Патент на изобретение №2331861

(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО ГАЗОСЕПАРАТОРА И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к испытаниям гидравлических машин и, в частности, к испытаниям газосепараторов (ГС), используемых в погружных электронасосных агрегатах для добычи нефти из скважин. Способ испытания ГС включает в себя формирование газожидкостной смеси (ГЖС), подачу ее по нагнетательной линии в блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), сепарацию ГЖС испытуемым ГС, поступление дегазированной жидкости в накопительную емкость, а отсепарированного газа в затрубное пространство БМВУ. При этом производят плавное регулирование расходов и давлений газа и жидкости, дискретное изменение режимов сепарации, регулирование в процессе испытаний пенообразующих свойств циркулирующего объема ГЖС, определение входного, выходного и остаточного содержания свободного газа, расходов жидкости и газа на входе в БМВУ, и вычисление коэффициента сепарации и расходов жидкости и газа в соответствующих выходных линиях БМВУ. Сепарацию ГЖС испытуемым ГС осуществляют при постоянном расходе жидкости, поступающей в БМВУ, предотвращающим появление нисходящего потока жидкости в затрубном пространстве, и поддержании постоянного содержания газа в ГЖС, поступающей в ГС и БМВУ путем создания восходящего потока ГЖС в затрубном пространстве. Изобретение направлено на упрощение испытаний, сокращение времени их проведения и получение более достоверных результатов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к испытаниям гидравлических машин и, в частности к конструкциям экспериментальных стендов для проведения испытаний газосепараторов, используемых в погружных электронасосных агрегатах для добычи нефти из скважин.

Известен стенд для испытания газосепараторов, посредством которого может быть реализован способ, заключающийся в откачке жидкости из накопительной емкости, нагнетании ее насосом, эжектировании газа струйным аппаратом, подаче в нагнетательную линию образующейся дисперсной газожидкостной смеси (ГЖС), последующей ее сепарации, поступлении жидкости обратно в накопительную емкость и плавном регулировании расходов и давлении (см. описание к авторскому свидетельству СССР №152918, кл. F04D 15/00, 1989 г.). При этом стенд состоит из накопительной емкости, с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, насоса, системы подготовки ГЖС с источником газа, выполненную в виде струйного аппарата, контрольно-измерительной аппаратуры и регулирующих элементов.

Способ, реализованный с помощью указанного стенда, не обеспечивает эффективного регулирования степени дисперсности газа в рабочей жидкости, а также не позволяет проводить испытания во всем спектре расходов газожидкостной смеси, необходимых для оценки работы газосепаратора совместно с погружным насосным агрегатом в условиях, близких к реальным условиям работы в скважине.

Наиболее близким техническим решением является способ испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним и стенд для его осуществления (описание к патенту RU №2075654, F04D 13/10 от 14.03.95).

В указанном патенте описан способ испытаний погружного центробежного газосепаратора, включающий в себя формирование газожидкостной смеси, подачу ее по нагнетательной линии в блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), сепарацию газожидкостной смеси испытуемым газосепаратором, поступление дегазированной жидкости в накопительную емкость, а отсепарированного газа в затрубное пространство БМВУ, плавное регулирование расходов и давлений газа и жидкости, дискретное изменение режимов сепарации, регулирование в процессе испытаний пенообразующих свойств циркулирующего объема газожидкостной смеси добавкой различных ПАВ и/или изменением их концентрации, определение входного, выходного и остаточного содержания свободного газа, расходов жидкости и газа на входе в БМВУ, и вычисление коэффициента сепарации и расходов жидкости и газа в соответствующих выходных линиях БМВУ.

В патенте представлен также стенд для реализации указанного способа, который состоит из накопительной емкости с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором с теплообменником, насоса, системы подготовки газожидкостной смеси, линий нагнетания и выходных линий жидкости и газа, контрольно-измерительных приборов, регулирующих элементов, блока моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), включающего в себя модель обсадной колонны (МОК), выполненной в виде скважины с возможностью размещения в ее внутренней полости с образованием затрубного пространства испытуемого газосепаратора, последовательно соединенного с насосом, причем забой МОК через регулирующие элементы сообщен с трубопроводом подачи газожидкостной смеси, устье – с выходом по жидкости, а затрубное пространство – с выходом по газу.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что в процессе испытаний, дегазированная жидкость, поступающая после сепарации в затрубное пространство БМВУ через выходные газовые отверстия газосепаратора может вновь попадать на прием испытуемого газосепаратора. При этом нисходящий поток жидкости увлекает отсепарированный газосепаратором газ и тот повторно поступает в газосепартор. Обычно это происходит при сепарации газожидкостной смеси, поступающей в БМВУ, с газосодержанием до 0,15-0,35% и зависит от модели испытуемого газосепаратора. В результате при одном и том же газосодержании ГЖС, подаваемой в БМВУ, газосодержание ГЖС, поступающей непосредственно в газосепаратор для различных моделей испытываемых газосепараторов будет различным. Это снижает точность и достоверность результатов проводимых испытаний.

