемного расхода отсепарированного газа на выходе из испытуемого газосепаратора. По определенным данным вычисляют газосодержание рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны, остаточное газосодержание, а также коэффициент сепарации газосепаратора. Формирование рабочей жидкости осуществляется с помощью стендового роторного диспергатора, который позволяет регулировать степень дисперсности газа в рабочей жидкости. Изобретения направлены на создание при проведении испытаний условий, максимально приближенных к реальным условиям работы в скважине, упрощение процесса проведения испытаний, сокращение времени их проведения и получения достоверных и точных результатов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к испытаниям гидравлических машин и устройств, обеспечивающих работу погружных нефтяных насосов в условиях повышенного газосодержания, и, в частности, к испытаниям газосепараторов, используемых в погружных электронасосных агрегатах для добычи из скважин нефти с высоким газосодержанием.

Известен стенд для испытания газосепараторов, посредством которого реализован способ, заключающийся в откачке жидкости из накопительной емкости, нагнетании ее насосом, эжектировании газа струйным аппаратом, подаче в нагнетательную линию образующейся дисперсной газожидкостной смеси, последующей ее сепарации, поступлении жидкости обратно в накопительную емкость и плавном регулировании расходов и давлений (SU 1521918 A1, кл. F04D 15/00, 15.11.1989). Стенд состоит из накопительной емкости с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, насоса, системы подготовки газожидкостной смеси с источником газа, контрольно-измерительной аппаратуры и регулирующих элементов.

Способ, реализованный с помощью вышеуказанного стенда, не обеспечивает эффективного регулирования степени дисперсности газа в рабочей жидкости и создания условий, приближенных к реальным условиям работы газосепаратора в скважине совместно с погружным электронасосным агрегатом, из-за чего не обеспечивается требуемая точность и достоверность результатов испытаний.

Наиболее близким техническим решением является способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним и стенд для его осуществления (описание к патенту RU 2075654 C1, кл. F04D 13/10, 14.03.1995). Указанное изобретение относится, в частности, к конструкциям экспериментальных стендов для испытания погружных насосов, газосепараторов к погружным насосам.

В указанном патенте описан способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним, включающий откачку жидкости из накопительной емкости, нагнетание ее насосом, эжектирование газа струйным аппаратом, подачу в нагнетательную линию образующейся дисперсной газожидкостной смеси, ее последующую сепарацию, поступление жидкости обратно в накопительную емкость, плавное регулирование расходов и давлений. Для расширения спектра режимов работы в процессе испытаний дискретно изменяют конструкцию проточной части струйного аппарата, причем расходы газа и жидкости плавно изменяют от нуля до максимальной пропускной способности струйного аппарата по каждой фазе соответственно.

В патенте представлен стенд, реализующий известный способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей. Стенд включает в себя накопительную емкость с гидравлически сопряженными с ней стендовым гравитационным газожидкостным сепаратором, подпорный насос, систему приготовления газожидкостной смеси с источником газа, модель обсадной колонны с внутренней полостью, в которой установлен испытуемый газосепаратор, линии нагнетания жидкости и газа, а также контрольно-измерительные приборы и элементы регулирования давлений и расходов, установленные в линиях нагнетания жидкости и газа.

Недостатками технических решений, принятых в качестве прототипа, являются значительное усложнение процесса испытаний, увеличение времени проведения испытаний без обеспечения регулирования степени дисперсности газа в газожидкостной смеси из-за использования струйного аппарата и его конструктивных особенностей, позволяющего изменять степень дисперсности газожидкостной смеси дискретным изменением его проточной части посредством замены сопел и/или камер смешения и/или диффузоров. Настройка струйного аппарата предполагает неоднократную сборку и разборку для изменения его проточной части.

Кроме того, с помощью струйного аппарата возможно получение данных только для базовых значений расходов, формирование которых осуществляется с помощью заранее изготовленных элементов дискретного изменения проточной части. Для получения промежуточных данных требуется изготовление новых элементов проточной части диспергирующего устройства.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в создании при проведении испытаний газосепараторов условий, максимально приближенных к реальным условиям работы в скважине, упрощение процесса проведения испытаний.

Технические результаты заключаются в сокращении времени проведения испытаний газосепараторов, получении достоверных и точных результатов испытаний.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе испытаний газосепараторов погружных нефтяных насосов, включающем нагнетание жидкости и газа в затрубное пространство модели обсадной колонны, формирование рабочей жидкости в виде газожидкостной смеси, разделение газожидкостной смеси с помощью испытуемого газосепаратора на дегазированную жидкость и свободный газ, вывод дегазированной жидкости через гидравлически сопряженные с газосепаратором устройства из модели обсадной колонны, отвод отсепарированного свободного газа через газоотводящие отверстия газосепаратора, выполненные в его верхней части, в заполненное рабочей жидкостью затрубное пространство, с регулированием при этом пенообразующих свойств и вязкости циркулирующего объема рабочей жидкости, определение объемных расходов жидкости и газа на входе в модель обсадной колонны и объемного расхода отсепарированного газа на выходе из испытуемого газосепаратора и вычисление по ним газосодержания рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны, остаточного газосодержания, а также коэффициента сепарации газосепаратора, причем согласно предлагаемому решению формирование рабочей жидкости осуществляется с помощью стендового роторного диспергатора, который позволяет регулировать степень дисперсности газа в рабочей жидкости.

