RU2804820C1 - Устройство для откачки затрубного газа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для перепуска затрубного газа в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважинах, эксплуатируемых установками погружных электроцентробежных насосов. Устройство для откачки затрубного газа расположено в колонне НКТ, содержит струйный аппарат в виде сопла Лаваля для перепуска затрубного газа в колонну НКТ. Сопло Лаваля выполнено из двух продольных половин, одна из которых установлена неподвижно с обратным клапаном, а вторая имеет возможность продольного перемещения внутри колонны НКТ и связана через постоянные магниты с поршнем, подпружиненным снизу и размещенным в параллельном с осью колонны НКТ корпусе, нижний конец которого сообщается с затрубным пространством, а верхний – с полостью колонны НКТ. При этом плоскость разделения сопла Лаваля на две асимметричные продольные половины отклонена от его оси симметрии на угол α в соотношении 0<α≤arctg (l/d), где l – длина узкой части сопла, d – диаметр узкой части сопла. Техническим результатом является увеличение дебита скважины без образования гидратных пробок в скважине, уменьшение глубины подвески погружного электроцентробежного насоса за счет повышения уровня пластовой жидкости в затрубном пространстве. 4 ил.

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, частности к области добычи высоко газированных нефтей и может быть применено для откачки затрубного газа в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважинах, эксплуатируемых с использованием установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).

Одним из осложняющих факторов работы УЭЦН является повышенный газовый фактор в извлекаемом из пласта флюиде. Накапливающийся в затрубном пространстве свободный газ обуславливает понижение динамического уровня жидкости. При этом УЭЦН начинает работать на повышенных оборотах при значительно меньшем охлаждении обмоток электродвигателя, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) и, в конечном итоге к срыву подачи и выходу насоса из строя [Гареев А.А. О предельном газосодержании на приёме электроцентробежного насоса. / А.А. Гареев, НТЖ «Оборудование и технологии для нефтепромыслового комплекса.» – 2009, – №2. – С.21-25., Сарачева Д.А. Совершенствование электороцентробежных насосных установок для скважин, осложнённых высоким газовым фактором. Автореф. дисс. на соиск. степени канд. техн. наук. – Уфа: УГНТУ, 2016. 24с].

Известно устройство для сброса газа, предназначенное для автоматического стравливания газа из затрубного пространства скважины в верхнюю часть колонны НКТ и далее в нефтепровод. Клапан лифтовый монтируют в колонне НКТ под трубодержателем на глубине не менее 30 метров от устья скважины [Клапан лифтовый для стравливания газа, ООО «Татнефть-РНО-МехСервис», г. Альметьевск, 2008г.].

Недостатком данного клапана является то, что срабатывание клапана лифтового для эксплуатационных колонн происходит только при значительном от заданного регламентом эксплуатации скважины превышении давления газа в затрубном пространстве скважины (более 0,2-0,3Мпа), что приводит к существенному снижению в ней (скважине) динамического уровня жидкости и повышению вероятности сброса подачи УЭЦН. При сбросе подачи скважинного флюида, нагрузка на УЭЦН резко понижается, а число оборотов растёт [Бажайкин С.Г. исследование влияния свободного газа на работу центробежного насоса при перекачке газонасыщенных смесей. Автореф. дисс. на соиск. степени канд. техн. наук. – Уфа: УНИ, 1979. 24с.]. Так как подачи флюида нет, то нет и теплоотвода от обмоток электродвигателя УЭЦН. А это приводит к перегреву обмоток и межвитковому замыканию и, как следствие, к аварийной остановке работы скважины.

Известно автоматическое клапанное устройство, состоящее из обратного клапана и устройства для управления его работой, выполненного в виде поршня и корпуса. Поршень связан с выкидной линией при помощи двух концентрично установленных под ним гофрированных трубок и толкателя. В стенках корпуса имеются клиновидные толкатели с пружинами. Обратный клапан соединен с выкидной линией посредством гидравлического канала [Авт. свид. №625021 (СССР), МПК Е21В 33/03. Автоматическое клапанное устройство. / К.Р. Уразаков. – Опубл. 25.09.1978, Б.И. №35.].