Кроме того, замена элементов проточной части струйного аппарата, которую необходимо проводить в ходе эксперимента для изменения режимов работы, существенно усложняет процесс испытаний и увеличивает время их проведения.

Кроме того, размещение теплообменного аппарата внутри накопительной емкости приводит к инерционности процесса охлаждения циркулирующей жидкости, что так же увеличивает время проведения испытаний, поскольку в этом случае приходиться изменять температуру всего объема жидкости, находящейся в емкости.

Задачей изобретения является упрощение процесса испытаний, сокращение времени проведения испытаний, а также получение более достоверных и точных результатов испытаний.

Поставленная задача осуществляется за счет того, что в способе испытания центробежного газосепаратора к погружному насосу, заключающемся в подаче жидкости и газа в смесительное устройство, формировании газожидкостной смеси (ГЖС), подаче ГЖС по нагнетательной линии в блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), сепарации газожидкостной смеси испытуемым газосепаратором, поступлении дегазированной жидкости в накопительную емкость, а отсепарированного газа в затрубное пространство БМВУ, регулировании расходов и давлений газа и жидкости, дискретном изменении режимов сепарации, регулировании в процессе испытаний пенообразующих свойств циркулирующего объема газожидкостной смеси добавкой различных ПАВ и/или изменением их концентрации, определении входного, выходного и остаточного содержания свободного газа, расходов жидкости и газа на входе в БМВУ, и вычислении коэффициента сепарации и расходов жидкости и газа в соответствующих выходных линиях БМВУ, согласно изобретению, сепарацию газожидкостной смеси испытуемым газосепаратором осуществляют при постоянном расходе жидкости, обеспечивая подачу газожидкостной смеси, поступающей в БМВУ, в количестве, превышающем максимальный расход насоса на 10-100%,не допуская тем самым возникновения нисходящего потока жидкости в затрубном пространстве БМВУ, при этом поддерживают равенство содержания газа в газожидкостной смеси, поступающей в газосепаратор и БМВУ, путем создания постоянно восходящего потока газожидкостной смеси в затрубном пространстве.

Кроме того, при формировании газожидкостной смеси осуществляют гашение пульсаций давлений газа, поступающего в смесительное устройство.

Кроме того, в процессе испытаний задают и постоянно поддерживают заданный уровень температуры жидкости непосредственно в линиях нагнетания, например, с помощью теплообменного аппарата.

Кроме этого при проведении испытаний плавно регулируют частоту вращения вала испытуемого газосепаратора до 1200 об/мин.

Предложенный способ реализован с помощью стенда для испытаний центробежных газосепараторов, содержащего накопительную емкость с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, теплообменный аппарат, насосы для нагнетания рабочей жидкости, систему подготовки газожидкостной смеси с источником газа, контрольно-измерительные приборы и регулирующие органы, включенные в линии нагнетания жидкости и газа и в выходные линии по жидкости и газу, мерную емкость, блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), включающий в себя модель обсадной колонны для размещения, соединенных между собой, испытуемого газосепаратора, насоса и электродвигателя с образованием затрубного пространства, согласно изобретению, в затрубном пространстве БМВУ в зоне входных отверстий испытуемого газосепаратора установлен датчик давления, внутри мерной емкости размещены пеногаситель и датчик уровня пены, причем пеногаситель соединен через регулирующий орган с линией сброса ГЖС из затрубного пространства БМВУ и состоит из цилиндрического корпуса, боковая поверхность которого перфорирована, а внутри корпуса с заданным шагом перпендикулярно оси пеногасителя размещены сетчатые элементы, датчик уровня пены установлен с возможностью переключения потока ГЖС в зависимости от уровня пены в мерной емкости в гравитационный газожидкостной сепаратор, при этом к линии сброса газа из мерной емкости подключены манометр, термометр и расходомер.

Кроме того, в линию подвода газа системы подготовки ГЖС перед смесительным устройством установлена буферная емкость, а к линии подвода жидкости подключен теплообменный аппарат,

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема стенда испытания центробежного газосепаратора к погружному насосу, на фиг.2 – продольный разрез пеногасителя, а на фиг.3 – поперечный разрез пеногасителя по А-А.

