RU2186252C1

RU2186252C1 - Submersible electric pump solid particles and gas separator

Info

Publication number: RU2186252C1
Application number: RU2001110786A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Печенев; И.А. Уколов
Original assignee: Сибирское научно-производственное предприятие бурового машиностроения
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: oil producing industry. SUBSTANCE: invention relates to design of submersible electric pumps intended for pumping out formation fluids with high content of mechanical admixtures and gas. Separator made as separate module is additionally installed on pressure branch pipe of submersible pump. Separator consists of ejector and conical-cylindrical hydraulic cyclone with tangential holes for taking in formation fluid. Hydraulic cyclone mechanical admixtures collecting chamber and ejector are made in one space in direction of fluid flow. To provided delivery of cleaned fluid, separator is connected with submersible pump inlet by feed pipeline laid along pump housing near motor supply cable. Pipeline is made oval-shaped to decrease cross-section of plant. EFFECT: increased service life of submersible pump without changing its design owing to separation of mechanical admixtures and gas from fluid delivered to pump inlet and using gas as additional lifting force in tubing. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано в конструкциях погружных насосов для откачивания из скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием механических примесей и газа. The invention relates to the oil industry and can be used in the construction of submersible pumps for pumping formation fluids from wells with a high content of solids and gas.

Современные конструкции погружных центробежных электронасосов предназначены для откачки пластовой жидкости с максимальным содержанием твердых частиц 0,05 г/л и максимальной объемной долей свободного газа на входе в насос 25% [1]. Modern designs of submersible centrifugal electric pumps are designed for pumping formation fluid with a maximum solids content of 0.05 g / l and a maximum volume fraction of free gas at the pump inlet of 25% [1].

Однако на практике содержание твердых частиц (механических примесей) может превышать норму в 10-15 раз. В результате происходит интенсивный износ насоса, что снижает межремонтный период скважины и приводит к дорогостоящей замене скважинного оборудования. However, in practice, the content of solid particles (mechanical impurities) can exceed the norm by 10-15 times. As a result, intensive wear of the pump occurs, which reduces the well overhaul period and leads to costly replacement of downhole equipment.

Растворенный в пластовой жидкости газ в результате разряжения выделяется в свободном виде, попадает на всасывающую линию насоса и приводит к срыву его подачи. При этом прекращается ток жидкости, электродвигатель перестает охлаждаться и перегорает, что влечет за собой необходимость его замены. The gas dissolved in the formation fluid is released as a result of rarefaction in free form, enters the suction line of the pump and disrupts its supply. In this case, the fluid flow stops, the electric motor stops cooling and burns out, which entails the need for its replacement.

Очевидно, что существующие конструкции насосов по своим характеристикам не удовлетворяют условиям эксплуатации, поэтому необходимо устройство, позволяющее производить очистку добываемой жидкости до поступления ее в насос. Obviously, the existing pump designs do not meet the operating conditions in terms of their characteristics, therefore, a device is needed that allows cleaning the produced fluid before it enters the pump.

Для уменьшения количества свободного газа в добываемой жидкости насосную установку комплектуют газосепаратором, который выполнен отдельным модулем и устанавливается на входной линии насоса. To reduce the amount of free gas in the produced fluid, the pumping unit is equipped with a gas separator, which is made by a separate module and is installed on the pump inlet line.

Недостаток данного устройства в том, что оно не предназначено для отделения механических примесей, а отсепарированный в ходе работы газ отводится в затрубное пространство скважины, что исключает возможность использования его подъемной силы. The disadvantage of this device is that it is not designed to separate mechanical impurities, and the gas separated during operation is discharged into the annulus of the well, which excludes the possibility of using its lifting force.

Существует струйный насос, который используется совместно с газосепаратором и устанавливается на напорной линии погружного электронасоса [2]. Струйный насос помимо прочего предназначен для подачи отсепарированного газа в напорные трубы из затрубного пространства скважины, благодаря чему используется его подъемная сила при подъеме жидкости. There is a jet pump that is used in conjunction with a gas separator and is installed on the pressure line of a submersible electric pump [2]. The jet pump, among other things, is designed to supply the separated gas to the pressure pipes from the annulus of the well, due to which its lifting force is used when lifting the liquid.

Недостаток такого устройства в том, что оно не позволяет устранить вредное воздействие механических примесей на насос. The disadvantage of this device is that it does not eliminate the harmful effects of mechanical impurities on the pump.

