EA007040B1

EA007040B1 - Погружной сепаратор и способ сепарации газа и жидкости

Info

Publication number: EA007040B1
Application number: EA200500439A
Authority: EA
Inventors: Джеймс Эрик Моррисон; Гай Моррисон Iii
Original assignee: Джеймс Эрик Моррисон; Гай Моррисон Iii
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-06-30
Also published as: EA200500439A1; US20040045708A1; CA2497929A1; CN1327108C; WO2004023053A3; CN1688792A; WO2004023053A2; AU2003278716A1; US6761215B2; CA2497929C; AU2003278716B2

Abstract

Погружной сепаратор имеет корпус, образующий внутреннюю полость, которая разделена на первую и вторую камеры посредством ограничивающего поток подшипникового корпуса. Приводимый валом импеллер перекачивает добываемый флюид в первую камеру и к подшипниковому корпусу. Подшипниковый корпус создает перепад давления в добываемом флюиде на входе во вторую камеру, отделяя газ от жидкости. Вихрегенератор во второй камере отделяет жидкость к наружной области и газ к внутренней области второй камеры. Способ скважинной сепарации содержит этапы перекачивания добываемого флюида в первую камеру и создания перепада давления во флюиде на входе во вторую камеру для сепарации газа и жидкости.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сепараторам для нефтяной и газовой скважины, более конкретно к центробежному погружному сепаратору газа и жидкости, а также к способу скважинной сепарации газа и жидкости из добываемого флюида.

Предшествующий уровень техники

Жидкости являются, по существу, несжимаемыми текучими средами, в то время как газы представляют собой сжимаемые текучие среды. Текучая среда или флюид, добываемый из нефтяной или газовой скважины, обычно содержит жидкости и газы. В частности, при добыче метана из угольной залежи добываемый флюид содержит газ и воду. Перекачивание такого добываемого флюида насосом затруднено вследствие сжимаемости газа. Сжимаемость газа снижает эффективность насоса, и в насосе может иметь место кавитация, прерывающая поток флюида. Погружные сепараторы сепарируют газ и жидкость из добываемого флюида около дна эксплуатационной колонны до перекачивания жидкости вверх по колонне, что повышает эффективность и надежность процесса перекачивания. В некоторых случаях отходы из добываемого флюида могут быть повторного введены в породу выше или ниже продуктивного пласта, что позволяет избежать затрат на транспортирование этих отходов на поверхность, их удаление или переработку.

Сепаратор, использующий для сепарации гидрофобную мембрану, раскрыт в патенте США № 5673752, 8си66ет и др. Приводные центробежные сепараторы раскрыты в патентах США № 6036749, КтЬейо и др., № 6066193, Ьее, и № 6382317, СоЬЬ. В патенте США № 6155345, Ьее и др., описан сепаратор, разделенный на множество камер сепарации посредством проточных подшипниковых опор.

Сущность изобретения

Погружной сепаратор содержит корпус, образующий внутреннюю полость, средства ограничения потока флюида, внутренний насос и вихрегенератор. Средства ограничения потока флюида расположены в корпусе и разделяют внутреннюю полость на первую камеру и вторую камеру. Внутренний насос перекачивает добываемый флюид в первую камеру и через средства ограничения потока. Средства ограничения потока создают перепад давления в добываемом флюиде на входе во вторую камеру, что вызывает сепарацию газа и жидкости. Вихрегенератор отделяет жидкость к наружной области и газ к внутренней области второй камеры. Способ сепарации жидкости и газа из добываемого флюида содержит этапы перекачивания флюида в первую камеру, создания перепада давления в флюиде на входе во вторую камеру и создания завихрения флюида во второй камере.

Перечень фигур чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах фиг. 1 изображает сепаратор в соответствии с изобретением на виде сбоку, фиг. 2 изображает сепаратор по фиг. 1 в продольном разрезе, фиг. 3 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом головку сепаратора по фиг. 1, фиг. 4 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом нижний диффузор сепаратора по фиг. 1, фиг. 5 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом верхний диффузор сепаратора по фиг. 1, фиг. 6 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом подшипниковый корпус сепаратора по фиг. 1, фиг. 7 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом импеллер сепаратора по фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1 и 2, сепаратор 10 содержит корпус 11, основание 12 и головку 14. Корпус 11 выполнен в виде полого удлиненного цилиндра, образующего внутреннюю полость 15. Корпус 11 сепаратора имеет отстоящие друг от друга нижний конец 17 и верхний конец 18, снабженные внутренней резьбой.