Стенд содержит накопительную емкость 1 с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором 2, смесительное устройство 3, блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ) 4, включающий входную камеру 5 и модель обсадной колонны 6. Внутри обсадной колонны 6 размещены соединенные между собой испытуемый газосепаратор 7 и погружной насос 8, которые образуют совместно с внутренней стенкой модели обсадной колонны 6 затрубное пространство 9. Линия подвода жидкости в смесительное устройство 3 включает подпорные насосы 10 и 11, запорный вентиль 12, регулирующий элемент 13, теплообменный аппарат 14, расходомер 15 и манометр 16. Подвод газа в смесительное устройство 3 осуществляется по линии, включающей буферную емкость 17, расходомер 18, регулирующий орган 19, мановакууметр 20 и термометр 21.

Газожидкостная смесь из смесительного устройства 3 может поступать как во входную камеру 5 МБВУ 4, так и в гравитационный газожидкостной сепаратор 2 через запорный орган 22. Параметры газожидкостной смеси в БМВУ контролируются датчиком давления 23 и датчиком температуры 24. При этом датчик давления 23 расположен в зоне входных отверстий 25 газосепаратора 7. Сбрасываемая газожидкостная смесь из обсадной колонны 6 БМВУ через регулирующий орган 26 и в зависимости от положения регулирующего органа 27 поступает или в мерную емкость 28, или в гравитационный газожидкостной сепаратор 2. Мерная емкость 28 оснащена датчиком давления 29, сливным вентилем 30, устройством 31, понижающим скорость нисходящего потока ГЖС и датчиком уровня 32, включенного в линию сброса газа, которая оборудована манометром 33, термометром 34 и расходомером 35. Линия отвода дегазированной жидкости из насоса 8 включает в себя регулирующий орган 36, датчик температуры 37, датчик давления 38 и расходомер 39.

Испытуемый газосепаратор 7 совместно с погружным насосом 8 установлен на валу 40, который приводится во вращение с помощью электродвигателя 41 с преобразователем частоты.

Испытания газосепаратора на стенде проводят следующим образом. Испытуемый газосепаратор 7 совместно с погружным насосом 8 размещают внутри модели обсадной колонны 6 с образованием затрубного пространства 9. Рабочую жидкость из накопительной емкости 1 через открытый запорный вентиль 12 направляют в низконапорный насос 10 и далее через теплообменный аппарат 14, обеспечивающий подготовку рабочей жидкости с заданной температурой, в подпорный центробежный насос 11. С помощью регулирующего органа 13 или изменением частоты вращения вала подпорного центробежного насоса 11 устанавливают заданные значения давления и расхода рабочей жидкости. Контроль параметров рабочей жидкости осуществляют с помощью манометра 16 и расходомера 15. Из подпорного насоса 11 рабочая жидкость поступает в смесительное устройство 3. В смесительное устройство 3 из атмосферы или любого другого источника поступает газ по линии подвода газа, в которую включены расходомер 18, буферная емкость 17 и регулирующий орган 19. Давление газа в линии подвода контролируется мановакууметром 20, а температура – термометром 21. Буферная емкость 17 обеспечивает гашение пульсаций давления газа, генерируемых расходомером 18 перед поступлением в смесительное устройство 3. Приготовленная в смесительном устройстве 3 газожидкостная смесь поступает во входную камеру 5 БМВУ 4 или через запорный орган 22 в гравитационный жидкостной сепаратор 2. Запорный орган 22 используется только при запуске стенда, а в ходе испытаний находится в закрытом положении. При работе газосепаратора 7 с погружным насосом 8 после запуска электродвигателя 41, ГЖС из входной камеры 5 заполняет затрубное пространство 9 БМВУ 4. Заданное значение давления ГЖС на входе в испытуемый газосепаратор 7 устанавливается регулирующим органом 26 и контролируется датчиком 23. При этом одна часть ГЖС будет поступать в испытуемый газосепаратор 7 через входные отверстия 25, а другая часть ГЖС будет подниматься по затрубному пространству 9 вверх. В процессе сепарации принудительно выделенный свободный газ выходит из газосепаратора 7 через выпускные газовые отверстия 42. В зависимости от соотношения частей ГЖС, поступившей в газосеператор 7 и оставшейся в затрубном пространстве, под воздействием отсепарированного газа, выходящего из выходных отверстий 42 испытуемого газосепаратора 7, в затрубном пространстве 9 может возникнуть нисходящий поток рабочей жидкости. Появление нисходящего потока жидкости приводит к неопределенности величины газосодержания в ГЖС на входе газосепаратора 7. Для исключения нисходящего потока жидкости в затрубном пространстве 9 во входную камеру 5 БМВУ 4 с помощью расходомера 15 подают ГЖС в количестве, которое превышает на 10-100% максимальный расход насоса 8. Это позволяет поддерживать постоянный восходящий поток ГЖС в затрубном пространстве. Далее из газосепаратора 7 основная часть жидкости с остаточным газосодержанием В_ост поступает в насос 8, а другая ее часть сбрасывается в затрубное пространство 9. Температуру ГЖС в затрубном пространстве 9 контролируют датчиком 24. С выхода насоса 8 жидкость с остаточным газосодержанием, проходя по линии сброса, снабженной датчиком температуры 37, датчиком давления 38 и расходомером 39, через регулирующий орган 36 поступает в гравитационный газосепаратор 2. В гравитационном газосепараторе 2 происходит окончательное отделение жидкости от газа, после чего жидкость возвращается в накопительную емкость 1, а газ – в атмосферу.