Данное устройство не функционирует в условиях низких температур, вследствие замерзания обратного клапана и гофрированных трубок, что приводит разгерметизации устройства для управления работой обратного клапана. Конструкция автоматического клапанного устройства в целом отличается повышенной сложностью и материалоёмкостью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является струйный аппарат (СА) в виде сопла Лаваля для перепуска затрубного газа в колонну НКТ, установленный в колонне НКТ ниже динамического уровня сважинной жидкости и сообщает затрубное пространство с полостью колонны НКТ через обратный клапан, и выполненный из двух симметричных в продольном разрезе половин, одна из которых имеет обратный клапан и установлена неподвижно, а вторая обладает возможностью продольного перемещения внутри колонны НКТ и связана через постоянные магниты с подпружиненным снизу поршнем, размещенном в компоновке колонны НКТ корпусе, нижний конец которого сообщен с затрубным пространством, а верхний – с полостью колонны НКТ [Патент №2517287 (РФ), МПК E21B43/12; F04F5/00. Струйный аппарат для перепуска затрубного газа. / К.Р. Уразаков, Р.И. Вахитова, Д.А. Сарачева, Э.В. Абрамова. – Опубл. 27.05.2014, Б.И. №15].

Недостатком данного СА для перепуска затрубного газа является его неработоспособность в условиях нефтяной скважины. Это обусловлено тем, что поступающая в скважину жидкость (нефть и вода) несут с собой мелкие частицы породы, с преимущественным (85-90%) размером 200-900мкм [Купавых В.А. Гранулометрический анализ механических примесей в продукции нефтяных скважин и технология их фильтрации. [Текст] / В.А. Купавых, В.Ф. Мерзляков, М.Д. Валеев, А.В. Лысенков. // Нефтегазовое дело. 2016. Т.14, №1. – С.74-79]. Перемещение подвижной половины СА для перепуска затрубного газа возможно лишь в случае посадки с гарантированным зазором H11/d11, которую применяют для подвижных соединений, работающих в условиях пыли и грязи – нефть с частицами породы [ГОСТ25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки. Издание официальное. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001]. Для такой посадки предельные отклонения основного отверстия составляют: для диаметров 30-50мм + (плюс) 160мкм, для d = 50-80мм +190мкм. Отклонение размера вала (в данном случае наружного диаметра подвижной части СА) составляют: для диаметров 30-50мм – (минус) 80-240мкм, а для диаметров 50-80мм – 100-290мкм. Таким образом минимальный зазор в соединении составит 169 + 80 = 240мкм, а максимальный – 190 + 290 = 480мкм. А учитывая, что подвижная половина сопла Лаваля будет притягиваться к магниту, уменьшая зазор с одной стороны и увеличивая с другой, ухудшится эффективность работы СА, так как не будет в достаточной мере снижаться проходное сечение, а, следовательно, не будет снижаться и давление для обеспечения подсоса затрубного газа. Учитывая указанные технологические зазоры в соединении деталей устройства, заклинивание подвижной половины СА из-за попадания в зазор выносимых из пласта твёрдых минеральных частиц весьма вероятно, что приводит к уменьшению КПД насоса, сбросу подачи, перегреву и остановке УЭЦН, и, в итоге, прекращению добычи нефти.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение работоспособности устройства для откачки затрубного газа, что, в свою очередь, позволит повысить КПД и надёжность работы УЭЦН.

Поставленная задача решается изменением конструкции СА в виде сопла Лаваля для перепуска затрубного газа в колонну НКТ, выполненного из двух продольных половин, одна из которых установлена неподвижно с обратным клапаном, а вторая имеет возможность продольного перемещения и связана через постоянные магниты с поршнем, подпружиненным снизу и размещенным в компоновке колонны НКТ корпусе, нижний конец которого сообщается с затрубным пространством, а верхний – с полостью колонны НКТ, причем плоскость разделения сопла Лаваля на две продольные ассиметричные половины отклонена от его оси симметрии на угол α в соотношении

0 <α ≤ arctg (l / d)

где l – длина узкой части сопла,

d – диаметр узкой части сопла.

Устройство для откачки затрубного газа представлено на фиг.1-4. Фиг. 1 – открытое положение эжектора; фиг.2 – устройство в режиме откачки затрубного газа; фиг тоже, что и фиг. 2 – диаметральное сечение; фиг4 – тоже, что на фиг. 2 – увеличенное изображение сопла.

Предлагаемое устройство для откачки затрубного газа монтируют в колонне НКТ. Устройство для откачки затрубного газа состоит из двух асимметричных половин – неподвижной 1, снабженной обратным клапаном 2, и подвижной 3, связанной через постоянный магнит 4 с пружиной 5 и поршнем 6, размещенным в компоновке колонны НКТ корпусе 7, имеющим отверстие 8 для сообщения с затрубным пространством (пространство между НКТ и обсадной колонной скважины) с полостью обратного клапана 2, отверстие 10 для сообщения подпоршневой полости 9 с затрубным пространством скважины и отверстие 11 для сообщения надпоршневого пространства с полостью колонны НКТ. Плоскость разделения неподвижной 1 и подвижной 3 половинами сопла Лаваля обозначена 12, а узкое сечение сопла – 13. Скважинную жидкость погружным электроцентробежным насосом (на фиг. не показано) подают через устройство для откачки затрубного газа в систему сбора скважинных флюидов.

Устройство для откачки затрубного газа работает следующим образом. Во время работы УЭЦН (на фиг. не показано) происходит разгазирование, поступающего в скважину флюида. Часть газа попадает на приём УЭЦН и по колонне НКТ извлекается на дневную поверхность, а другая часть остаётся в затрубном пространстве и накапливается в нём над динамическим уровнем жидкости, повышая давление газа. При повышении давления газа в затрубном пространстве, он (газ) воздействует через отверстие 10 на нижний торец поршня 6. Под действием пружины 5 и давления газа, которое начинает превышать давление скважинной жидкости, созданное через отверстие 10, поршень 6 перемещается вверх, увлекая за собой через постоянный магнит 4 подвижную асимметричную половину 3 сопла Лаваля. При этом жидкость из надпоршневого пространства вытесняется поршнем 6 в полость колонны НКТ через отверстие 11 в корпусе 7 При достижении подвижной асимметричной половиной 3 верхнего крайнего положения сопло Лаваля начинает действовать в рабочем режиме, снижая давление в узком сечении 12, при этом обратный клапан 2 открывается и газ из затрубного пространства поступает в колонну НКТ, снижая давление газа в затрубном пространстве. После снижения давления газа в затрубном пространстве подвижная асимметричная половина 3 сопла Лаваля перемещается вниз под собственным весом, увлекая за собой через постоянные магниты 4, поршень 6, сжимая пружину 5, увеличивая проходное сечение между неподвижной 1 и подвижной 3 асимметричными половинами сопла Лаваля, тем самым уменьшив гидравлическое сопротивление пластовой жидкости, движущейся по колонне НКТ.

Использование устройства для откачки затрубного газа в колонну НКТ позволяет снизить давление газа в затрубном пространстве скважин и поднять уровень пластовой жидкости, что способствует повышению КПД и надёжности – увеличению межремонтного периода работы УЭЦН.

Кроме того, использование устройства для откачки затрубного газа позволяет увеличить дебит скважины и избежать образования в ней (скважине) гидратных пробок, уменьшить глубину подвески УЭЦН и, тем самым, снизить расход колонны НКТ.

Claims (4)

1. Устройство для откачки затрубного газа, расположенное в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), содержащее струйный аппарат в виде сопла Лаваля для перепуска затрубного газа в колонну НКТ, выполненный из двух продольных половин, одна из которых установлена неподвижно с обратным клапаном, а вторая имеет возможность продольного перемещения внутри колонны НКТ и связана через постоянные магниты с поршнем, подпружиненным снизу и размещенным в параллельном с осью колонны НКТ корпусе, нижний конец которого сообщается с затрубным пространством, а верхний – с полостью колонны НКТ, отличающееся тем, что плоскость разделения сопла Лаваля на две асимметричные продольные половины отклонена от его оси симметрии на угол α в соотношении
2. 0<α≤arctg (l/d),
3. где l – длина узкой части сопла,
4. d – диаметр узкой части сопла.