Результат интеллектуальной деятельности: СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГАЗОСЕПАРАТОРОВ К ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫМ АГРЕГАТАМ

Изобретение относится к испытаниям гидравлических машин и, в частности, к испытаниям газосепараторов, используемых в погружных электронасосных агрегатах для добычи из скважин нефти с высоким газосодержанием.

Известен стенд, состоящий из накопительной емкости с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, насоса, системы подготовки газожидкостной смеси с источником газа, контрольно-измерительной аппаратуры и регулирующих элементов (А.с. СССР, №1521918, кл. F04D 15/00, 1989 г.). Технология испытаний на известном стенде включает откачку жидкости из накопительной емкости, нагнетание ее насосом, эжектирование газа струйным аппаратом, подачу в нагнетательную линию образующейся дисперсной газожидкостной смеси, последующую ее сепарацию, поступление жидкости обратно в накопительную емкость и плавное регулирование расходов и давлений.

Однако известный стенд не обеспечивает создания условий, приближенных к реальным условиям работы газосепаратора в скважине совместно с погружным электронасосным агрегатом.

Наиболее близким техническим решением является стенд для испытаний гидравлических машин и электродвигателей к ним (описание к патенту RU №2075654, F04D 13/10 от 14.03.95). Известный стенд содержит накопительную емкость с подключенным к ней гравитационным газожидкостным сепаратором, подпорный насос, систему подготовки газожидкостной смеси с источником газа, контрольно-измерительную аппаратуру и регулирующие элементы, блок моделирования внутрискважинных условий для размещения испытуемых гидравлических машин и электродвигателей к ним. Блок моделирования внутрискважинных условий включает в себя модель обсадной колонны, выполненную в виде полого цилиндра. Модель обсадной колонны имеет вход газожидкостной смеси и выходы по жидкости и по газу соответственно, выполненные в виде патрубков. Внутри модели обсадной колонны, образуя кольцевое затрубное пространство, могут быть размещены погружной электродвигатель (ПЭД) и насос; и/или ПЭД и газосепаратор; и/или ПЭД, газосепаратор и насос; и/или газосепаратор и насос.

Однако в известном стенде не обеспечивается получение газожидкостной смеси с различным средним диаметром пузырьков газа, что имеет место в реальных условиях эксплуатации скважин и оказывает влияние на работу газосепаратора. Поскольку в известном стенде проточная часть между моделью обсадной колонны и газосепаратором представляет собой узкий кольцевой зазор, то в нем затруднена естественная сепарация пузырьков газа и жидкости из-за большой скорости потока газожидкостной смеси. При работе погружного насоса с газосепаратором в большинстве реальных скважин в их затрубном пространстве восходящий поток жидкости отсутствует, пузырьки газа поднимаются вверх в неподвижной жидкости, а уровень жидкости и возникающей пены стабилизируется. Таким образом, наличие восходящего потока жидкости во внутренней полости модели обсадной колонны известного стенда не отражает условий работы испытуемого газосепаратора, преобладающих в реальности.

Задачей изобретения является создание стенда для испытания газосепараторов к погружным электронасосным агрегатам, максимально имитирующего реальные условия работы установок в скважине и обеспечивающего повышение точности измерения объема отсепарированного газа.

Данная задача достигается за счет того, что стенд содержит накопительную емкость с гидравлически сопряженными с ней стендовым гравитационным газожидкостным сепаратором, подпорный насос, систему приготовления газожидкостной смеси с источником газа, блок моделирования внутрискважинных условий для размещения испытуемых гидравлических машин и электродвигателей к ним, причем блок моделирования внутрискважинных условий включает в себя модель обсадной колонны, имеющую вход для газожидкостной смеси и выходы для жидкости и для газа соответственно в виде патрубков, а внутри модели обсадной колонны, образуя кольцевое затрубное пространство, размещены газосепаратор и насос, и при этом выходной участок затрубного пространства модели обсадной колонны, расположенный выше газоотводящих отверстий газосепаратора, выполнен в виде дополнительного бака с большей (более чем на 10%) площадью поперечного сечения проточной части бака относительно площади поперечного сечения основного участка, расположенного ниже (другими словами, площадь поперечного сечения проточной части дополнительного бака более чем на 10% превосходит площадь поперечного сечения основного участка, расположенного ниже), при этом нижняя часть дополнительного бака гидравлически связана трубопроводом с площадью сечения не менее площади сечения кольцевого затрубного пространства с верхним участком затрубного пространства, расположенным выше газоотводящих отверстий газосепаратора.

