Полная версия

Главная arrow География arrow Защита насосного оборудования нефтяных скважин в осложненных условиях эксплуатации

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Разработка конструкции и исследование комбинированного фильтра. Анализ эффективности его работы

Устройство и принцип работы комбинированного фильтра, устанавливаемого ниже приема установки электроцентробежного насоса

Для правильного подбора фильтрующего устройства на основе данных о концентрации, фракционном составе механических примесей, плотности и вязкости добываемой нефти определяют размеры и конфигурацию отверстий фильтра, а также материал, из которого изготовлена его рабочая сетка [83]. Также следует обратить внимание на то, что при создании фильтрующего устройства необходимо учитывать не только фракционный состав песка и оптимальный размер щелевого отверстия сепаратора, но и значение кольцевого зазора между фильтром и стенкой эксплуатационной колонны.

Целью разработки нового скважинного песчаного фильтра комбинированного типа являлось уменьшение концентрации песка с сохранением пропускной способности устройства в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решалась согласно патенту РФ № 2441150 на изобретение «Фильтр для защиты УЭЦН от мехпримесей».

На рис. 28 изображён продольный разрез скважинного песочного сепаратора. Он включает корпус 4, состоящий из секций, размещённых одна над другой, нижний двусторонний переводник 7, промежуточный переводник 3 с поперечными каналами 2, 12 и продольными каналами 8 и 77, трубками 9 и 13 для нисходящего потока, ловильные камеры 10 и 14. Часть нижнего двустороннего переводника 7, находящаяся ниже поперечных каналов 2, выполнена большего диаметра, чем его верхняя часть, на неё установлена сетка 5, на которую навита спираль 7, покрытая сеткой б, снабжённой ловильной камерой 75.

Устройство работает следующим образом. Жидкость движется снизу вверх вдоль наружной поверхности сетки б, огибает её сверху и закручивается спиралью 7 в пространстве между сетками 5 и б. Часть жидкости при этом просачивается через сетку б.

Схема предлагаемого комбинированного фильтра, устанавливаемого на забое

Рис. 28. Схема предлагаемого комбинированного фильтра, устанавливаемого на забое: 1 - нижний переводник; 2, 12 - поперечные каналы; 3 - переводник; 4 - корпус; 5 - промежуточный каркас; 6 -рабочая поверхность фильтра; 7 - винтовая проволока; 8, 11 - продольные каналы; 9, 13 - патрубки; 10, 14 - ловильные камеры; 15 - нижний отстойник

Песчинки, задержанные сеткой <5, остаются на её наружной поверхности. Пропускная способность сетки 6 уменьшается в процессе эксплуатации, и всё большее количество жидкости огибает эту сетку сверху, по ходу эксплуатации количество просачивающейся через сетку 6 жидкости уменьшается. Чем больше отверстий сетки 6 засорилось снаружи, тем больше жидкости находится в закручивающемся потоке, тем больше скорость её движения и тем больше центробежная сила, действующая на жидкость, вымывающую эти песчинки изнутри. Песчинки, находящиеся в закручивающемся потоке, отбрасываются центробежной силой от наружной поверхности сетки 5 к внутренней поверхности сетки б. Если эти песчинки под действием центробежной силы закроют отверстия в сетке б изнутри, то увеличится разность давлений, действующих с её наружной и внутренней поверхностей. Количество жидкости, просачивающейся в пространство между сетками через отверстия сетки б, также увеличивается. Интенсивность вымывания песчинок, осевших на внутреннюю поверхность сетки б, также возрастёт. Песчинки, вымытые с внутренней поверхности сетки б, двигаясь по спирали, осаждаются в ловильной камере 75. Через поперечные каналы 12 нижнего двустороннего переводника 1 и трубку 13 жидкость попадает во вторую ловильную камеру 14. Направление движения жидкости изменяется на противоположное. Поток расширяется, и скорость потока падает. Песчинки продолжают движение по инерции и оседают в ловильной камере 14. Очищенная жидкость движется вверх и по продольным каналам 11 нижнего промежуточного переводника 1 попадает во вторую секцию песочного сепаратора. В этой секции жидкость движется вверх между ловильной камерой 14 и корпусом 4 и через поперечные каналы 2 переводника 3 и трубку 9 попадает внутрь ловильной камеры 10. В ловильной камере 10 жидкость меняет направление движения на 180 град и очищается. Очищенная жидкость выходит из второй секции сепаратора через продольные каналы 8, выполненные в переводнике 3, и поступает в третью секцию или во входной патрубок насоса. При необходимости выше третьей секции может быть установлена четвёртая и т. д. Увеличивать фильтрационные свойства предлагаемого сепаратора также можно за счет добавления дополнительных сеток в конструкцию устройства и использования фильтруемой жидкости для очистки фильтрующих поверхностей от песчинок.