Существует скважинное устройство для очистки флюидов от механических примесей [3] . Устройство состоит из сепаратора и отстойника для отделенных примесей, установленных на всасывающей линии насоса. There is a downhole device for cleaning fluids from mechanical impurities [3]. The device consists of a separator and a sump for separated impurities installed on the suction line of the pump.

Недостаток данной схемы заключается в том, что при заполнении отстойника сепарация прекращается и примеси с жидкостью поступают в насос, вызывая его износ. Для возобновления работы сепаратора необходим подъем всей установки для очистки отстойника. The disadvantage of this scheme is that when filling the sump, separation stops and impurities with the liquid enter the pump, causing it to wear. To resume separator operation, it is necessary to lift the entire installation to clean the sump.

Известна скважинная насосная установка [4] , содержащая центробежный насос с эжектором на напорном патрубке, сообщенным с камерой сбора механических примесей сепаратора, размещенного со стороны приема насоса, позволяющая отделять механические примеси и газ до попадания жидкости в насос с последующим выносом их на поверхность. A well-known pumping unit [4], containing a centrifugal pump with an ejector on the discharge pipe, is in communication with the chamber for collecting mechanical impurities of a separator located on the receiving side of the pump, which allows to separate mechanical impurities and gas before liquid enters the pump and then carries them to the surface.

Недостатки данной установки заключаются в том, что в ней электродвигатель расположен выше насоса. Однако наибольшее распространение получили насосные установки с нижним расположением электродвигателя. Кроме того, сепарирующий узел выполнен таким образом, что отделенный газ выводится в затрубное пространство скважины, в результате чего снижается кпд установки и исключается возможность использования подъемной силы газа при подъеме жидкости. The disadvantages of this installation are that in it the electric motor is located above the pump. However, the most common pumping units with a lower location of the electric motor. In addition, the separation unit is designed in such a way that the separated gas is discharged into the annulus of the well, as a result of which the efficiency of the installation is reduced and the possibility of using the lifting force of the gas when lifting the liquid is excluded.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является скважинная насосная установка [5], позволяющая отделять механические примеси до попадания жидкости в насос с последующим выносом его на поверхность. Установка состоит из гидроциклона, внутренняя цилиндрическая часть которого для закручивания жидкости выполнена в виде винтовой поверхности, и эжектора, являющегося частью нагнетательной трубы и соединенного с гидроциклоном патрубками для подачи примесей. Очищенная жидкость поступает на всасывающую линию по кольцевому зазору, образованному кожухом и корпусом насоса. The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result is a downhole pumping unit [5], which allows separating mechanical impurities before liquid enters the pump with its subsequent removal to the surface. The installation consists of a hydrocyclone, the inner cylindrical part of which for twisting the liquid is made in the form of a helical surface, and an ejector, which is part of the discharge pipe and connected to the hydrocyclone by pipes for supplying impurities. The purified liquid enters the suction line through an annular gap formed by the casing and the pump casing.

Данная установка имеет следующие недостатки. Подвод отделенных примесей к эжектору осуществляется по патрубкам малого сечения, что повышает гидравлические потери и возможность засорения. Не учитывается влияние газа, который в результате разряжения будет выделяться в свободном виде и поступать вместе с очищенной жидкостью в насос, что может привести к срыву его подачи. Насос заключен в кожух, что увеличивает размер установки в поперечном сечении и затрудняет подвод кабельной линии к электродвигателю. This installation has the following disadvantages. Separated impurities are supplied to the ejector through small branch pipes, which increases hydraulic losses and the possibility of clogging. It does not take into account the effect of gas, which, as a result of discharge, will be released in a free form and enter the pump together with the purified liquid, which can lead to a disruption of its supply. The pump is enclosed in a casing, which increases the size of the installation in cross section and makes it difficult to supply a cable line to the motor.

В основу изобретения положена задача увеличения срока эксплуатации погружного насоса без изменения его конструкции путем отделения механических примесей и газа от добываемой жидкости и обеспечения их дальнейшего подъема на поверхность с использованием дополнительной подъемной силы газа в колонне напорных труб и упрощения конструкции сепаратора. The basis of the invention is to increase the life of the submersible pump without changing its design by separating mechanical impurities and gas from the produced fluid and ensuring their further rise to the surface using additional gas lifting force in the pressure pipe string and simplifying the design of the separator.

