Результат интеллектуальной деятельности: Стенд для испытания газосепараторов погружных нефтяных насосов в условиях повышенного газосодержания

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 с датой приоритета от 25.08.87). 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 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 широким диапазоном пузырьков газа различного диаметра (и, соответственно, объема), 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 обеспечение таких условий проведения испытаний газосепараторов, которые максимально приближены к реальным условиям работы установок в скважине.

Техническими результатами являются создание условий испытаний, соответствующих реальным условиям в скважине, обеспечение более достоверных результатов испытаний.

Указанная задача и результаты достигаются тем, что стенд для испытания газосепараторов погружных нефтяных насосов в условиях повышенного газосодержания 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 по жидкости и по газу соответственно в виде патрубков, а внутри модели обсадной колонны, образуя кольцевое затрубное пространство, размещены газосепаратор и насос, при этом выходной участок затрубного пространства модели обсадной колонны, расположенный выше газоотводящих отверстий газосепаратора, выполнен с большей площадью поперечного сечения проточной части относительно площади поперечного сечения основного участка, расположенного ниже, более чем на 10%.

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 с поддержанием постоянного уровня жидкости в расширенном участке затрубного пространства, при этом испытуемым объектом является газосепаратор и насос, а для привода испытуемого объекта используется стендовый электродвигатель.

Стенд для испытаний газосепараторов 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. Второй вход стендового диспергатора 5 подсоединен к линии нагнетания газа 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 16. Выход 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 выходным участком 20. Выход 35 из модели обсадной колонны 6 по дегазированной жидкости от испытуемого газосепаратора 1и насоса 25 связан через регулирующий элемент - управляемый кран 21 - с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. Давление жидкости на входе в модель обсадной колонны 6 контролируется манометром 22, на выходе - манометром 23, температура жидкости на входе измеряется термометром 24.

Внутренняя полость модели обсадной колонны 6 предназначена для размещения испытуемого газосепаратора 1 и секции 25 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. Выходной участок 20 затрубного пространства модели обсадной колонны 6 расположен выше газоотводящих отверстий 18 газосепаратора 1 и выполнен с площадью поперечного сечения проточной части, превышающей более чем на 10% площадь поперечного сечения проточной части основного участка кольцевого затрубного пространства 19.

Выходной участок 20 модели 6 обсадной колонны, в котором находится газ (воздух), через расходомер 26 соединяется с атмосферой. Для реализации режима испытаний с поддержанием постоянного уровня жидкости в верхней части выходного участка 20 к нему присоединяются или манометры 27г и 27ж с электрическим выходом, или датчики давления. На входе в расходомер 26 устанавливаются манометр 28 и термометр 29.

При реализации режима испытаний с восходящим потоком жидкости в кольцевом зазоре узкой части затрубного пространства верхняя часть модели 6 обсадной колонны по газу через управляемый кран 30 соединяется с верхней частью мерного бака 31, эта же верхняя часть соединяется с газовым расходомером 26, на входе которого устанавливаются термометр 29 и манометр 28. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 30 и трубопровод 32 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. На установившемся режиме испытания (одном режиме из заданных) при выполнении команды «Замер» двухходовой кран 30 переводится во второе положение. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 30, трубопровод 33, мерный бак 31 и расходомер 26 с атмосферой. Для измерения давления и температуры в выходной трубе перед расходомером 26 установлены манометр 28 и термометр 29.

Испытуемый газосепаратор 1 имеет привод либо от погружного электродвигателя (не показан), либо от внешнего стендового электродвигателя 36. Диспергатор 5 имеет привод от электродвигателя 34.

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 36 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 21 направляется в гравитационный газожидкостной сепаратор 3 и далее в накопительную емкость 2. Показания от манометров 27г и 27ж в виде электрических импульсов направляются в измерительный блок (не показан) и блок управления (не показан). Управляющий импульс из блока управления направляется на управляемый кран 21, обеспечивающий поддержание постоянного уровня жидкости верхней части выходного участка 20 модели обсадной колонны 6. Верхняя часть модели обсадной колонны 6, заполняемая как отсепарированным, так и прошедшим мимо газосепаратора газом, соединяется по газу через управляемый двухходовой кран 30 и трубопровод 32 с гравитационным газожидкостным сепаратором 3. На установившемся режиме испытания (одном режиме из заданных) при выполнении команды «Замер» двухходовой кран 30 переводится во второе положение. Верхняя часть 20 модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, соединяется через управляемый двухходовой кран 30, трубопровод 33, мерный бак 31 и расходомер 26 с атмосферой. При этом к линии отвода газа подсоединяются контрольно-измерительные приборы - манометр 28 и термометр 29. При проведении испытаний жидкость, увлекаемая газом, в том числе в виде пены, попадает в мерный бак 31, 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 20 модели обсадной колонны 6, в которой собирается отсепарированный газ (воздух) с частью жидкости, выполнена с большей более чем на 10% площадью поперечного сечения проточной части относительно площади поперечного сечения основного участка, расположенного ниже, в ней отсутствует восходящий поток жидкости. Жидкость остается неподвижной, и пузырьки газа успевают подняться вверх, уровень жидкости и возникающей пены стабилизируется. Таким образом, реализуются условия эксплуатации скважин, имеющие место в реальных условиях и оказывающие влияние на работу газосепаратора. 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, 26 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_{г сеп} и объемного расхода дегазированной жидкости - Q_{ж дег}. Затем вычисляют газосодержание рабочей жидкости, подаваемой в модель обсадной колонны β_вх, коэффициент сепарации Кс и остаточное газосодержание β_ост исходя из соотношений:

; ;

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