Данный фильтр испытывался на лабораторном стенде очистки от механических примесей (рис. 29). В качестве основного насоса использовался ЭЦВ 5-130-600 мощностью в 20 кВт, с подачей Q= 130 м3/ч и напором Н = 600 м.

Скважинный песочный сепаратор включает корпус 7, состоящий из секций, нижний 2 и промежуточный переводники 3 с каналами 4, 5, б и 7, трубками 8 и 9, ловильные камеры 10 и 11. На переводнике установлена сетка 72, на которую навита спираль 13, покрытая сеткой 14, снабженной ловильной камерой 15. Принцип работы сепаратора состоит в предварительной фильтрации жидкости в сетчатом материале с последующим отделением ТВЧ в центробежном поле.

Схема стенда для исследования процесса осаждения механических примесей в движущейся жидкости

Рис. 29. Схема стенда для исследования процесса осаждения механических примесей в движущейся жидкости: 1, 10 - емкости; 2 - миксер; 3 - прозрачная труба (скважина); 4 - дроссель регулируемый; 5 - труборасходомер; 7 - погружной электронасос; 8 - блок пуска и управления; 9 - манометры (вакуумметры) с компьютерным обеспечением; 11 и 14 - задвижки; 12 - патрубок для технологических подключений; 13 - сепаратор механических примесей

Жидкость движется снизу вверх вдоль наружной поверхности сетки 14, огибает ее сверху и закручивается спиралью 13 в пространстве между сетками 12 и 14. Часть жидкости при этом фильтруется через сетку 14. Песчинки, задержанные сеткой 14, остаются на ее наружной поверхности. Пропускная способность сетки 14 уменьшается в процессе эксплуатации, и всё большее количество жидкости огибает сетку 14 сверху, и всё меньшее ее количество фильтруется через сетку 14. Чем больше отверстий сетки 14 засорилось снаружи, тем больше жидкости находится в закручивающемся потоке, тем больше скорость её движения и тем больше центробежная сила, действующая на жидкость, вымывающую эти песчинки изнутри. Если ТВЧ под действием центробежной силы закроют отверстия в сетке 14 со стороны ее внутренней поверхности, то увеличивается разность давлений, действующих на её наружную и внутреннюю поверхности. Количество жидкости, фильтрующейся в пространство между сетками через отверстия сетки 14, также увеличивается. Интенсивность вымывания песчинок, осевших на внутренней поверхности сетки 14, также возрастет. Песчинки, вымытые из внутренней поверхности сетки 14, двигаясь по спирали, осаждаются в ловильной камере 15.

Результаты испытаний, проведенных на описанном выше стенде, приведены в табл. 13.