Для интенсификации газоотделения в дополнительном баке может быть размещено винтовое устройство с приводом от наружного электродвигателя и кольцевая разделительная перегородка для разделения жидкостного объема от газового.

Для поддержания постоянным перепада давления на кольцевой разделительной перегородке на дополнительном баке могут быть установлены манометры с электрическим выходом или датчики давления (например, два манометра или два датчика). Показания от манометров (или от датчиков давления) в виде электрических импульсов направляются в измерительный блок (не показан) и блок управления (не показан). Управляющий импульс из блока управления направляется на управляемый кран, обеспечивающий поддержание постоянного перепада давления на кольцевой разделительной перегородке дополнительного бака.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность проведения испытаний газосепараторов к погружным электронасосным агрегатам в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы установок в скважине, с повышенной точностью измерения объема отсепарированного газа.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема стенда для испытаний газосепараторов и сопряженного с ним оборудования, реализующая модель обсадной колонны с расширенным выходным участком затрубного пространства в виде дополнительного бака с большей более чем на 10% площадью поперечного сечения проточной части относительно площади поперечного сечения основного участка, расположенного ниже, при этом испытуемым объектом является газосепаратор и насос, а для привода испытуемого объекта используется стендовый электродвигатель.

Стенд для испытаний газосепараторов 1 содержит накопительную емкость 2 с подключенным к ней сверху гравитационным газожидкостным сепаратором 3, подпорный насос 4, стендовый роторный диспергатор 5 и модель обсадной колонны 6. Накопительная емкость 2 через кран 7 подсоединена к подпорному насосу 4, который в свою очередь через регулирующий элемент - дистанционно управляемый кран 8 - подключен к первому входу стендового роторного диспергатора 5. Линия нагнетания газа подсоединена ко второму входу стендового диспергатора 5 через регулирующий элемент - управляемый кран 9.

При этом в линию нагнетания жидкости включены расходомер 10, термометр 11 и манометр 12, а в линию нагнетания газа включены расходомер 13, термометр 14 и манометр 15, а также редуктор 27. В линию нагнетания ГЖС включены термометр 41 и манометр 42. Выход 16 стендового диспергатора 5 подсоединен к блоку моделирования внутрискважинных условий, представляющему собой модель обсадной колонны 6 с входной камерой 17. Во внутренней полости модели обсадной колонны 6 при установке испытуемого газосепаратора 1 с газоотводящими отверстиями 18 образуется кольцевое затрубное пространство с основным участком 19 и дополнительным баком 20, расположенным выше газоотводящих отверстий 18. Выход 21 из модели обсадной колонны 6 по дегазированной жидкости от испытуемого газосепаратора 1 и насоса 22 гидравлически связан через регулирующий элемент - управляемый кран 23 - с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. Давление жидкости на входе в модель обсадной колонны 6 контролируется манометром 24, на выходе - манометром 25, температура жидкости на входе измеряется термометром 26.

Внутренняя полость модели обсадной колонны 6 предназначена для размещения испытуемого газосепаратора 1 и секции 22 погружного насоса, соединенных между собой. Испытуемый газосепаратор 1 размещен внутри модели обсадной колонны 6 таким образом, что газоотводящие отверстия 18 газосепаратора 1 расположены на основном участке кольцевого затрубного пространства 19 и имеют выход в зону, заполняемую газожидкостной смесью. Нижняя часть бака 20 гидравлически связана трубопроводом 28 с верхним участком затрубного пространства, расположенным выше газоотводящих отверстий газосепаратора, причем трубопровод 28 имеет площадь сечения не менее площади сечения кольцевого затрубного пространства 19. Дополнительный бак 20, расположенный выше газоотводящих отверстий 18 газосепаратора 1, выполнен с площадью поперечного сечения проточной части, превышающей более чем на 10% площадь поперечного сечения проточной части основного участка кольцевого затрубного пространства 19. Для интенсификации газоотделения в дополнительном баке 20 размещены винтовое устройство 39 с приводом от наружного электродвигателя 40 и кольцевая разделительная перегородка 30 для отделения жидкостного объема от газового.

