Сепарирующее устройство и тарельчатый сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти

Группа изобретений относится к нефтепромысловому оборудованию и может быть использовано для добычи нефти в условиях высокой обводненности добываемого флюида. Сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти содержит цилиндрический корпус с основанием, последовательно установленные внутри корпуса снизу-вверх тарельчатый центробежный сепаратор, подпорный насос и коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны. Тарельчатый центробежный сепаратор включает набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти. Сепарационные тарелки размещены на валу. Проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси. Сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, при этом отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части. Техническим результатом является обеспечение бесперебойной, надежной сепарации нефти из скважной жидкости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к технологии добычи нефтепродуктов погружными насосными установками в условиях высокой обводненности добываемого флюида.

Известным устройством для разделения воды и нефтепродуктов являются тарельчатые центрифуги. Типичная конструкция представляет собой барабан с вертикальной осью вращения, внутри которого располагается пакет конических вставок-тарелок, приводимых во вращение. Подача сепарируемой жидкости во вращающийся барабан центрифуги осуществляется сверху через неподвижный впускной патрубок. Разделение фаз происходит в пространстве между тарелками, при этом легкая фаза перемещается через пакет тарелок по направлению к центру барабана, и выгружается в сборный коллектор. Первым, а в настоящее время и одним из крупнейших производителей тарельчатых сепараторов, является компания AlfaLaval[https://www.alfalaval.ru]. Примером их продукции может служить центрифуга модели AFPX.

Однако в настоящее время подобные тарельчатые центрифуги вода-нефть применяются только для поверхностной сепарации, т.к. имеют габариты, существенно превышающие диаметр нефтяной скважины. Кроме того, сепарационные каналы в них периодически засоряются твердыми частицами, находящимися в жидкости. Для возобновления работы центрифуги требуется ее промывка, обычно сопровождаемая частичной разборкой.

Известно сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти, представляющее собой погружной тарельчатый центробежный сепаратор, описанный в патенте РФ №2570867 С2, B01D 17/02, опубл. 10.12.2015. Устройство имеет цилиндрический корпус с основанием и подводами для сепарируемой смеси на боковой поверхности. Внутри корпуса расположены разделительные тарелки, выполненные в форме усеченного конуса и имеющие вертикальные проходные отверстия. Распределительным каналом для сепарируемой смеси служат узкие каналы, образованные между соседними тарелками, которые имеет выпуклую вверх форму. Нефть, как более легкая фаза, скапливается в верхней части этих каналов, всплывает вверх по вертикальным отверстиям и удаляется из сепаратора через отводной канал в верхней части, а вода стекает вниз и выводится через отводной канал, расположенные в нижней части сепаратора.

Скорость сепарации в подобном устройстве низкая, поскольку определяется скоростью всплытия пузырьков нефти под действием силы Архимеда, пропорциональной ускорению свободного падения g. Кроме того, данная установка имеет большие габариты, чтобы обеспечить приемлемый объем сепарации.

Эти недостатки можно преодолеть, добавив центробежную сепарацию с типичной величиной центробежного ускорения ~10³ g, что позволит увеличить скорость сепарации и уменьшить габариты устройства.

Задачей настоящего изобретения является разработка сепарирующего устройства, включающего внутрискважинный тарельчатый центробежный сепаратор вода-нефть, который обеспечит надежную сепарацию воды от нефти и снизит процент перекачиваемой на поверхность воды.

Указанный технический результат достигается тем, что в сепарирующем устройстве для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащим цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса тарельчатый центробежный сепаратор, включающий набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, подводы и распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, согласно изобретению, в цилиндрическом корпусе над тарельчатым центробежным сепаратором дополнительно установлен коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны, при этом сепарационные тарелки размещены на валу, а вертикальные проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси.

Для подачи сепарируемой смеси в основании корпуса могут быть сформированы вертикальные подводы, гидравлически связанные с вертикальными проходными каналами в сепарационных тарелках.

Входящий в состав сепарирующего устройства тарельчатый центробежный сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти имеет набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, которые расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси, при этом сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, а отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части.

Предложенное сепарирующее устройство с тарельчатым центробежным сепаратором и с коалесцирующим фильтром имеет габариты, необходимые для внутрискважинного размещения, устойчив к засорениям.

Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором приведена схема заявляемого сепарирующего устройства с тарельчатым центробежным сепаратором и коалесцирующим фильтром.

Сепарирующее устройство содержит цилиндрический корпус 3 с основанием 10, вал 1, последовательно установленные внутри корпуса снизу-вверх тарельчатый центробежный сепаратор, подпорный насос 4 и коалесцирующий фильтр.

Тарельчатый центробежный сепаратор включает набор сепарационных тарелок 2, закрепленных на валу 1 в корпусе 3 с образованием межтарельчатых каналов 5. Сепарационные тарелки 2 выполнены в форме усеченного конуса, ориентированного большим основанием вниз, наружный диаметр тарелок в направлении сверху вниз постепенно уменьшается. Межтарельчатые каналы 5 между соседними тарелками 2 остаются постоянными по всей высоте набора сепарационных тарелок. На образующей усеченного корпуса тарелок 2 по окружности расположены отверстия, образующие вертикальные проходные каналы 6, которые служат распределительным каналом для сепарируемой скважинной жидкости. Количество сепарационных тарелок 2 выбирается в зависимости от заданной подачи и количества оборотов УЭЦН.

Сепаратор имеет следующие проточные каналы: цилиндрические вертикальные проходные каналы 6, соединяющие межтарельчатые каналы 5, предназначенные для центробежной сепарации сепарируемой водо-нефтяной смеси (скважинной жидкости), отводной канал для отсепарированной нефти 7 вокруг вала 1 и отводной канал отсепарированной воды и механических примесей 8, заканчивающийся наклонными выкидными отверстиями 9. Отводной канал 8 сформирован между цилиндрической стенкой корпуса 3 и торцами тарелок 2 и имеет расширенную книзу форму.

Для подачи скважинной жидкости в основании 10 корпуса 3 выполнены вертикальные подводы 11, расположенные напротив входов в вертикальные каналы 6 на нижней тарелке.

В качестве подпорного насоса 4 может быть использована подпорная секция центробежного насоса, имеющая как минимум две ступени.

Над подпорным насосом 4 расположен коалесцирующий фильтр, который содержит набор капиллярных вертикальных трубок 12, установленных вокруг вала 1 и закрепленных сверху и снизу проставками 13 в корпусе 3. Капиллярные трубки 12 выполнены из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны (например, из политетрафторэтилена) и расположены с образованием каналов 14. Количество капиллярных трубок 12 и их длина выбираются в зависимости от выбранной производительности тарельчатого центробежного сепаратора. В верхней части коалесцирующего фильтра выполнены выкидные отверстия 15.

Сепарирующее устройство и тарельчатый центробежный сепаратор работают следующим образом.

Вал 1 с закрепленными на нем сепарационными тарелками 2 с помощью двигателя погружной насосной установки (не показан) приводится во вращение. Этим же валом 1 вращается подпорный насос 4, расположенный выше тарелок.

Вначале, еще до поступления добываемой жидкости на вход в тарельчатый центробежный сепаратор, механические примеси гравитационно осаждаются в стволе скважины.

Скважинная жидкость (серые стрелки) поступает в сепаратор через вертикальные подводы 11 и направляется к нижней тарелке 2, откуда через вертикальные каналы 6 поднимается вверх и распределяется по межтарельчатым каналам 5, в которых под действием центробежных сил происходит первичная сепарация скважинной жидкости на нефть и воду. Нефть (черные стрелки), как более легкая фракция, скапливается вверху межтарельчатых каналов и по отводному каналу 7, проходящему вертикально в месте прикрепления сепарационных тарелок 2 к валу 1, поднимается наверх на вход подпорного насоса 4. Далее подпорный насос 4 под давлением закачивает частично очищенную в тарельчатом сепараторе нефть в капиллярные трубки 12 коалесцирующего фильтра, где происходит ее окончательная сепарация. Поскольку стенки капиллярных трубок 12 состоят из мембраны и олеофильны, то на них скапливаются капли нефти, а содержащаяся в нефти вода (контурные стрелки) за счет гидрофобности мембраны сепарируется через стенки капиллярных трубок 12 в канал 14, образованный стенками корпуса 3 и стенками капиллярных трубок 12, и через выкидные отверстия 15 сбрасывается в скважину. Во время движения частично очищенной после тарельчатого сепаратора нефти по капиллярным трубкам 12, мелкие капли нефти на стенках трубок 12 объединяются в более крупные, и на выходе из коалесцирующего фильтра получается окончательно отсепарированная от воды нефть. Далее отсепарированная нефть поступает на прием насоса ЭЦН, осуществляющего перекачку добытой нефти на поверхность.

В тарельчатом сепараторе отсепарированная вода (контурные стрелки) вместе с механическими примесями, как более тяжелая, отбрасывается к внутренней стенке корпуса 3 и, стекая по конической поверхности тарелок 2, попадает в расширяющийся отводной канал 8 между торцами тарелок 2 и корпусом 3 сепаратора, в котором механические частицы движутся в направлении сверху вниз под действием потока отсепарированной воды и собственной силы тяжести, после чего через выкидные отверстия 9 сбрасываются из тарельчатого сепаратора вместе с потоком отсепарированной воды обратно в скважину-или собираются в специальный контейнер для сбора механических примесей (не показан). Отсепарированная вода, обладающая большей плотностью по сравнению с остальной скважиной жидкостью, попадая в межтрубное пространство, опускается вниз.

Таким образом, засорение механическими примесями сепаратора исключается благодаря тому, что все силы, действующие на частицы, направлены только в сторону их перемещения, а расстояние, между торцами тарелок и корпусом тарельчатого сепаратора, внутри которого они вращаются, расширяется сверху вниз, образуя расширяющийся канал, обеспечивающий условия для эффективного сброса частиц.

Предлагаемый центробежный тарельчатый сепаратор с коалесцирующим фильтром работает при скорости вращения тарелок, равной скорости вращения двигателя погружной насосной установки, обычно составляющей не менее 3000 оборотов в минуту. Объем скважинной жидкости, которую сможет отсепарировать центробежный тарельчатый сепаратор, регулируется изменением количества тарелок, длиной и количеством капиллярных трубок коалесцирующего фильтра. Эти параметры подбираются расчетным путем перед спуском сепаратора в скважину.

Благодаря двойной сепарации в центробежном тарельчатом сепараторе предлагаемой конструкции и в коалесцирующем фильтре, сепарирующее устройство обеспечивает надежную и бесперебойную внутрискважинную сепарацию воды и нефти. Небольшие габариты центробежного тарельчатого сепаратора позволяют применять его в составе установок центробежного насоса, работающих в скважинах небольшого диаметра.

1. Сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащее цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса тарельчатый центробежный сепаратор, включающий набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, подводы и распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, отличающееся тем, что в цилиндрическом корпусе над тарельчатым центробежным сепаратором дополнительно установлен коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны, при этом сепарационные тарелки размещены на валу, проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси.

2. Тарельчатый центробежный сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащий цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса, имеющих вертикальные проходные каналы, распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, отличающийся тем, что сепарационные тарелки размещены на валу, проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси, сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, при этом отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части.

3. Сепаратор по п. 2, отличающийся тем, что для подачи сепарируемой смеси в основании корпуса сформированы вертикальные подводы, гидравлически связанные с вертикальными проходными каналами в сепарационных тарелках.