Одновременно из затрубного пространства 9 БМВУ 4 в зависимости от положения регулирующих органов 26 и 27 газожидкостная смесь поступает либо в гравитационный газосепаратор 2, либо в мерную емкость 28. При этом в процессе переключения направлений потока ГЖС суммарное гидравлическое сопротивление линии сброса ГЖС не изменяется за счет соответствующего выбора геометрических параметров участка линии (диаметра и длины канала) между автоматическим регулирующим органом 27 и гравитационным газосепаратором 2. Это обеспечивает постоянство давления на входе в газосепаратор 7.

В мерной емкости 28 производят измерение расходов жидкости и газа, поступающих в затрубное пространство 9 БМВУ 4. Для этого мерная емкость снабжена пеногасителем 31, состоящим из цилиндрического корпуса 43 (фиг.2), выполненного с перфорированной боковой поверхностью, причем отверстия 44 перфорации равномерно распределены по боковой поверхности. Внутри цилиндрического корпуса 43, перпендикулярно оси пеногасителя, с заданным шагом S размещены сетчатые элементы 45. Выполнение боковой поверхности пеногасителя 31 перфорированной, а также наличие сетчатых элементов 45 обеспечивает снижение скорости нисходящего потока ГЖС, поступающего через пеногаситель 31 в мерную емкость 28, и позволяет ускорить процесс дегазации ГЖС внутри пеногасителя и по наружной его поверхности. В результате постоянной дегазации ГЖС, происходящей в мерной емкости 28, свободный газ поступает в линию отвода газа с расходомером 35, манометром 33 и термометром 34. С помощью датчика уровня 32 предотвращается возможность проникновения жидкой фазы (пены) в расходомер 35 и, в зависимости от уровня пены, выдается сигнал на регулирующий орган 27, переключающий поток ГЖС в гравитационный газосепаратор 2. Объем сброшенной дегазированной жидкости определяют с помощью датчика давления 29, установленного в мерной емкости 28, который формирует сигнал для вторичных приборов, показывающих объем за контрольный промежуток времени. Удаление ГЖС из мерной емкости 28 осуществляется через сливной клапан 30.

Использование указанных устройств позволяет повысить точность определения расходов жидкости и газа и сократить время измерений.

Процесс проведения испытания газосепаратора включает в себя серию экспериментов. Количество серий экспериментов соответствует количеству заданных значений расходов жидкости через насос 8. При каждом заданном расходе жидкости испытание газосепаратора 7 начинается при закрытом регулирующем органе 19, т.е. без подачи воздуха на вход газосепаратора. Далее по разнице показаний расходомеров 15 и 39 определяют требуемую для проведения испытания величину расхода жидкости через затрубное пространство 9 БМВУ 4. Затем с помощью регулирующего органа 26 устанавливают необходимое абсолютное давление на входе в газосепаратор 7, а с помощью регулирующего органа 19 производят дискретное изменение порции газа в ГЖС, поступающей из смесителя 3 на вход 5 БМВУ 4.