Таблица 13

Данные о работе гравитационного и комбинированного фильтров

Концентрация примесей на входе Кп, мг/л

Концентрация примесей на выходе с использованием

Кп.к/Кп

фильтра комбинированного типа Кп к, мг/л

гравитационного фильтра Кп.г, мг/л

100

60

69

0,6

150

68

78

0,45

200

90

103

0,45

250

ПО

126

0,44

300

148

170

0,46

350

180

207

0,47

400

210

240

0,49

450

240

276

0,53

500

304

345

0,6

550

390

450

0,71

На основании экспериментальных данных выполнен график зависимости эффективности фильтрации комбинированного сепаратора от концентрации механических примесей в жидкости (рис. 30). Из него видно, что показатели фильтра комбинированного типа превышают показатели гравитационного сепаратора, а эффективность очистки жидкостей увеличивается с ростом концентрации механических примесей в ней.

Исходя из вышесказанного, можно сделать некоторые выводы:

  • 1. Фильтрационная способность разработанного комбинированного фильтра на 10-15 % выше способности обычных гравитационных фильтров. При этом наряду с вышесказанным необходимо учитывать, что разработанное устройство в процессе эксплуатации скважины позволяет длительное время сохранять высокую пропускную способность фильтра. Это позволит не только скорректировать график планово-предупредительных ремонтов, но и сократить затраты на очистку скважины от песчаных пробок, а также уменьшить время простоев нефтяных скважин по технологическим причинам.
  • 2. Наибольшую очистку жидкости от механических примесей фильтр показывает при концентрированных растворах с характеристиками выше Кп = 400 мг/л.
  • 3. Предлагаемые фильтры могут быть эффективно использованы для защиты насосного оборудования от вредного влияния механических примесей, что позволит значительно увеличить наработку на отказ и межремонтный период для УЭЦН.
Зависимость эффективности фильтрации сепаратора комбинированного типа от концентрации механических примесей в жидкости

Рис. 30. Зависимость эффективности фильтрации сепаратора комбинированного типа от концентрации механических примесей в жидкости

Рассмотрим механизм движения песчаножидкостной смеси в комбинированном фильтре, разделив его условно на секции: каждая секция состоит из ловильной камеры, патрубка, переходной муфты с поперечными входными и осевыми выходными каналами.

В секции (рис. 31) процесс происходит следующим образом. Жидкость через поперечные каналы 12 переходной муфты попадает внутрь патрубка 13. В этом патрубке жидкость движется вниз, затем огибает патрубок и через кольцевое пространство движется вверх. В момент огибания частицы, имеющие большую массу, двигаются по инерции вниз и попадают на дно ловильной камеры 14. Частицы с меньшим весом (массой) увлекаются потоком вверх по кольцевому пространству (между внутренней стенкой ловильной камеры 14 и наружной стенкой патрубка 13). Здесь важно, чтобы не было всплытия части осевших частиц. Для этого скорость потока вверх по кольцу должна быть меньше скорости витания этих частиц, а для частиц меньшего размера (массы) - больше скорости их витания. Задача как раз и состоит в том, чтобы более крупные частицы оседали в ловильной камере 14, а остальные (поменьше) двигались вверх вместе с жидкостью и через продольные каналы 11 переходной муфты 1 попадали в секцию.

Схема движения пескосодержащей жидкости в полости комбинированного фильтра (в нижней ступени)

Рис. 31. Схема движения пескосодержащей жидкости в полости комбинированного фильтра (в нижней ступени): D - диаметр ловильной камеры; L - длина ловильной камеры; dx - наружный диаметр патрубка; / - длина патрубка

В секции жидкость через поперечные каналы 2 переводника 3 попадает внутрь патрубка 9. При огибании патрубка более крупные частицы оседают на дне ловильной камеры 10, а частицы поменьше двигаются с потоком жидкости вверх.

В следующей секции процесс движения жидкости и отделения механических частиц происходит так же, как и в двух предыдущих секциях.

При постоянном расходе жидкости (дебите) по всей длине комбинированного фильтра регулирование скорости потока пескосодержащей жидкости в каждом кольцевом пространстве можно проводить подбором патрубков с соответствующими диаметрами. Очевидно, что скорость восходящего потока для осаждаемых частиц должна быть меньше их скорости уноса.

Площадь сечения кольцевого пространства

где D - внутренний диаметр ловильной камеры; dx - наружный диаметр патрубка.

Условие осаждения частиц диаметром, равным или большим d, будет:

Для определения коэффициента сопротивления Со найдем выражение для числа Рейнольдса по известной формуле

где сечение кольцевого пространства принято за круг с такой же площадью; рж - динамическая вязкость жидкости.

Очевидно, что такое допущение не изменяет Un0т, а диаметр условного круга будет равен значению, полученному по выражению

Тогда коэффициент сопротивления

Подставив полученное выражение Со из (4.6) в неравенство (4.4), получим

Дважды возведя в квадрат обе части полученного неравенства (4.7) и производя упрощения (сокращения), получим новое неравенство без знаков радикала:

откуда после умножения обеих частей на (D2 -d^ получим

Из неравенства (4.9) получим

Полученная формула (4.10) позволяет подобрать диаметр патрубка для создания такой скорости потока в кольцевом пространстве, чтобы частицы, размеры которых больше, чем <7, оседали на дне ловильной камеры (контейнера), а более мелкие частицы двигались с потоком жидкости дальше и через продольные каналы попадали в следующую ступень, где тоже имеется ловильная камера. В следующей секции (ступени) диаметр патрубка подбирается по аналогичной методике, т. е. по формуле (4.10).

Зная гранулометрический (фракционный) состав механических примесей, можно для частиц каждого класса крупности подобрать параметры секции фильтра для осаждения твердой фракции в соответствующей ловильной камере (контейнере).

Пусть требуется определить время заполнения контейнера до уровня Lu средний диаметр осаждаемой частицы равен d, накопленный вес частиц равен а (в %), плотность песка равна р, объемный дебит скважины или расход взвесесодержащей жидкости равен G, диаметр ловильной камеры равен D, массовая концентрация механических частиц равна С (обычно в мг/л).

Для решения данной задачи необходимо найти объем выпавших за искомое время частиц. Объем заполненной части контейнера найти легко по формуле

Суммарный объем выпавших частиц будет значительно меньше этого объема, так как упаковка частиц содержит пустоты (каждая пара шаров имеет только одну точку контакта, поэтому в упаковке всегда остаются незаполненные пространства). Пористость песчаной пробки т можно определить опытным путем или аналитическим методом.

Объемная концентрация песка

тогда объем песка Vn в контейнере, накопленный за искомое время t, будет равен:

Однако этот же объем песка найдем с учетом коэффициента пористости т:

Из условия равенства (4.13) и (4.14) находим время заполнения контейнера:

Пример расчета: D = 0,12 м; L = 8 м; т — 46% (пористость песка при расчетах принимают от 0,45 до 0,47 [55]); G = 60 м3/сут; С = 400 мг/л; р = 2,7 г/см3; а = 10 %; ц = 80 % (коэффициент, учитывающий снижение дебита из-за гидравлических сопротивлений, всплытие песчинок).

Переведем массовую концентрацию песка в объемную:

Рассмотрим работу комбинированного фильтра. В секции 1 процесс происходит следующим образом. Жидкость через поперечные каналы 12 переходной муфты попадает внутрь патрубка 13. В этом патрубке жидкость движется вниз, затем огибает патрубок и через кольцевое пространство движется вверх. В момент огибания частицы, имеющие большую массу, двигаются по инерции вниз и попадают на дно ловильной камеры 14. Частицы с меньшим весом (массой) увлекаются потоком вверх по кольцевому пространству (между внутренней стенкой ловильной камеры 14 и наружной стенкой патрубка 13). Здесь важно, чтобы не было всплытия части осевших частиц. Для этого скорость потока вверх по кольцу должна быть меньше скорости витания этих частиц, а для частиц меньшего размера (массы) - больше скорости их витания. Задача как раз и состоит в том, чтобы более крупные частицы оседали в ловильной камере 14, а остальные (поменьше) двигались вверх вместе с жидкостью и через продольные каналы 11 переходной муфты 1 попадали в секцию II.

В секции II жидкость через поперечные каналы 2 переводника 3 попадает внутрь патрубка 9. При огибании патрубка более крупные частицы оседают на дне ловильной камеры 10, а частицы поменьше двигаются с потоком жидкости вверх.

В следующей секции III процесс движения жидкости и отделения механических частиц происходит так же, как и в двух предыдущих секциях.

При постоянном расходе жидкости (дебите) по всей длине комбинированного фильтра регулирование скорости потока пескосодержащей жидкости в каждом кольцевом пространстве можно проводить подбором патрубков с соответствующими диаметрами. Очевидно, что скорость восходящего потока для осаждаемых частиц должна быть меньше их скорости витания. Такая скорость выражается формулой [1]

где g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; ртв и рж - плотности песчинки и жидкости соответственно; CD - коэффициент сопротивления пластовой жидкости перемещению песчинки.

Считаем, что песчинка круглая диаметром d и коэффициент сопротивления её равноускоренному перемещению в нефтяной среде удовлетворяет условию

где Re - число Рейнольдса; принимаем Re = Рж ^ ^ (здесь U - ско-

Р

рость потока, м/с; d - диаметр сечения трубы, м; р - динамическая вязкость жидкости, Па с).

Учитывая, что Q— 120 м3/сут, определим скорость восходящего потока в кольцевом пространстве секции I. Для этого определим площадь сечения кольцевого пространства по формуле

где D - внутренний диаметр ловильной камеры; d - наружный диаметр патрубка.

Скорость потока в кольцевом пространстве определим по формуле

Предположив условно, что сечение кольцевого пространства есть круг, определим его диаметр. Очевидно, что такой диаметр будет равен:

При сравнительном анализе работы комбинированного и гравитационного фильтров была использована песчаная смесь, состоящая из трех групп крупности: 1) до 0,05 мм (15 %), 2) от 0,05 до 0,15 мм (45 %), 3) от 0,15 до 0,25мм (30 %), 4) от 0,25 до 0,35 мм (10 %).

Здесь следует отметить, что более крупные частицы (от 0,25 до 0,35 мм) были задержаны наружной сеткой и промежуточным каркасом и осели в самой нижней ловильной камере комбинированного фильтра.

Для определения скорости витания частиц (от 0,15 до 0,25 мм) предварительно находим число Рейнольдса:

Здесь динамическая вязкость воды была принята 10“' Па-с, хотя содержание механических примесей незначительно ее увеличивает. Точный учет мехпримесей по формуле [3]:

где Цсм - динамическая вязкость смеси; р - динамическая вязкость чистой воды; С - объемная концентрация механических примесей, незначительно уменьшил бы значение числа Рейнольдса и не повлиял бы на результат.

Отсюда следует, что режим течения ламинарный. Определим коэффициент сопротивления

Теперь имеются все данные для нахождения скорости витания частицы диаметром 0,15 мм.

В связи с тем, что скорость витания для частиц размером 0,15 мм в нижней секции комбинированного фильтра значительно превышает скорость восходящего потока, частицы размерами от 0,15 до 0,25 мм не будут всплывать, а будут осаждаться на дне ловильной камеры.

Путем проведения аналогичных расчетов можно проанализировать движение пескосодержащей жидкости в секциях I и II комбинированного фильтра. Следует отметить, что скорость восходящего потока в каждой секции фильтра можно регулировать с помощью патрубков, диаметры и длины которых можно подобрать, исходя из гранулометрического состава и концентрации механических примесей.

С учетом всех особенностей эксплуатируемых пластов и добываемой продукции расчет комбинированного фильтра дает возможность рассчитать и планировать его параметры: диаметры и длины ловильных камер и соответствующих патрубков, размеры и геометрию пор или щелей наружной сетки и промежуточного каркаса. Расчет времени заполнения ловильных камер или контейнеров позволит совместить работу по демонтажу и очистке фильтров с проведением различных геолого-технических мероприятий, предусмотренных в технологических регламентах нефтяных компаний.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>