Предложенный вышеописанный способ реализуется с помощью стенда для испытаний газосепараторов погружных нефтяных насосов, включающего в себя накопительную емкость с гидравлически сопряженными с ней стендовым гравитационным газожидкостным сепаратором, подпорным насосом, системой приготовления газожидкостной смеси с источником газа, моделью обсадной колонны с внутренней полостью, в которой установлен испытуемый газосепаратор, линии нагнетания жидкости и газа, а также контрольно-измерительные приборы и элементы регулирования давлений и расходов, установленные в линиях нагнетания жидкости и газа, согласно изобретению к входу модели обсадной колонны подключен стендовый роторный диспергатор, содержащий, по меньшей мере, две диспергирующие ступени и выполненный с двумя входами, один из которых соединен с линией нагнетания жидкости, а второй - с линией нагнетания газа, выход роторного диспергатора гидравлически связан с затрубным пространством модели обсадной колонны.

Система приготовления газожидкостной смеси с источником газа представляет собой диспергатор с источником газа, в качестве которого допустимо использование компрессора, резервуара или цеховой (заводской) сети сжатого воздуха.

Для целей настоящего описания являются равнозначными термины «степень дисперсности газа в рабочей жидкости» и «степень дисперсности рабочей жидкости».

Газожидкостная смесь (она же - рабочая жидкость) представляет собой дисперсную систему, в которой газ является дисперсной фазой, а жидкость - дисперсной средой.

Сущность предложенных изобретений (технических решений) поясняется с помощью чертежа.

На чертеже представлена схема стенда для испытаний газосепараторов и сопряженного с ним оборудования, обеспечивающих работу погружных насосов в условиях повышенного газосодержания.

Стенд для испытания содержит газосепаратор 1, накопительную емкость 2 с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором 3, подпорный насос 4, стендовый роторный диспергатор 5 и модель обсадной колонны 6. Накопительная емкость 2 через запорный кран 7 соединена с подпорным насосом 4, который через регулирующий элемент - вентиль 8 (может иметь прямое или дистанционное управление) - подключен к первому входу стендового роторного диспергатора 5. Второй вход стендового роторного диспергатора 5 соединен через регулирующий элемент - вентиль 9 (может иметь прямое или дистанционное управление) - с линией нагнетания газа. При этом в линию нагнетания жидкости включены расходомер 10, термометр 11 и манометр 12, а в линию нагнетания газа включены расходомер 13, термометр 14 и манометр 15. Выход 16 из стендового роторного диспергатора 5 подсоединен к нижней части 17 модели обсадной колонны 6. Модель обсадной колонны 6 выполнена в виде цилиндрической вертикальной емкости, внутри которой установлен испытуемый газосепаратор 1. Выход 18 из модели обсадной колонны 6 по дегазированной жидкости от испытуемого газосепаратора 1 связан трубопроводом 20 через регулирующий элемент - управляемый кран - 19 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. Давление газожидкостной смеси (ГЖС) на входе в модель обсадной колонны 6 контролируется манометром 21, температура - термометром 23, давление дегазированной жидкости на выходе измеряется манометром 22.

Внутренняя полость модели обсадной колонны 6 предназначена для размещения испытуемого газосепаратора 1 и секции 24 погружного насоса, соединенных между собой. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 25 и трубопровод 26 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. При установившемся режиме испытания (одном режиме из заданных) и выполнении команды «Замер» двухходовой кран 25 переводится в рабочее положение. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 25, трубопровод 27, мерный бак 28 и расходомер 29 с атмосферой. Для измерения давления и температуры в выходной трубе перед расходомером 29 установлены манометр 30 и термометр 31.

Под термином «двухходовой кран» для целей настоящего описания понимается устройство, также именуемое двухпозиционным краном, двухлинейным распределителем, двухпутевым гидрораспределителем, то есть кран (распределительное устройство), который способен выбирать (задавать) направление течения жидкости (смеси), проходящей через него, в ту или иную трубу (то или иное ответвление потока).

Заявляемый способ испытания газосепараторов на стенде реализуется следующим образом.

Испытуемый газосепаратор 1 с секцией насоса 24 размещают внутри модели обсадной колонны 6. Формируют рабочую жидкость в виде газожидкостной смеси с помощью стендового роторного диспергатора 5, для чего по линиям нагнетания на один его вход подпорным насосом 4 через управляемый кран 8 (он же вентиль 8) и расходомер 10 подают жидкость из накопительной емкости 2, а на второй вход подают газ (воздух) по воздушной линии 32 от сети сжатого воздуха, включающей в себя регулирующие элементы - редуктор 33, управляемый кран 9 (вентиль 9), а также расходомер 13. Контроль и замер давлений и температур поступающих жидкости и газа осуществляют контрольно-измерительными приборами 11, 12, 14, 15.

Стендовый роторный диспергатор 5 включают в работу, например, с помощью электропривода 34. Степень дисперсности газа в газожидкостной смеси обеспечивают количеством диспергирующих ступеней в роторном диспергаторе 5. Для выбранного диапазона дисперсности проточная часть стендового роторного диспергатора 5 не меняется на всем диапазоне расходов газожидкостной смеси. Лопастями ротора, вращающегося в статоре стендового роторного диспергатора 4, формируется газожидкостная смесь с пузырьками газа, средний диаметр которых может составлять от 20 мкм до 1 мм, что охватывает все возможные варианты дисперсности газа в газожидкостной среде, реально существующей в скважинных условиях.

Из стендового роторного диспергатора 5 рабочая жидкость поступает через входную камеру 17 в затрубное пространство 35 модели обсадной колонны 6. С помощью электродвигателя 36 запускают испытуемый газосепаратор 1, который разделяет газожидкостную смесь на дегазированную жидкость и отсепарированный газ. Отсепарированный газ через газоотводы 37 поступает в затрубное пространство 35, а дегазированная жидкость через управляемый кран 19 поступает в гравитационный газожидкостной сепаратор 3 и далее в накопительную емкость 2.

Верхняя часть модели обсадной колонны 6, заполняемая как отсепарированным, так и прошедшим мимо газосепаратора газом, соединяется через управляемый двухходовой кран 25 и трубопровод 26 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. На установившемся режиме испытания (одном режиме из заданных) при выполнении команды «Замер» двухходовой кран 25 переводится во второе положение. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 25, трубопровод 27, мерный бак 28 и расходомер 29 с атмосферой. При этом к линии отвода газа подсоединяются контрольно-измерительные приборы - манометр 30 и термометр 31. При проведении испытаний жидкость, увлекаемая газом, в том числе в виде пены, попадает в мерный бак 28, где после осаждения пены производят замер объемного расхода жидкости.

При установившемся режиме процесса сепарации при помощи расходомеров 10, 13, 29 с учетом показаний контрольных манометров и термометров определяют значения: объемного расхода газа - Q_г, объемного расхода жидкости - Q_ж, подаваемых на вход в модель обсадной колонны, объемного расхода отсепарированного газа - Q_{г сеп} и объемного расхода дегазированной жидкости - Q_{ж дег.} Затем вычисляют газосодержание рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны β_вх, коэффициент сепарации К_с и остаточное газосодержание β_ост исходя из соотношений:

; ;

Параметры β_вх, К_с и β_ост характеризуют потребительские свойства газосепараторов, их совершенство. Чем выше β_вх и К_с, чем меньше β_ост, тем совершеннее газосепаратор.

Таким образом, заявленные изобретения позволяют создать условия, максимально приближенные к реальным условиям работы в скважине, что позволяет упростить процесс проведения испытаний, сократить время проведения испытаний газосепараторов, получить достоверные и точные результаты испытаний.

1. Способ испытаний газосепараторов погружных нефтяных насосов, включающий нагнетание жидкости и газа в затрубное пространство модели обсадной колонны, формирование рабочей жидкости в виде газожидкостной смеси, разделение газожидкостной смеси с помощью испытуемого газосепаратора на дегазированную жидкость и свободный газ, вывод дегазированной жидкости через гидравлически сопряженные с газосепаратором устройства из модели обсадной колонны, отвод отсепарированного свободного газа через газоотводящие отверстия газосепаратора, выполненные в его верхней части, в заполненное рабочей жидкостью затрубное пространство колонны, с регулированием при этом пенообразующих свойств и вязкости циркулирующего объема рабочей жидкости, определение объемных расходов жидкости и газа на входе в модель обсадной колонны и объемного расхода отсепарированного газа на выходе из испытуемого газосепаратора и вычисление по ним газосодержания рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны, остаточного газосодержания, а также коэффициента сепарации газосепаратора, при этом формирование рабочей жидкости осуществляется с помощью стендового роторного диспергатора, который позволяет регулировать степень дисперсности газа в рабочей жидкости.

2. Стенд для испытаний газосепараторов погружных нефтяных насосов, включающий в себя накопительную емкость с гидравлически сопряженными с ней стендовым гравитационным газожидкостным сепаратором, подпорным насосом, системой приготовления газожидкостной смеси с источником газа, моделью обсадной колонны с внутренней полостью, в которой установлен испытуемый газосепаратор, линии нагнетания жидкости и газа, а также контрольно-измерительные приборы и элементы регулирования давлений и расходов жидкости и газа, установленные в линиях нагнетания жидкости и газа, при этом к входу модели обсадной колонны подключен роторный диспергатор, содержащий, по меньшей мере, две диспергирующие ступени и выполненный с двумя входами, один из которых соединен с линией нагнетания жидкости, а второй - с линией нагнетания газа, выход роторного диспергатора гидравлически связан с затрубным пространством модели обсадной колонны.