Выходной участок дополнительного бака 20, в котором находится газ (воздух), при переходных режимах испытаний соединен через двухходовой кран 34 и трубопровод 35 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. На установившемся режиме испытания (одном режиме из заданных) при выполнении команды «Замер» (команды на измерение) двухходовой кран 34 переводится во второе положение. Верхняя часть дополнительного бака 20, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 34, трубопровод 36, мерный бак 37 и расходомер 29 с атмосферой. Для реализации режима испытаний с поддержанием постоянного перепада давления ΔP=P_жид-P_газ на кольцевой разделительной перегородке 30 дополнительного бака 20 в нем установлены или манометры 31ж, 31г с электрическим выходом, или датчики давления. Показания от манометров 31ж, 31г в виде электрических импульсов направляются в измерительный блок (не показан) и блок управления (не показан). Управляющий импульс из блока управления направляется на управляемый кран 23, обеспечивающий поддержание постоянного перепада давления на кольцевой разделительной перегородке 30 дополнительного бака 20. Для измерения давления и температуры в выходной трубе перед расходомером 29 установлены манометр 32 и термометр 33. Вал испытуемого газосепаратора 1 приводится во вращение либо от погружного электродвигателя (не показан), либо от внешнего стендового электродвигателя 38.

Под термином «двухходовой кран» для целей настоящего патента понимается устройство, также именуемое двухпозиционным краном, двухлинейным распределителем, двухпутевым гидрораспределителем, то есть кран (распределительное устройство), который способен выбирать (задавать) направление течения жидкости (смеси), проходящей через него, в ту или иную трубу (то или иное ответвление потока).

Газосепараторы на стенде испытываются следующим образом.

После запуска подпорного насоса 4 и стендового роторного диспергатора 5 газожидкостная смесь (ГЖС) подводится через входную камеру 17 в модель обсадной колонны 6 блока моделирования внутрискважинных условий. С помощью электродвигателя 38 запускается испытуемый газосепаратор 1, который разделяет газожидкостную смесь на дегазированную жидкость и отсепарированный газ. Отсепарированный газ через газоотводящие отверстия 18 газосепаратора 1 отводится в затрубное пространство 19, а дегазированная жидкость через управляемый кран 23 направляется в гравитационный газожидкостной сепаратор 3 и далее в накопительную емкость 2. При помощи наружного электродвигателя 40 запускается винтовое устройство 39, предназначенное для интенсификации газоотделения в дополнительном баке 20.

Показания от манометров 31г и 31ж в виде электрических импульсов направляются в измерительный блок (не показан) и блок управления (не показан). Управляющий импульс из блока управления направляется на управляемый кран 23, обеспечивающий поддержание постоянного перепада давления ΔP=P_жид-P_газ на кольцевой разделительной перегородке 30.

При проведении испытаний жидкость, увлекаемая газом, в том числе в виде пены, попадает в мерный бак 37, где после осаждения пены производят замер объемного расхода жидкости. Изменение режима испытаний - подачи жидкости через испытуемый газосепаратор - производится с помощью дистанционно управляемого крана 8.

Благодаря тому, что верхняя часть модели обсадной колонны 6 выполнена в виде дополнительного бака 20, в котором собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости и который выполнен с большей, более чем на 10%, площадью поперечного сечения проточной части, чем площадь поперечного сечения основного участка 19, в баке 20 отсутствует восходящий поток жидкости. Винтовое устройство 39 интенсифицирует газоотделение в дополнительном баке 20. Таким образом, реализуются не только условия эксплуатации скважин, имеющие место в реальных условиях, но и повышается точность измерения объема Q_гсеп отсепарированного газа. Результаты испытаний, получаемые на стенде, более соответствуют реальным условиям в скважине и являются более достоверными.

При установившемся режиме процесса сепарации при помощи расходомеров 10, 13, 29 с учетом показаний контрольных манометров и термометров определяют значения объемного расхода газа Q_г, объемного расхода жидкости Q_ж, подаваемых на вход в модель обсадной колонны, объемного расхода отсепарированного газа Q_гсеп и объемного расхода дегазированной жидкости Q_ждег. Затем вычисляют газосодержание рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны β_вх, коэффициент сепарации K_с и остаточное газосодержание β_ост исходя из соотношений

; ;

Параметры β_вх, K_c и β_ост характеризуют потребительские свойства газосепараторов, их совершенство. Чем выше β_вх и K_с, чем меньше β_ост, тем совершеннее газосепаратор: