ГАЗОСЕПАРАТОР

Область применения изобретения

Данное изобретение относится к газосепаратору, а именно к газосепаратору, используемому в качестве линейного скважинного оборудования для нефтегазового бурения и обслуживания скважин.

Предпосылки создания изобретения

Обзор уровня техники

Как описано в патенте США № 6138757 (Latos и др.), в нефтегазовой промышленности встречаются случаи, когда в скважину вместе с жидкостью нагнетается газ. В истощенных скважинах обслуживание обычно выполняется при помощи гибкого трубопровода с гидромониторными средствами с использованием текучих сред под давлением, как правило, азота и воды. Работа с отрицательным гидростатическим давлением со сжатыми текучими средами в стволе скважины снижает вероятность повреждения скважины и помогает транспортировать текучие среды и буровой шлам на поверхность. Когда азот и вода нагнетаются в виде двухфазной текучей среды, струя после выхода из сопла расширяется, что снижает ударное давление струи. Двухфазный поток в струйном сопле может также акустически дросселироваться, что ограничивает скорость истечения струи и ее эффективность. Кроме того, струя текучей среды быстро рассеивается в окружающей текучей среде, находящейся в стволе скважины. Все эти факторы в совокупности снижают эффективность двухфазной струи.

Отделение газа от потока текучей среды могло бы улучшить рабочие характеристики гидравлического бурения для эксплуатации скважины. Однофазная струя воды имеет более высокую плотность и давление торможения, нежели струя из смеси фаз, и поэтому была бы более эффективной, чем двухфазная струя. В условиях, при которых осуществляется эксплуатация нефтегазовых скважин, для обеспечения эффективного гидравлического бурения содержание газа в текучей среде, нагнетаемой из сепаратора, должно быть менее 1% по объему.

Окружение струи жидкости отделенным газом может снизить интенсивность рассеивания струи и увеличить ее дальнобойность. Для многих работ по эксплуатации скважин требуется, чтобы устройство гидравлического бурения проходило через систему труб малого диаметра и препятствия перед прохождением очистных систем труб большого диаметра, скважинного оборудования в оправках для закрепления инструмента или открытых стволов скважин; увеличение длины струи увеличит эффективность устройств гидравлического бурения для этих работ по сравнению с гидравлическим бурением однофазной жидкостной струей.

Использование напорной струи текучей среды с газосепаратором также повысит перепад давления и гидравлическую энергию струи путем понижения давления в скважине при промывке. Увеличение давления и мощности позволят осуществлять размывание более твердого материала, такого как минеральные солевые отложения, цемент и горные породы, в то время как увеличение мощности усилит интенсивность эрозии.

Эффективный газосепаратор может обеспечивать высокую производительность в относительно широком диапазоне содержания газовых фракций в подаваемой текучей среде. Обычно добавляется такое количество азота, которого достаточно для понижения забойного давления до 50% от гидростатического. При этих условиях объемная доля сжатого газа в потоке текучей среды в гибкой трубе составляет 20-60%. Объемная доля газа, входящего в сепаратор, может изменяться, по существу, во время однопроходной операции вследствие изменений давления и температуры при увеличении глубины погружения инструмента.

Указанный патент США № 6138757 описывает скважинный фазовый сепаратор для гибкого трубопровода малого диаметра, использующий принцип циклонного отделителя. Это устройство обеспечивает содержание газа менее 5% при начальном содержании газа в подводимой текучей среде 30-40%. В циклонных сепараторах используется закрутка потока текучей среды при помощи комплекта лопаток. Этот способ создает очень высокое радиальное ускорение, в результате чего возникают отделяющие силы. В устройствах малого диаметра высокая скорость потока создает силы перемешивания высокой турбулентности, которые превосходят по величине отделяющие силы и ограничивают эффективность процесса сепарации.

Роторные газосепараторы обычно используются при создании двухфазных текучих сред для устранения поступления газа в электрические погружные насосы. Роторный газосепаратор приводится в действие валом насоса и вращается со скоростью 3500 или 1750 об/мин в зависимости от типа электродвигателя и источника электроснабжения. Сепаратор включает в себя индуктор для повышения давления двухфазного потока, поступающего в сепаратор. Поток входит в лопаточную секцию с кольцом, где поток закручивается, и вода или нефть движется к периферии секции под действием центробежных сил. Кольцо вращается вместе с лопатками, тем самым снижая турбулентность в сепараторе. Нагнетательный коллектор в верхней части сепаратора направляет поток текучей среды к насосу, а поток газа - обратно в кольцевое пространство скважины. Заявленное содержание газа после сепарации составляет менее 10% для широкого диапазона расходов и величины относительного содержания газа и жидкости в потоке.

Линейные роторные газосепараторы также используются в трубопроводах для отделения малых объемов конденсата от потока газа. В сепараторах этого типа используется статор, предназначенный для направления закрученного потока в барабан, который имеет роторные лопатки, находящиеся в потоке газа. Ротор обеспечивает вращение барабана под действием течения потока. Этот тип сепаратора разработан с целью удаления всей жидкости из потока газа, в противоположность способу отделения малого количества газа от жидкости.

В патенте США № 4047580 (Yahiro и др.) раскрывается способ создания покрывающего слоя на затопленной струе, основанный на вводе сжатого воздуха через внешнее кольцевое пространство коаксиального струйного сопла. Воздушная оболочка струи увеличивает дальнобойность струи в четыре раза. Изготовление сопел с кольцевым каналом для газа достаточно трудоемко, особенно для гидравлического бурения потоком текучей среды под высоким давлением.

Общее описание изобретения

До сих пор существует потребность в линейном сепараторе для эффективного отделения газа от жидкости. Целью данного изобретения является удовлетворение этой потребности путем создания относительно простого, компактного сепаратора для отделения газа из газожидкостной смеси.

Другой целью изобретения является создание устройства, представляющего собой комбинацию сепаратора для отделения газа от жидкости и устройства для гидравлического бурения для внутрискважинных работ.

В соответствии с этим, изобретение относится к устройству для отделения газа от жидкости под давлением, содержащему

трубчатый корпус, имеющий входной и выходной концы,

статор, расположенный во входном конце корпуса и предназначенный для закручивания газосодержащей жидкости, подаваемой во входной конец корпуса,

барабан, установленный с возможностью вращения в указанном корпусе за статором в направлении потока жидкости между входным и выходным концами корпуса,

ротор, расположенный во входном конце барабана и служащий для приведения во вращение барабана в корпусе,

торцевую стенку, расположенную в заднем конце барабана по направлению протекания потока текучей среды через корпус,

отверстия для выпуска жидкости, расположенные по краям торцевой стенки и предназначенные для выпуска жидкости из барабана,

отверстие для выпуска газа, расположенное в центре торцевой стенки и предназначенное для выпуска газа из барабана,

выпускной канал для жидкости, расположенный в корпусе и служащий для приема жидкости из отверстия для выпуска жидкости и последующего выпуска жидкости из корпуса,

выпускной канал для газа, расположенный в корпусе и служащий для приема газа из отверстия для выпуска газа и последующего выпуска газа из корпуса,

первый элемент сужения потока, расположенный в выпускном канале для жидкости и предназначенный для сужения потока жидкости во время ее выпуска из устройства,

второй элемент сужения потока, расположенный в выпускном канале для газа и предназначенный для сужения потока газа во время его выпуска из устройства.

Согласно другому варианту выполнения, изобретение относится к способу гидравлического бурения, включающему этапы пропускания двухфазного потока текучей среды через устройство для гидравлического бурения, удаления газа из двухфазного потока текучей среды и получения, таким образом, газовой фазы и жидкой фазы, содержащей не более 1% газа по объему. В другом варианте выполнения, газовая фаза и жидкая фаза выпускаются из устройства, и при этом газовая фаза окружает выпускаемую струю жидкой фазы.

Согласно еще одному варианту выполнения, изобретение относится к способу нагнетания двухфазной текучей среды, содержащей газ и жидкость, в ствол скважины и отделения газовой фазы от жидкой фазы, в результате чего содержание газа в жидкой фазе составляет менее 1% по объему.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

фиг. 1 является схематическим продольным разрезом сепараторного устройства, скомбинированного с устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 2 является схематическим продольным разрезом второго варианта выполнения сепараторного устройства, скомбинированного с устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 3 является схематическим продольным разрезом сепараторного устройства, скомбинированного с роторным устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 4 является схематическим продольным разрезом второго варианта выполнения сепараторного устройства, скомбинированного с роторным устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 5 является схематическим продольным разрезом третьего варианта выполнения сепараторного устройства, скомбинированного с роторным устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 6 является схематическим продольным разрезом четвертого варианта выполнения сепараторного устройства, скомбинированного с роторным устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 7 является схематическим продольным разрезом пятого варианта выполнения сепараторного устройства, скомбинированного с роторным устройством для гидравлического бурения, в соответствии с данным изобретением;

фиг. 8 изображает вид с торца сепараторного устройства, скомбинированного с устройством для гидравлического бурения, показанного на фиг. 7;

фиг. 9 изображает вид в аксонометрии статора, используемого в устройстве, показанном на фиг. 7;

фиг. 10 изображает вид в аксонометрии ротора, используемого в устройстве, показанном на фиг. 7.

Описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

Согласно фиг. 1 предложенный сепаратор содержит удлиненный трубчатый корпус 1, содержащий вращающийся барабан 2. Газосодержащая жидкость подается во входной конец 3 корпуса 1 через отверстие малого диаметра 4. Жидкость проходит через конический конец 5 статора 6, который неподвижно закреплен в корпусе. Статор 6 имеет лопатки 7, соединенные с корпусом 1 и предназначенные для закручивания текучей среды, входящей в корпус 1. Закрученный поток вызывает вращение ротора 9. Ротор 9, связанный с барабаном 2, имеет прямые лопатки 10, расположенные параллельно оси барабана с обеспечением тангенциального потока текучей среды малой величины в барабане 2. Ротор 9 с возможностью вращения удерживается в статоре 6 подшипником 12. Движение потока текучей среды через ротор 9 вызывает вращение ротора и барабана 2.

К выходному концу корпуса 1 с возможностью вращения присоединена с помощью подшипника 14 торцевая стенка 25 барабана 2, которая имеет сужение. Подшипники 12 и 14 выполнены из материалов с низким коэффициентом трения и имеют малый диаметр, в целях ограничения момента вращения в опоре. Подшипник 14 представляет собой радиально-упорный подшипник, в то время как подшипник 12 является радиальным подшипником скольжения. Между задним концом барабана 2 и задним концом 16 корпуса 1 имеется бесконтактное уплотнение 15. Газ, содержащийся в жидкости, которая входит в барабан 1 через статор 6 и ротор 9, отделяется от смеси, проходящей через конический задний участок 18 ротора 9, центростремительным ускорением, которое вызывает перемещение жидкости 19 к внешней стороне барабана, а газа 20 - к оси барабана 2. Так как тангенциальная составляющая скорости потока мала, суммарная скорость потока минимальна, что минимизирует силы турбулентного перемешивания, противодействующие отделению газа.

В предпочтительном случае в роторе 9 имеется отверстие 21 выравнивания давления для продувки камеры 22 выравнивания давления между статором и ротором. Пониженное давление в камере 22 снижает осевую нагрузку, передаваемую вращающимся барабаном 2 на упорный подшипник 12. В барабане 2 вблизи его заднего конца также могут быть расположены отверстия 23. Отверстия 23 расположены в зоне низкоскоростного потока жидкости, которая находится под более высоким давлением, чем зона высокоскоростного потока между статором 6 и ротором 9. Отверстия 23 обеспечивают обратную циркуляцию текучей среды, которая противодействует протечкам газа через пространство между корпусом 1 и барабаном 2.

Жидкость 19 выпускается из барабана 2 через отверстия 24 по краям торцевой стенки 25 барабана 2. Отверстия 24 образуют пространство кольцевого сечения. Жидкость протекает через канал 26 в заднем конце 16 корпуса 1 к сужению в форме сопла 28. Газ выпускается через центральную проходящую в осевом направлении сифонную трубку 30, соединенную с задней торцевой стенкой 25 барабана 2, канал 31 и отверстие 32 в заднем конце 16 корпуса 1. Может иметься несколько отверстий для выпуска газа.

Отверстие для выпуска газа во входном участке канала 31 предпочтительно выполняется в виде звукового сопла, которое пропускает максимальный объемный расход газа, ожидаемый при данном действии. Специалистам в данной области техники известны уравнения газодинамики, по которым можно рассчитать требуемые размеры газового отверстия для заданного давления, температуры и расхода. Жидкостные сопла 28 имеют такие необходимые размеры, которые обеспечивают максимальную гидравлическую мощность струи, принимая во внимание потери давления от трения в трубопроводе. Если расход жидкости увеличивается, а составляющая газовых фракций уменьшается, перепад давления и расход через жидкостные сопла и газовые отверстия увеличиваются. Жидкость, поступающая в газовое отверстие, вызывает его закупоривание, что снижает пропускную способность для газа. Поэтому газовое отверстие обеспечивает простое и надежное средство ограничения потери жидкости из газосепаратора, сохраняя давление и гидравлическую энергию жидкостных струй благодаря уменьшению расхода газа.

Задний конец корпуса 1 в направлении потока текучей среды закрыт узлом 34 для гидравлического бурения, который содержит участки каналов 26 и 31, сопло 28 и отверстия 32. Узел 34 является одним из примеров множества более сложных устройств, включающих роторные устройства для гидравлического бурения, двигатели буровой установки и другие устройства, работа которых основана на сужении потока жидкости.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения требуемый размер газового отверстия 32 делается немного большим, чем необходимо для максимального расхода газа, ожидаемого при данном действии. Специалистам в данной области техники известны уравнения газодинамики, по которым можно рассчитать требуемые размеры газового отверстия для заданного давления, температуры и расхода. Жидкостные сопла 28 выполняются с размером, необходимым для напорного расхода текучей среды при заданном давлении струи, принимая во внимание потери напора на трение в трубопроводе. Если расход газовой фракции уменьшается, текучая среда начинает поступать в сифонную трубу 30 и в отверстие 32. Пропускная способность отверстия 32 по двухфазному потоку намного меньше, чем по газу. Поэтому отверстие 32 для прохода газа обеспечивает простое и надежное средство ограничения потери жидкости из газосепаратора вследствие изменений расхода газовой фракции на входе, которые могут произойти во время работы. Стендовые испытания газосепаратора показывают, что потери жидкости составляют 0,6% или менее, в то время как содержание газовой фракции на входе колеблется от 29 до 52%.

Вариант выполнения изобретения, показанный на фиг. 2, подобен изображенному на фиг. 1, за исключением того, что ротор 9 является цилиндрическим, без конического заднего участка, а передний конец 36 торцевой стенки 25 барабана является коническим для ускорения потока жидкости в выпускные отверстия 24 и устранения внезапных изменений направления движения потока, которые могут вызвать повторное турбулентное перемешивание газа и жидкости. Оси сопла 28 и отверстия 32 пересекаются за пределами узла 34, так что вокруг струи жидкости формируется слой газа. Отверстие 32 в варианте выполнения по фиг. 2 имеет большее сужение, нежели сужение в подшипнике 14 в варианте выполнения по фиг. 1.

На фиг. 3 изображено устройство, применяемое в случаях, требующих вращательного движения выходящей струи. Устройство, показанное на фиг. 3, подобно устройству, показанному на фиг. 1, за исключением того, что жидкость, выпускаемая из барабана 2 через сифонную трубку 30, проходит через каналы 38 в заднем конце корпуса 1 и центральные осевые каналы 39 и 40 - соответственно через тормозной узел 42 и головку 43. Тормозной узел 42, который включает в себя трубу 46, на которой расположена головка 43, установлен с возможностью вращения в корпусе 1 на подшипниках 47. Прохождение жидкости через сопла 44, которые смещены от продольной оси головки 43, т.е. наклонены относительно торцевой плоскости головки 43, вызывает вращение тормозного узла 42 и головки 43 в корпусе. Сопла 44 расположены за задним концом корпуса 1, так что при установке устройства для гидравлического бурения в эксплуатационной нефтяной или газовой колонне 49 струи текучей среды будут размывать внутренние загрязнения 50. Следует отметить, что в сочетании с сепаратором может использоваться любой роторный двигатель с осевым проточным каналом, достаточно большим, чтобы разместить сифонную трубу 30. Например, в заявке на патент США 2005/0109S41 (Marvin и др.) описан ротор напорно-струйной гидротурбины большого диаметра, имеющий свободное пространство для прохода осевого потока.

Сифонная труба 30 передает газ от барабана 2 к центральному выпускному отверстию 51 в головке 43. Входной конец сифонной трубы 30 является свободно вращающимся в торцевой стенке 25 барабана 2. Выходной конец трубы 30 установлен в поворотной головке 43, которая вращается со скоростью, отличной от скорости барабана 2. Таким образом, пузырьки газа формируются в выходном конце головки 51 и выходном конце корпуса 1, так что жидкость впрыскивается из сопел 44 в газ.

Устройство на фиг. 4 подобно устройству, показанному на фиг. 3, за исключением того, что газ, выпускаемый сифонной трубой 30, проходит через канал 54 и выпускается через цилиндрический канал 55 между корпусом 1 и нагнетательной стороной 56 головки 43. Жидкость, выпускаемая через отверстия 24 в торцевой стенке 25 барабана 2, проходит через канал 57 в заднем конце корпуса 1 в каналы 39 и 40, и далее через тормозной узел 42 и головку 43 попадает в сопло 44.

