1458

1.2. ГАЗОСЕПАРАТОРЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Диапазон изменения газового фактора нефтей разрабатываемых месторождений весьма широк. Например в НГДУ «Южоренбургнефть» газовый фактор может доходить до 5000 м3/м3, а в НГДУ «Чернушканефть» — обычно не превышает 35—40 м3/м3. Допустимые значения газосодержания на входе в насос, по тех­ ническим условиям эксплуатации установок составляют 20 %, однако, на самом деле эта величина колеблется (в зависимости от типоразмера насоса) в пределах 5—25 % от объема добывае­ мой продукции.

Известны следующие методы борьбы с газом в скважинах, эксплуатируемых УЭЦН:

—спуск насоса в зону, где давление на приеме обеспечивает оптимальную подачу насоса и устойчивую ее работу;

—применение сепараторов различных конструкций;

—монтаж на приеме насоса диспергирующих устройств;

—принудительный сброс газа из затрубного пространства;

—применение комбинированных, так называемых «конус­ ных» или «ступенчатых», насосов.

Создание на приеме насоса давления, равного давлению насыще­ ния нефти газом или близкого к нему. Этот метод широко распро­ странен, так как прост технологически и организационно, но является неэкономичным, поскольку для его осуществления требуется спуск насоса на большие глубины, соизмеримые с глубиной скважины. Последнее связано с затратами на насос­ но-компрессорные трубы, кабель, электроэнергию и спуско­ подъемные операции, а иногда и невыполнимо по техничес­ ким причинам.

Применение сепараторов. Метод предусматривает установку на приеме насоса специальных устройств, разделяющих жидкость

игаз, и выброс последнего в затрубное пространство.

Вразличных нефтедобывающих районах прошло промыш­ ленное апробирование как отечественного, так и импортного оборудования. По данным эксплуатации была зафиксирована удовлетворительная работа ЭЦН в течение длительного времени при объемном расходном газосодержании, равном 0,5.

Использование диспергаторов. Применение диспергаторов по­ зволяет увеличить допускаемое значение объемного газосодержания на приеме от 0,10 до 0,25 за счет образования тонкодис­ персной структуры среды. Диспергаторы эффективны в обвод­ ненных скважинах, образующих вязкую эмульсию, так как спо­ собствуют разрушению ее структуры.

Диспергатор является сильным турбулизатором потока и спо­ собствует эффективному выравниванию структуры газожидкос­ тной смеси. Диспергаторы могут устанавливаться как вне, так и внутри насоса взамен нескольких рабочих ступеней.

Принудительный сброс газа из затрубного пространства. В про­ цессе эксплуатации скважины часть газа сепарирует из жидко­ сти в зоне приема насоса в затрубное пространство. Накаплива­ ясь в нем, газ может оттеснить жидкость до приема насоса и, попадая в насос, снизить его подачу или вызвать аварийную ра­ боту в режиме сухого трения. Кроме того, газ создает противо­ давление на пласт, уменьшая приток жидкости.

Известны способы сброса газа из затрубного пространства путем применения автоматически работающих устьевых или сква­ жинных обратных клапанов или эжекторов, отсасывающих газ принудительно (например — система «тандем»).

Применение комбинированных насосов. «Вредное» влияние газа уменьшается, если на приеме серийного насоса некоторое число ступеней заменить ступенями большей подачи. Обладая боль­ шим объемом каналов, эти ступени обеспечивают и большее поступление на прием газожидкостной смеси. При попадании в серийные ступени объем смеси уменьшается за счет сжатия и растворения газа в жидкости, чем и достигается оптимальная подача насоса.

Стабильная работа УЭЦН осуществляется при содержании свободного газа на входе в насос (по техническим условиям) от 5 до 25% в зависимости от типоразмера насоса. При увеличении количества свободного газа происходит ухудшение работы насо­ са. Газированная жидкость в некоторых случаях, если среда тон­ кодисперсная и наличие свободного газа не превышает допусти­ мого, может положительно влиять на работу насоса, т.к. проис­ ходит уменьшение плотности и вязкости откачиваемой смеси. Но, чаще всего, происходит частичное или полное запирание каналов рабочих колес в насосе при большом содержании газа,

которое приводит к уменьшению подачи насоса, снижению на­ работки насоса на отказ. В некоторых случаях может происхо­ дить выход из строя погружного электродвигателя из-за плохого его охлаждения за счет отсутствия потока жидкости.

Газосепараторы предназначены для обеспечения стабильной работы погружного насоса при откачке высокогазированной жидкости.

Применение газосепараторов или диспергаторов позволяет: предотвратить кавитацию, запирание рабочих органов насоса, обеспечить необходимую производительность насоса, повысить коэффициент полезного действия. Принцип работы дисперга­ тора заключается в обеспечении необходимого диаметра пузырь­ ков газа в откачиваемой газожидкостной смеси (ГЖС) путем их измельчения; газосепаратора — в удалении газовой фазы из от­ качиваемой смеси.

Все виды применяемого оборудования находятся на входе в первую рабочую ступень насоса, т.е. жидкость до входа в насос проходит через дополнительное устройство.

Мировыми производителями выпускается три типа газосепа­ раторов:

1)гравитационные;

2)вихревые;

3)центробежные.

Применение центробежных газосепараторов является самым надежным средством защиты ЭЦН от вредного влияния свобод­ ного 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 ис­ пользуется плавучесть газовых пузырьков под действием грави­ тационных или центробежных сил.

Гравитационный газосепаратор имеет наименьший коэффи­ циент сепарации, центробежный — наибольший, а вихревой га­ зосепаратор по коэффициенту сепарации занимает промежуточ­ ное положение.

К устройствам предъявляются следующие требования:

1 — ликвидация вредного влияния свободного газа, содержа­ ние которого больше допускаемого по техническим условиям, что и приводит к срыву подачи насоса, которая обеспечивается

за счет уменьшения диаметра пузырьков (для диспергаторов) или выброс газа в затрубное пространство (для газосепараторов);

2 — обеспечение минимального диаметрального размера уст­ ройства, соответствующего диаметральным размерам насоса оп­ ределенной габаритной группы;

3 — необходимую подачу жидкости через рабочие органы ус­ тройства для обеспечения устойчивой работы насоса;

4 — обеспечение прохождения удлиненного, за счет приме­ нения устройства, погружного агрегата по всей глубине скважи­ ны, особенно — в наклонно направленных скважинах.

Существующие конструкции и принцип действия газосепараторов и диспергаторов

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 — газосепарато­ ры МНГБ5.

По принципиальной схеме эти газосепараторы являются цен­ тробежными. Они представляют собой отдельные насосные мо­ дули, монтируемые перед пакетом ступеней нижней секции на­ соса посредством фланцевых соединений. Валы секций или мо­ дулей 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 враща­ тельное движение смеси в сепараторе, благодаря чему происхо­ дит разделение смеси на жидкость и газ. Газ под действием воз­ никающего при вращении смеси градиента давления выжимается из вращающегося кольца смеси в сторону наименьшего давле­ ния, т.е. к центру, а жидкость под действием центробежных сил отбрасывается к периферии внутренней камеры газосепаратора.

Более 10 лет назад запущен в серийное производство отече­ ственный сепаратор 1МНГ5 к ЭЦН 5 группы. Они успешно ра­ ботали в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Однако сепаратор имел сложную конструкцию, большую массу, был подвержен абразивному износу и обрыву по корпусу сепа­ ратора. Кроме того, в условиях высоких газосодержаний на мно­ гих режимах наблюдалось существенное влияние газа на работу ЭЦН, оборудованных 1МНГ5.

Поэтому возникла необходимость создания нового типа се­ паратора. Учеными ГАНГ им. И. М. Губкина был предложен новый тип сепарации, на основе которого специалисты АО «Ле­ бедянский машиностроительный завод» разработали конструк­ цию модуля насосного газосепаратора МН-ГСЛ5 (рис. 1.88) к погружным насосам группы 5. Масса нового сепаратора оказа­ лась примерно в 2 раза меньше, чем у 1МНГ5, в частности, — за счет упрощения конструкции. Кроме того, в МН-ГСЛ5 предус­ мотрена защита внутренней поверхности корпуса от абразивно­ го износа воздействия. Новый газосепаратор позволяет стабиль­ но работать насосу до 80 % содержания газа. С целью сравнения сепараторов по эффективности газоотделения были проведены специальные стендовые испытания [3].

