4.1.2. Газосепараторы и диспергаторы центробежных насосов для добычи нефти
Постоянная интенсификация добычи нефти и широкий диапазон изменения газового фактора добываемой нефти приводят к тому, что превышаются допустимые значения свободного газосодержания на Входе в насос. Это приводит к ухудшению условий работы насоса и П0гружного электродвигателя, увеличению вибрации установки и снижению ее работоспособности.
Для борьбы с газом в скважинах, эксплуатируемых УЭЦН, при- меняются различные конструкции газосепараторов и диспергирую- щих устройств.
Применение газосепараторов или диспергаторов позволяет: пре-дотвратить кавитацию, запирание рабочих органов насоса, обеспе¬чить необходимую производительность насоса, повысить коэффи¬циент полезного действия.
Применение сепараторов предусматривает установку на приеме насоса специальных устройств, разделяющих жидкость и газ, и вы¬брос последнего в затрубное пространство.
Использование диспергаторов позволяет увеличить допускаемое значение объемного газосодержания на приеме от 0,10 до 0,25 за счет образования тонкодисперсной структуры откачиваемой среды. Диспергаторы эффективны в обводненных скважинах, образующих вязкую эмульсию, так как способствуют разрушению ее структуры.
Диспергатор является сильным турбулизатором потока и способствует эффективному выравниванию структуры газожидкостной смеси. Диспергаторы могут устанавливаться как вне, так и внутри насоса взамен нескольких рабочих ступеней.
Мировыми производителями выпускается три типа газосепараторов: гравитационные, вихревые, центробежные.
Применение центробежных газосепараторов является самым надежным средством зашиты ЭЦН от вредного влияния свободного газа. От эффективности их работы во многом зависят пара¬метры эксплуатации и наработка на отказ погружного насоса в скважине.
Для отделения газа от жидкости в этих газосепараторах используется плавучесть газовых пузырьков под действием гравитационных или центробежных сил.
Гравитационный газосепаратор имеет наименьший коэффициент сепарации, центробежный - наибольший, а вихревой газосепаратор по коэффициенту сепарации занимает промежуточное положение.
К устройствам предъявляются следующие требования.
Ликвидация вредного влияния свободного газа, содержание которого больше допускаемого по техническим условиям, что и приводит к срыву подачи насоса, которая обеспечивается за счет уменьшения диаметра пузырьков (для диспергаторов) или выброса газа в затрубное пространство (для газосепараторов).
Обеспечение минимального диаметрального размера устройства, соответствующего диаметральным размерам насоса определенной габаритной группы.
Необходимая подача жидкости через рабочие органы устройства для обеспечения устойчивой работы насоса.
Обеспечение прохождения удлиненного, за счет применения устройства, погружного агрегата по всей глубине скважины, особенно - в наклонно направленных скважинах.
Российскими производителями выпускаются газосепараторы в соответствии со следующими нормативными документами:
ТУ 26-06-1416-84. Модули насосные - газосепараторы МНГ и МНГК.
ТУ 313-019-92. Модули насосные - газосепараторы Ляпкова МН
гсл.
ТУ 3381-003-00217780-98. Модули насосные - газосепараторы МНГБ5.
По принципиальной схеме эти газосепараторы являются центробежными. Они представляют собой отдельные насосные модули, монтируемые перед пакетом ступеней нижней секции насоса посредством фланцевых соединений. Валы секций или модулей соединяются шлицевыми муфтами.
Одним из первых устройств, запатентованных в нашей стране (заявка на авторское свидетельство от 1 октября 1954 г.), был газосепаратор П.Д. Ляпкова - известного российского ученого. Принцип действия данного газосепаратора заключается в том, что ротор, вращаясь с валом насоса, создает интенсивное вращательное движение смеси в сепараторе, благодаря чему происходит разделение смеси на жидкость и газ. Газ под действием возникающего при вращении смеси градиента давления выжимается из вращающегося кольца смеси в сторону наименьшего давления, т.е. к центру, а жидкость П°Д Действием центробежных сил отбрасывается к периферии внутренней камеры газосепаратора.
Этот сепаратор был запущен в серийное производство под шифром 1МНГ5. Он успешно работал в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Однако сепаратор имеет сложную конструкцию, большую массу, подвержен абразивному износу и обрыву по корпусу сепаратора. Кроме того, в условиях высоких газосодержаний на многих режимах наблюдалось существенное влияние газа на работу ЭЦН, оборудованных сепаратором 1МНГ5.
В связи с этим учеными ГАНГ им. И.М. Губкина был предложен новый тип сепарации, на основе которого специалисты АО «Лебедянский машиностроительный завод» разработали конструкцию модуля насосного газосепаратора МН-ГСЛ5 (рис. 4.29) к погружным центробежным насосам. Масса нового сепаратора оказалась примерно в 2 раза меньше, чем у 1МНГ5. В МН-ГСЛ5 предусмотрена защита внутренней поверхности корпуса от абразивного износа. Данный газосепаратор позволяет стабильно работать насосу при большом содержании газа.
Газосепаратор типа МН(К)-ГСЛ состоит из трубного корпуса 1 с головкой 2, основания 3 с приемной сеткой и вала 4 с расположенными на нем рабочими органами. В головке выполнены две группы перекрестных каналов 5, 6 для газа и жидкости и установлена втулка радиального подшипника 7. В основании размещены закрытая сеткой полость с каналами 8 для приема газожидкостной смеси, подпятник 9 и втулка 10 радиального подшипника. На валу размещены ляха 11, шнек 12, осевое рабочее колесо 13 с суперкавитирующим профилем лопастей, сепараторы 14 и втулки радиальных подшипников 15. В корпусе размещены направляющая решетка и гильзы.