По показаниям контрольно-измерительных приборов, с учетом измеренных давления и температуры ГЖС и свободного газа, для каждого режима сепарации определяют значения объемного расхода газа Q_г и жидкости Q_ж, подаваемых на вход БМВУ 4, объемного расхода отсепарированного газа Q_г.сеп и дегазированной жидкости Q_ж.дег на выходе из затрубного пространства 9. Затем по известным формулам вычисляют газосодержание ГЖС, подаваемой во входную камеру 5 на входе БМВУ В_{вх.БМВУ}, объмный расход газа Q_г.ост, оставшейся в жидкости с объемным расходом Q_ж.н, прошедшей через погружной насос 8, остаточное газосодержание В_ост. в этой жидкости, коэффициент сепарации БМВУ К_{с БМВУ} и приведенный коэффициент сепарации газосепаратора К_с.пр

В_{вх.БМВУ}=Q_г/(Q_г+Q_ж), B_ост=Q_г.ост/(Q_г.ост+Q_ж.н), K_c.БМВУ=Q_г.сеп/Q_г,

К_с.пр=(В_{вх.БМВУ}-В_ост)/[В_{вх.БМВУ}×(1-В_ост)].

Зависимости максимально допустимых значений газосодержания на входе в БМВУ от подачи рабочей жидкости при фиксированном значении остаточного газосодержания, полученные в результате проведенных испытаний, могут быть представлены графически или в виде таблицы.

Формула изобретения

1. Способ испытания погружного центробежного газосепартора, включающий в себя формирование газожидкостной смеси, подачу ее по нагнетательной линии в блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), сепарацию газожидкостной смеси испытуемым газосепаратором, поступление дегазированной жидкости в накопительную емкость, а отсепарированного газа в затрубное пространство БМВУ, плавное регулирование расходов и давлений газа и жидкости, дискретное изменение режимов сепарации, регулирование в процессе испытаний пенообразующих свойств циркулирующего объема газожидкостной смеси добавкой различных ПАВ и/или изменением их концентрации, определение входного, выходного и остаточного содержания свободного газа, расходов жидкости и газа на входе в БМВУ, и вычисление коэффициента сепарации и расходов жидкости и газа в соответствующих выходных линиях БМВУ, отличающийся тем, что сепарацию газожидкостной смеси испытуемым газосепаратором осуществляют при постоянном расходе жидкости, обеспечивая подачу газожидкостной смеси, поступающей в БМВУ, в количестве, превышающем максимальный расход насоса на 10-100%, не допуская тем самым возникновения нисходящего потока жидкости в затрубном пространстве БМВУ, при этом поддерживают постоянное содержание газа в газожидкостной смеси, поступающей в газосепаратор и БМВУ, путем создания восходящего потока газожидкостной смеси в затрубном пространстве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании газожидкостной смеси осуществляют гашение пульсации давлений газа, поступающего в смесительное устройство.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе проведения испытаний задают и постоянно поддерживают заданный уровень температуры жидкости в линиях нагнетания, например, с помощью теплообменного аппарата.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении испытаний плавно регулируют частоту вращения вала испытуемого газосепаратора в пределах до 1200 об/мин.

5. Стенд для испытания погружного центробежного газосепаратора, содержащий накопительную емкость с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, теплообменный аппарат, насосы для нагнетания рабочей жидкости, систему подготовки газожидкостной смеси с источником газа, контрольно-измерительные приборы и регулирующие органы, включенные в линии нагнетания жидкости и газа и в выходные линии по жидкости и газу, мерную емкость, блок моделирования внутрискважинных условий (БМВУ), включающий в себя модель обсадной колонны для размещения, соединенных между собой, испытуемого газосепаратора, насоса и электродвигателя с образованием затрубного пространства, отличающийся тем, что в затрубном пространстве БМВУ в зоне входных отверстий испытуемого газосепаратора установлен датчик давления, внутри мерной емкости размещены пеногаситель и датчик уровня пены, причем пеногаситель соединен через регулирующий орган с линией сброса ГЖС из затрубного пространства БМВУ и состоит из цилиндрического корпуса, боковая поверхность которого перфорирована, а внутри корпуса с заданным шагом перпендикулярно его оси размещены сетчатые элементы, датчик уровня пены установлен с возможностью переключения потока ГЖС в гравитационный газожидкостной сепаратор в зависимости от уровня пены в мерной емкости, при этом к линии сброса газа из мерной емкости подключены манометр, термометр и расходомер.

6. Стенд по п.5, отличающийся тем, что в линию подвода газа системы подготовки ГЖС перед смесительным устройством установлена буферная емкость.

7. Стенд по п.5, отличающийся тем, что теплообменный аппарат подключен к линии подвода жидкости.

8. Стенд по п.5, отличающийся тем, что в качестве электродвигателя испытуемого газосепаратора использован электродвигатель с частотным преобразователем, обеспечивающий увеличение частоты вращения вала до 1200 об/мин.

РИСУНКИ