Технический результат достигается тем, что в скважинной насосной установке, содержащей электродвигатель и центробежный насос, на напорный патрубок дополнительно установлен сепаратор, состоящий из эжектора и коническо-цилиндрического гидроциклона с тангенциальными отверстиями для входа скважинной жидкости, причем камера сбора механических примесей гидроциклона и эжектор выполнены совместно в одном объеме по ходу движения жидкости, а гидроциклон расположен конусной частью вверх. Сепаратор соединен с входом насоса питающим трубопроводом, проложенным вдоль корпуса насоса рядом с кабелем питания электродвигателя и имеющим овальное сечение. The technical result is achieved by the fact that in the borehole pump installation containing an electric motor and a centrifugal pump, a separator is additionally installed on the discharge pipe, consisting of an ejector and a conical-cylindrical hydrocyclone with tangential openings for the entrance of the borehole fluid, and the chamber for collecting mechanical impurities of the hydrocyclone and the ejector are made together in one volume in the direction of the fluid, and the hydrocyclone is located with the conical part up. The separator is connected to the pump inlet by a supply pipe laid along the pump casing next to the motor power cable and having an oval cross-section.

На фиг.1 представлена скважинная насосная установка с сепаратором, продольный разрез; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 приведена схема взаимного расположения кабельной линии электродвигателя, питающего трубопровода и насоса. Figure 1 presents a downhole pumping unit with a separator, a longitudinal section; figure 2 shows a section aa in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 1; figure 4 shows a diagram of the mutual arrangement of the cable line of the motor, the supply pipe and pump.

Сепаратор (фиг.1) устанавливается на напорную линию насоса 1 и включает в себя выполненные совместно гидроциклон и эжектор. The separator (figure 1) is installed on the pressure line of the pump 1 and includes a combined hydrocyclone and an ejector.

Гидроциклон 2 сепаратора имеет отверстия 3 для подвода скважинной жидкости, выполненные тангенциально для придания ей вращательного движения. Для использования подъемной силы выделяющегося в результате разряжения газа и прямого отвода его и механических примесей гидроциклон 2 расположен конусной частью вверх. The hydrocyclone 2 of the separator has holes 3 for supplying the well fluid, made tangentially to give it a rotational movement. To use the lifting force of the gas released as a result of the discharge and direct removal of it and mechanical impurities, the hydrocyclone 2 is located with its conical part up.

Отвод очищенной жидкости осуществляется через сливной патрубок 4, проточную камеру 5 и далее по питающему трубопроводу 6 на всасывающую линию насоса 1. The cleaned liquid is discharged through the drain pipe 4, the flow chamber 5 and then through the supply pipe 6 to the suction line of the pump 1.

Питающий трубопровод 6 проложен вдоль корпуса насоса 1 рядом с кабелем 7 (фиг. 4) и фиксируется клямсами 8. Для уменьшения поперечного размера установки и сохранения наибольшего сечения трубопровода 6 он выполнен овальным. The supply pipe 6 is laid along the pump housing 1 next to the cable 7 (Fig. 4) and is fixed with clips 8. To reduce the transverse size of the installation and maintain the largest section of the pipe 6, it is made oval.

Жидкость с отделенными механическими примесями и газом всасывается и выносится эжектором, содержащим напорный патрубок 9 с соплом 10 и диффузор 11 с камерой смешения 12, фиксируемые в корпусе гидроциклона 2 гайками 13 и 14. Для более точной установки длинный напорный патрубок 9 центрируется направляющими, выполненными совместно со сливным патрубком 4 (фиг.3). The liquid with separated mechanical impurities and gas is sucked in and carried out by an ejector containing a pressure pipe 9 with a nozzle 10 and a diffuser 11 with a mixing chamber 12, fixed in the hydrocyclone body 2 with nuts 13 and 14. For a more accurate installation, the long pressure pipe 9 is centered by guides made together with drain pipe 4 (figure 3).

Сопло 10 и камера смешения 12 выполняются из износостойких материалов и фиксируются гайками 15 и 16. The nozzle 10 and the mixing chamber 12 are made of wear-resistant materials and are fixed with nuts 15 and 16.

Оптимальное расстояние между соплом 10 и камерой смешения 12 устанавливается подбором необходимого числа и толщины регулировочных шайб 17. The optimal distance between the nozzle 10 and the mixing chamber 12 is set by selecting the required number and thickness of the shims 17.

Сепаратор работает следующим образом. The separator works as follows.