Газосепаратор работает следующим образом: газожидкостная смесь (ГЖС) попадает через сетку и отверстия входного модуля на шнек и далее к рабочим органам газосепаратора. За счет приобретенного напора ГЖС поступает во вращающуюся камеру сепаратора, снабженную радиальными ребрами, где под действием центробежных сил газ отделяется от жидкости. Далее жидкость с периферии камеры сепаратора поступает по каналам переводника на прием насоса, а газ через наклонные отверстия отводится в затрубное пространство.
Характеристика газосепаратора типа МН(К)-ГСЛ представлена на рис. 4.30 [7].
Газосепараторы ОАО «Борец» имеют головку оригинальной конструкции, которая повышает эффективность работы газосепаратора. Все новые типы газосепараторов снабжены защитной гильзой, предохраняющей корпус газосепаратора от гидроабразивного износа. Газосепараторы 1 МНГБ5 и 1 МНГБ52 не имеют осевой опоры вала, что упрощает их конструкцию и снижает стоимость ЗИП. Модель 1 МНГБ52 предназначена для использования на скважинах с повышенным газовым фактором. Газосепаратор имеет сдвоенную конструкцию, что позволяет уменьшить общую длину насосной установки по сравнению с установкой, укомплектованной двумя газосепараторами.
Осевые опоры валов моделей МНГБ5 и МНГБ5А могут быть выполнены из следующих материалов: «бельтинг-сталь» - для обычных условий эксплуатации; «керамика-керамика» - для осложненных условий эксплуатации.
Модули насосные - диспергаторы МНДБ5 (производства ОАО «Борец») предназначены для измельчения газовых влючений в пластовой жидкости, подготовки однородной газожидкостной смеси и подачи ее на вход насоса. Диспергаторы МНДБ5 устанавливаются на входе насоса вместо входного модуля. Максимальное допустимое содержание свободного газа на входе в диспергатор при максимальной подаче - 55% по объему. При прохождении потока газожидкостной смеси через диспергатор повышает ее однородность и степень измельченности газовых включений, благодаря чему улучшается работа центробежного насоса: уменьшается его вибрация и пульсация потока в насосно-компрессорных трубах, обеспечивается работа с заданным КПД.
За насосом в насосно-компрессорной трубе из перекачиваемой жидкости выделяется свободный газ, который, расширяясь, совершает дополнительную работу по подъему жидкости из скважины. Применение диспергатора способствует улучшению условий работы насоса, повышению стабильности его характеристик и увеличению экономичности всей установки погружного центробежного насоса.
Также существуют модули газосепараторов-диспергаторов, предназначенных для снижения содержания газа в пластовой жидкости и ее преобразования в однородную газожидкостную смесь перед подачей в насос.
Зарубежные фирмы (например - Centrilift ) в зависимости от газосодержания на приеме насоса фирма рекомендует и поставляет различные газосепараторы: гравитационного типа - для газосодержания до 10% и центробежные (при больших значениях газосодержания).
Центробежный газосепаратор состоит из ротора винтового типа, направляющего аппарата, сепарационной камеры в виде цилиндри-ческого барабана с радиальными лопатками и наружным бандажом, камеры отвода свободного газа в затрубное пространство и отвода газосодержащей смеси в первую ступень отвода (рис. 4.31).
По данным фирмы центробежный газосепаратор обеспечивает отделение до 90% свободного газа.
Фирмой Centrilift выявлено, что наличие наружного бандажа у радиальных лопаток цилиндрического барабана повышает коэффициент сепарации свободного газа и предохраняет корпус газосепаратора от абразивного и эрозионного износа в откачиваемой жидкости.
Для откачивания из скважин продукции, представляющей собой газожидкостную смесь (ГЖС), фирма REDA предлагает следующие Конструкции устройств: центробежные газосепараторы, вихревые газосепараторы, сепараторы с противотоком (гравитационный), диспергаторы.
Для случаев с большим газосодержанием (60%) на приеме фирма предлагает центробежный и вихревой (рис. 4.32) газосепараторы.
Следует отметить высокий напор, развиваемый центробежным сепаратором фирмы REDA, и незначительное влияние величины газосодержания на напорную характеристику газосепаратора.
Вихревой газосепаратор VGS (Vortex Gas Separator) обладает высокой сепарационной характеристикой за счет создания после рабочего колеса свободной проточной части достаточного поперечного сечения и протяженности.
Газосепаратор отличается повышенной надежностью благодаря снижению вибрации за счет установки трех износостойких керамических радиальных подшипников и уменьшению расстояния между ними. Снижение вибрации газосепаратора достигается также за счет уменьшения массы вращающихся деталей, размаха лопастного ротора и снижения потребляемой мощности.
Повышение эффективности работы ЭЦН на газожидкостных смесях (ГЖС) реализовано фирмой REDA установкой узла диспер¬гатора AGH (Advansed Gas Handling), предназначенного раздроблять (диспергировать) пузырьки свободного газа и доводить ГЖС до квазигомогенного состояния (рис. 4.33).
В зависимости от величины газосодержания на приеме насоса диспергатор AGH может применяться со стандартным модулем и газосепаратором.
Одним из главных производителей газосепараторов в Китае является фирма Тетрех. В конструкцию газосепаратора этой фирмы включены следующие элементы, повышающие надежность:
1) концевые радиальные керамические подшипники;
2) гильзы из закаленной стали для защиты корпуса от воздейст¬вия перекачиваемой жидкости.
Конструкция центробежного газосепаратора практически повторяет конструкцию аналогичного газосепаратора фирмы REDA.