При описании конкретных примеров выполнения, выбранных для иллюстрации изобретения, используется определенная терминология, которая служит для удобства изложения и не носит ограничительного характера. Например, термины «верх», «низ» (дно), «вверх», «вниз» относятся к устройству в его нормальном рабочем положении в показанном примере выполнения. Термины «внутрь» и «наружу» означают, соответственно, радиально внутрь и радиально наружу по отношению к оси устройства в показанном примере выполнения. Далее, вся указанная терминология включает также производные от перечисленных слов и их эквиваленты.

Основание 12 содержит верхнюю часть 20, промежуточную часть 21 и нижнюю часть 22. Верхняя часть 20 представляет собой полый цилиндр с наружной резьбой, размеры и форма которого обеспечивают его ввинчивание в нижний конец 17 корпуса 11 сепаратора. Эта верхняя часть содержит открытую вверх центрированную верхнюю полость 24, по существу, цилиндрической формы. Промежуточная часть 21 имеет наружную поверхность 25, которая в показанном примере выполнения проходит вниз и внутрь от верхней части 20 и снабжена центрированным нижним подшипниковым отверстием 26, проходящим вниз от верхней полости 24. Нижний подшипник 28 установлен в нижнем подшипниковом отверстии 26. Множество разнесенных по окружной поверхности впускных каналов 27 проходят от наружной поверхности 25 вверх и внутрь в верхнюю полость 24. Нижняя часть 22 выполнена полой и имеет, по существу, цилиндрическую форму. Она проходит вниз от промежуточной части 21 к выступающему наружу фланцу 29, при этом нижняя полость 30 отходит от нижнего подшипникового отверстия 26.

- 1 007040

Как показано на фиг. 3, головка 14 содержит верхнюю часть 34, промежуточную часть 35, проходящую вниз от верхней части 34, и нижнюю часть 36, проходящую вниз от промежуточной части 35. Верхняя часть 34 выполнена, по существу, цилиндрической и содержит множество разнесенных, радиально расположенных, выступающих вверх винтов 38. Наружный окружной канал 39 проходит между верхней частью 34 и промежуточной частью 35. Промежуточная часть 35 снабжена наружной резьбой и имеет такие размеры и форму, которые обеспечивают ее ввинчивание в верхний конец 18 корпуса 11 сепаратора. Открытая вверх, сужающаяся по конусу внутрь и вниз верхняя полость 40 проходит через верхнюю часть 34 и промежуточную часть 35.

Нижняя часть 36 имеет сужающуюся по конусу внутрь и вниз наружную поверхность 41 и открытую вниз расширяющуюся по конусу наружу и вниз нижнюю полость 42, которая выходит на наружную поверхность 41 в области нижней кромки 43. Верхнее подшипниковое отверстие 44 проходит между верхней полостью 40 и нижней полостью 42. В нем установлен верхний подшипник 45. Множество разнесенных по окружной поверхности выпускных окон 47 для жидкости проходят вверх и внутрь от наружной поверхности 41 в верхнюю полость 40. Множество разнесенных по окружной поверхности выпускных окон 48 для газа проходят вверх и наружу от нижней полости 42 к каналу 39.

Как показано на фиг. 2, сепаратор 10 содержит нижний диффузор 50, верхний диффузор 51, первую втулку 52, средства 53 ограничения потока, вторую втулку 55 и третью втулку 56. Каждый из этих элементов имеет цилиндрическую наружную поверхность, размеры и форма которой обеспечивают ввод во внутреннюю полость 15 корпуса 11 сепаратора. Каждый элемент устанавливается внутри полости 15 по порядку указания элементов, от основания 12 до головки 14. В показанном примере выполнения средства 53 ограничения потока представляют собой подшипниковый корпус 54. В качестве средств 53 ограничения потока могут использоваться другие средства.

Как показано на фиг. 4, нижний диффузор 50 имеет форму стакана и содержит, по существу, плоское круглое дно 58, наружную стенку 59, отходящую от периферии дна 58, и нижнее отверстие 60 диффузора в центре дна 58.

Как показано на фиг. 5, верхний диффузор 51 содержит верхнее отверстие 62 диффузора, проходящее вверх по центру верхнего диффузора, цилиндрическую наружную стенку 63 и множество разнесенных, радиально расположенных проходов 64, проходящих спирально вверх и внутрь между верхним отверстием 62 диффузора и наружной стенкой 63 и разделенных радиальными перемычками 65. Наружная стенка 59 нижнего диффузора 50 проходит вверх, а наружная стенка 63 верхнего диффузора 51 проходит вниз для образования пространства между диффузорами и создания полости 67 импеллера.

Как показано на фиг. 6, подшипниковый корпус 54 выполнен, по существу, цилиндрическим с отверстием 68 промежуточного подшипника и множеством разнесенных, радиально расположенных проходов 69, проходящих сквозь подшипниковый корпус 54. Промежуточный подшипник 70 установлен в отверстии 68 промежуточного подшипника. Проходы 69 предназначены для ограничения потока, так что подшипниковый корпус 54 разделяет внутреннюю полость 15 на первую камеру 71 и вторую камеру 72. В показанном примере выполнения проходы 69 проходят вверх, внутрь и спирально, так что они способствуют закручиванию потока добываемого флюида при его протекании во вторую камеру 72. Первая, вторая и третья втулки 52, 55 и 56, показанные на фиг. 2, выполнены в виде тонкостенных полых цилиндров. Первая втулка 52 отделяет подшипниковый корпус 54 от верхнего диффузора 51. Вторая и третья втулки 55 и 56 вместе отделяют подшипниковый корпус 54 от головки 14.

Удлиненный цилиндрический вал 74 проходит через внутреннюю полость 15. Нижний шлицевой конец 75 вала входит в нижнюю полость 30 основания 12, а верхний шлицевой конец 76 вала входит в верхнюю полость 40 головки 14. Нижняя, промежуточная и верхняя опорные шейки 77, 78 и 79 вала расположены на расстоянии друг от друга вдоль вала 74 для взаимодействия, соответственно, с нижним, промежуточным и верхним подшипниками 28, 70 и 45. Шпоночная канавка 80 с установленной в ней шпонкой 81 проходит вдоль вала 74. Внутренний насос 82 установлен на валу 74. В примере выполнения по фиг. 7 внутренний насос 82 выполнен в виде импеллера, который расположен в полости 67. Он содержит ступицу 84, установленную на валу 74 и соединенную с ним шпонкой 81, и множество разнесенных, радиально расположенных проходов 85, проходящих спирально вверх и наружу вокруг ступицы 84. В качестве внутреннего насоса 82 могут использоваться насосы других типов, такие как винтовой насос. Вихрегенератор 86 показан на фиг. 2 в виде лопаточного устройства 87, размещенного во второй камере 72. Он содержит ступицу 88, установленную на валу 74 и соединенную с ним шпонкой 81, и множество разнесенных вертикальных лопаток 89, отходящих радиально от ступицы 88. Могут использоваться также вихрегенераторы других типов, такие как спиральные или пропеллерные.

В типовой установке сепаратор 10 монтируют между двигателем и фланцем 29 основания 12, а скважинный насос прикрепляют винтами 38 к головке 14. Импеллер 83 втягивает добываемый флюид в первую камеру 71 сепаратора 10 через впускные каналы 27 и нижний диффузор 50 и перекачивает его в верхний диффузор 51. Верхний диффузор 51 направляет добываемый флюид вверх к подшипниковому корпусу 54.

Проходы 69 ограничивают поток добываемого флюида через подшипниковый корпус 54 между первой и второй камерами 71, 72, создавая перепад давления, при этом быстрое расширение добываемого флюида вызывает расширение содержащегося в нем газа и его отделение от жидкости в добываемом

- 2 007040 флюиде. От подшипникового корпуса 54 жидкость и газ следуют вверх к вихрегенератору 87. Лопатки 89 толкают жидкость и газ в окружном направлении и за счет этого производят центробежное отделение жидкости к наружной области и газа к внутренней области второй камеры 72. Жидкость идет вверх к выпускным окнам 47 для жидкости и в скважинный насос. Газ идет вверх к выпускным окнам 48 для газа и наружу из сепаратора 10 по каналу 39.

Способ сепарации газа и жидкости в добываемом флюиде в скважине в соответствии с изобретением содержит этапы обеспечения первой и второй сообщающихся камер, перекачивания добываемого флюида в первую камеру, создания перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида между первой и второй камерами и создания завихрения во второй камере. Более конкретно, первый этап способа включает обеспечение первой и второй сообщающихся камер, подшипникового корпуса между первой и второй камерами, вращающейся лопатки во второй камере, выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, связанных со второй камерой, при этом подшипниковый корпус содержит множество ограничительных проходов, проходящих спирально между первой и второй камерами.

Следующий этап включает перекачивание добываемого флюида в первую камеру. Следующий этап включает пропускание добываемого флюида через проходы для создания перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида во вторую камеру с целью сепарации газа и жидкости. Пропускание добываемого флюида через проходы также обеспечивает спиральное течение потока добываемого флюида и за счет этого инициирует завихрение. Следующий этап включает вращение лопатки для продолжения завихрения и дальнейшей сепарации газа и жидкости. Затем газ отводится из второй камеры через выпускные окна для газа, а жидкость отводится из второй камеры через выпускные окна для жидкости.

Несмотря на то, что изобретение было описано с определенной степенью конкретности, понятно, что его раскрытие осуществлено посредством примеров и возможны изменения в деталях конструкции, не выходящие за пределы общей идеи изобретения.

Claims

1. Погружной сепаратор газа и жидкости для скважины, содержащий первую и вторую камеры; внутренний насос для перекачивания добываемого флюида через первую камеру и во вторую камеру; расположенные между первой и второй камерами средства ограничения потока для создания перепада давления в добываемом флюиде и сепарации газа и жидкости на входе флюида во вторую камеру; и расположенный во второй камере вихрегенератор для центробежного разделения флюида на газ и жидкость.

2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит приводной вращающийся вал, проходящий через первую и вторую камеры.

3. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что вихрегенератор выполнен в виде установленной на валу лопатки.

4. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что насос выполнен в виде установленного на валу импеллера.

5. Сепаратор по п.4, отличающийся тем, что он содержит верхний диффузор, расположенный между импеллером и средствами ограничения потока и направляющий добываемый флюид от импеллера к средствам ограничения потока.

6. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что средства ограничения потока выполнены в виде подшипникового корпуса, снабженного подшипником для стабилизации положения вала.

7. Сепаратор по п.6, отличающийся тем, что подшипниковый корпус снабжен множеством диагонально проходящих проходов между первой и второй камерами, ограничивающих поток флюида и направляющих добываемый флюид во вторую камеру в диагональном направлении, тем самым инициирующих завихрение потока.

8. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит удлиненный корпус с первым и вторым концами, основание и головку, причем корпус содержит первую камеру вблизи первого конца и вторую камеру вблизи второго конца, основание выполнено с возможностью соединения с первым концом корпуса и содержит впускные каналы, сообщающиеся с первой камерой, а головка выполнена с возможностью соединения со вторым концом корпуса и содержит выпускные окна для газа и для жидкости, сообщающиеся со второй камерой.

9. Погружной сепаратор газа и жидкости для скважины, содержащий удлиненный корпус с первым и вторым концами, причем корпус содержит первую камеру вблизи первого конца и вторую камеру вблизи второго конца; основание, прикрепленное к первому концу корпуса и содержащее впускные каналы, сообщающиеся с первой камерой; головку, прикрепленную ко второму концу корпуса и содержащую выпускные окна для газа и жидкости, сообщающиеся со второй камерой; приводной вращающийся вал, проходящий через основание, первую камеру, вторую камеру и головку; установленный на валу импеллер, расположенный в первой камере для перекачивания добываемого флюида через первую камеру и во вторую камеру; расположенный между первой и второй камерами подшипниковый корпус, ограничивающий поток флюида для создания перепада давления в добываемом флюиде и сепарации газа и жидкости на входе флюида во вторую камеру; и установленную на валу лопатку, расположенную во второй камере для центробежного разделения добываемого флюида на газ и жидкость.

- 3 007040

10. Способ сепарации газа и жидкости из добываемого флюида в скважине, содержащий следующие этапы: обеспечение первой и второй сообщающихся камер, перекачивание добываемого флюида в первую камеру, создание перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида из первой камеры во вторую камеру для сепарации газа и жидкости и завихрение потока во второй камере для дальнейшей сепарации газа и жидкости.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе обеспечения первой и второй сообщающихся камер размещают указанные камеры в скважине.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе создания перепада давления ограничивают поток флюида между первой и второй камерами.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что на этапе ограничения потока добываемого флюида обеспечивают подшипниковый корпус между первой и второй камерами, который снабжен множеством ограничительных проходов между первой и второй камерами, причем добываемый флюид пропускают через указанные проходы.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что проходы подшипникового корпуса проходят спирально, а пропускание добываемого флюида через указанные проходы инициирует завихрение потока.

15. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе завихрения потока обеспечивают вращающуюся лопатку и приводят указанную лопатку во вращение.

16. Способ по п.10, отличающийся тем, что содержит этапы обеспечения выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, сообщающихся со второй камерой, отвода газа из второй камеры через выпускные окна для газа и отвода жидкости из второй камеры через выпускные окна для жидкости.

17. Способ сепарации газа и жидкости из добываемого флюида в скважине, содержащий следующие этапы: обеспечение первой и второй сообщающихся камер, подшипникового корпуса, расположенного между первой и второй камерами, вращающейся лопатки во второй камере, выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, сообщающихся со второй камерой, при этом подшипниковый корпус снабжен множеством ограничительных проходов, проходящих спирально между первой и второй камерами, перекачивание добываемого флюида в первую камеру, пропускание добываемого флюида через указанные проходы для создания перепада давления в добываемом флюиде при его протекании из первой камеры во вторую камеру, обеспечивающего сепарацию газа и жидкости, и для сообщения потоку флюида спирального движения, инициирующего завихрение потока, вращение лопатки для продолжения завихрения потока во второй камере, обеспечивающего дальнейшую сепарацию газа и жидкости, отведение газа из второй камеры через выпускные окна для газа, и отведение жидкости из второй камеры через выпускные окна для жидкости.