Перекачиваемая жидкость за счет перепада давлений, создаваемого погружным насосом 1 и эжектором, поступает в гидроциклон 2 через тангенциальные отверстия 3, приобретает вращательное движение и перемещается вверх. При этом за счет центробежных сил более тяжелые механические примеси отбрасываются к корпусу гидроциклона 2, а более легкий газ, выделяющийся в результате разряжения, движется вдоль сливного патрубка 4. Очищенная жидкость за счет разряжения, создаваемого погружным насосом 1, попадает в сливной патрубок 4, а газ под действием подъемной силы устремляется вверх и смешивается с флюидом, содержащим механические примеси. The pumped liquid due to the pressure difference created by the submersible pump 1 and the ejector, enters the hydrocyclone 2 through the tangential holes 3, acquires a rotational movement and moves up. In this case, due to centrifugal forces, heavier mechanical impurities are thrown to the body of the hydrocyclone 2, and the lighter gas released as a result of the discharge moves along the drain pipe 4. The purified liquid due to the vacuum created by the submersible pump 1, enters the drain pipe 4, and the gas rises upward under the action of a lifting force and mixes with a fluid containing mechanical impurities.

Очищенная жидкость через сливной патрубок 4, проточную камеру 5 и далее по питающему трубопроводу 6 поступает на всасывающую линию насоса 1. The purified liquid through the drain pipe 4, the flow chamber 5 and then through the supply pipe 6 enters the suction line of the pump 1.

Пройдя через насос 1, жидкость приобретает энергию в виде напора, а на выходе из сопла 10 приобретает высокую скорость. After passing through the pump 1, the liquid acquires energy in the form of pressure, and at the outlet of the nozzle 10 acquires a high speed.

Струя жидкости, выходя из сопла 10, в результате эжекции захватывает флюид с механическими примесями и газом, смешивается с ним в камере смешения 12 и через диффузор 11 попадает в колонну напорных труб. The liquid stream leaving the nozzle 10, as a result of ejection, captures the fluid with mechanical impurities and gas, mixes with it in the mixing chamber 12 and through the diffuser 11 enters the column of pressure pipes.

В дальнейшем при подъеме жидкости на поверхность дополнительно используется подъемная сила газа, что позволит снизить энергетические затраты и увеличить кпд установки. In the future, when lifting liquid to the surface, the gas lifting force is additionally used, which will reduce energy costs and increase the efficiency of the installation.

Таким образом, погружной электронасос перекачивает очищенную жидкость, а механические примеси и газ выносятся на поверхность. Thus, the submersible electric pump pumps the purified liquid, and mechanical impurities and gas are carried to the surface.

Экономический эффект от внедрения изобретения можно получить за счет увеличения срока безаварийной работы погружного центробежного электронасоса, что снизит простои скважины и затраты на проведение ремонта. The economic effect of the implementation of the invention can be obtained by increasing the trouble-free operation of a submersible centrifugal electric pump, which will reduce well downtime and repair costs.

Источники информации
1. С.А.Махмудов, М.С.Абузерли. Монтаж, обслуживание и ремонт скважинных электронасосов. Справочник. М.: Недра, 1995 г., 217 с.Sources of information
1. S.A. Makhmudov, M.S. Abuzerli. Installation, maintenance and repair of borehole electric pumps. Directory. M .: Nedra, 1995, 217 p.

2. Рекламный проспект АО "ЭНАИС", технология "Тандем". 2. Advertising brochure of JSC "ENAIS", technology "Tandem".

3. Рекламный проспект НПО "СибирьСервисТехнология", скважинное устройство для очистки флюидов от механических примесей СГЦФ-02. 3. The brochure of the NGO SibirServiceTehnologiya, a downhole device for cleaning fluids from mechanical impurities SGTsF-02.

4. И.Б.Лифтман и др. Скважинная насосная установка. А.с. РФ 2056541, 6 F 04 D 13/10, 1982 г. 4. IB Liftman and others. Well pumping unit. A.S. RF 2056541, 6 F 04 D 13/10, 1982

5. А. И. Фабриков, А.А.Сильченков. Насосная установка с устройством для отделения механических примесей от перекачиваемой жидкости. А.с. СССР 440499, F 04 D 13/12, 1974 г. 5. A.I. Fabrikov, A.A. Silchenkov. Pumping unit with a device for separating solids from the pumped liquid. A.S. USSR 440499, F 04 D 13/12, 1974

Claims

1. The separator of solid particles and gas submersible electric pump, consisting of a conical-cylindrical hydrocyclone with tangential holes for supplying well fluid and an ejector installed on the pressure line of the pump, characterized in that the chamber for collecting mechanical impurities of the hydrocyclone and the ejector are made together in the same volume along fluid movement, and a pipeline for supplying purified liquid to the pump is laid along the pump casing next to the motor power cable.

2. The separator according to p. 1, characterized in that the hydrocyclone is located conical part up.

3. The separator according to claim 1, characterized in that the cross-section of the pipeline is oval.