В соответствии с фиг. 5 другой вариант выполнения роторного устройства для гидравлического бурения включает в себя все элементы устройства, показанного на фиг. 3, за исключением того, что конусообразный задний участок 18 ротора 9 и тормозной узел 42 отсутствуют, а вместо цилиндрической торцевой стенки 25 барабана имеется торцевая стенка, имеющая конический входной участок или передний конец 36.

Кроме того, в устройстве, показанном на фиг. 5, головка 43 установлена с возможностью вращения в заднем конце корпуса 1. Жидкость выпускается через каналы 38 и 40 и через наклонные сопла 44 в заднем конце головки 43. Газ выпускается через торцевую стенку 25 барабана 2 через сифонную трубу 30, канал 58 в заднем конце головки 43 и наклонные сопла 59. Задний конец сифонной трубы 30 имеет сужение 60. Оси сопел 44 и 59 пересекаются за пределами головки 43 так, чтобы струи жидкости окружались потоком газа.

Устройство, показанное на фиг. 6, используется для проходки через породу 60. Это устройство подобно изображенному на фиг. 4, за исключением того, что ротор 9 является цилиндрическим без конического заднего участка, задняя торцевая стенка 25 барабана 2 имеет конический передний участок 36, а тормозной узел 42 отсутствует. Жидкость выпускается через отверстия 24 в торцевой стенке 25 барабана, канал 57 в заднем конце корпуса 1, центральный канал 40 в головке 43 и через отверстие 44. Газовый канал 54, образующий сифонную трубу, имеет сужение 62.

В соответствии с фиг. 7 другой вариант выполнения комбинированного сепараторного устройства для гидравлического бурения содержит сепаратор, включающий в себя корпус 1 с входным и выходным участками соответственно 64, 65 с внутренней резьбой, предназначенными для сопряжения с муфтами 67 и 68 соответственно. Статор 70 установлен неподвижно во входном конце 64 корпуса 1. Как показано на фиг. 9, статор 70 содержит цилиндрический корпус 71 с в целом полусферическим передним концом 72. Изогнутые лопатки 74, проходящие в наружном направлении от корпуса 71, соединяют статор с втулкой 75, которая соединяет статор с корпусом 1.

Цилиндрический ротор 77 установлен с возможностью вращения на подшипнике 78 на заднем конце статора. Ротор 77 (фиг. 10) содержит цилиндрический корпус 80 с радиальными лопатками 81.

Торцевая стенка 25 барабана 2 установлена с возможностью вращения на подшипнике 14, расположенном на входном конце втулки 83 на сифонной трубе 30. Подшипник 14 соединен с входным концом муфты 68 втулкой 84. Выходной конец муфты 68 соединен со вторым корпусом 85, имеющим регулятор 87 скорости. Регулятор 87 содержит расположенный по центру трубчатый вал 88, который установлен с возможностью вращения на подшипниках 89 в соединительной муфте 68 и на подшипниках 91, расположенных в соединительной муфте 92. Центраторы 93 в валу 88 центрируют сифонную трубу 30 в регуляторе скорости. Сегментированные грузы 94 вокруг вала 88 регулируют скорость вращения вала, сдвигаясь наружу относительно корпуса 85.

Узел для гидравлического бурения, в целом обозначенный номером 96, установлен с возможностью вращения на конце муфты 92 с помощью подшипников 97, 98, 99, 100 и 101. Узел 96 содержит корпус 102, несущий вращающуюся головку 43. Подшипник 97 имеет отверстие 104, которое сообщается с вращающейся головкой 43 и образует механическое торцевое уплотнение с подшипником 98. Подшипник 100 закреплен на вращающейся головке 43 и образует механическое торцевое уплотнение с подшипником 101. Диаметры поверхностей контакта подшипников выбираются такими, чтобы минимизировать механическую контактную нагрузку на торцевые уплотнения, сохраняя при этом эффективное уплотнение при высоких давлениях.

Жидкость, выпускаемая из барабана 2 через отверстия 24 в торцевой стенке 25, проходит через три реактивных сопла 106 (показано только одно) в крышке 107 на вращающейся головке 43. Газ, выпускаемый из барабана 2, проходит через сифонную трубу 30 и выпускается через газовое отверстие 109 в конце сифонной трубы 30 и через три выпускных отверстия 110 (показано только одно) в крышке 107, с образованием газовой оболочки вокруг струи жидкости.