Газосепаратор типа МН(К)-ГСЛ состоит из трубного корпуса 1 с головкой 2, основания 3 с приемной сеткой и вала 4 с распо­ ложенными 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 пята 11, шнек 12, осевое рабо­ чее колесо 13 с суперкавитирующим профилем лопастей, сепа­ раторы 14 и втулки радиальных подшипников 15. В корпусе раз­ мешены 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 при­ обретенного 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 перевод­ ника на прием насоса, а газ через наклонные отверстия отводит­ ся в затрубное пространство.

Характеристика газосепаратора типа МН(К)-ГСЛ представ­ лена на рис. 1.89 [3].

ОАО «Борец» предлагает газосепараторы двух типов:

—модульные (модели МНГБ5, МНГБ5А, 1 МНГБ5,1 МНГБ52);

—встроенные в нижнюю секцию насоса.

Газосепараторы ОАО «Борец» имеют головку оригиналь­ ной конструкции, которая разделяет потоки газа и жидкости и повышает эффективность работы газосепаратора. Все типы газосепараторов снабжены защитной гильзой, предохраняю­ щей корпус газосепаратора от гидроабразивного износа. Бла­ годаря этому повышается ресурс работы, оборудования, уменьшается вероятность аварий. Газосепараторы 1 МНГБ5 и 1 МНГБ52 не имеют осевой опоры вала, что упрощает их кон­ струкцию и снижает стоимость ЗИП. Модель 1 МНГБ52 пред­ назначена для использования на скважинах с повышенным газовым фактором. Газосепаратор имеет сдвоенную конструк­ цию, что позволяет уменьшить общую длину насосной уста­ новки по сравнению с установкой, укомплектованной двумя газосепараторами.

Осевые опоры валов моделей МНГБ5 и МНГБ5А могут быть выполнены из следующих материалов: «бельтинг — сталь» — для обычных условии эксплуатации; «керамика — керамика» — для осложненных условии эксплуатации.

Расширенная номенклатура газосепараторов позволяет подо­ брать наиболее эффективный из них в зависимости от условий эксплуатации.

N, кВт

Л, %

20

15

10

5

О

Рис. 1.89. Характеристика модулей насосных газосепараторов Ляпкова МН-ГСЛ5 (МНК-ГСЛ5) на воде плотностью р =1000 кг/м3

при частоте вращения 3000 оборотов в минуту

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 уста­ навливаются на входе насоса вместо входного модуля. Макси­ мальное допустимое содержание свободного газа на входе в дис­ пергатор при максимальной подаче — 55 % по объему. При про­ хождении потока газожидкостной смеси через диспергатор

повышается ее однородность и степень измельченности газовых включений, благодаря чему улучшается работа центробеж­

ного 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, со­ вершает дополнительную работу по подъему жидкости из сква­ жины. В целом, применение диспергатора способствует улучше­ нию условий работы насоса, повышению стабильности его ха­ рактеристик и увеличению экономичности всей установки по­ гружного центробежного насоса.

В месте подвески насоса в сборе с диспергатором, протекто­ ром, электродвигателем и компенсатором кривизна ствола сква­ жины не более 3' на 10 м и угол отклонения скважины от верти­ кали не более 40°

Кроме указанных выше, ОАО «Борец» выпускает модули га- зосепараторы-диспергаторы МНГДБ5, предназначенью для сни­ жения содержания газа в пластовой жидкости и ее преобразова­ ния в однородную газожидкостную смесь перед подачей в насос. Газосепаратор-диспергатор МНГДБ5 устанавливается на входе насоса вместо входного модуля. Максимальное допустимое со­ держание свободного газа на входе в газосепаратор-диспергатор при максимальной подаче — 68 % по объему [7].

Газосепаратор-диспергатор разделяет пластовую жидкость на две фазы: жидкостную и газовую. Газ удаляется в затрубье, а пластовая жидкость преобразуется в однородную газожидкост­ ную смесь и подается на вход насоса

Газосепараторы фирмы Centrilift

В зависимости от газосодержания на приеме на­ соса фирма рекомендует и поставляет газосепараторы гравита­ ционного типа — для газосодержания до 10 % и газосепараторы центробежные (при больших значениях газосодержания).

Центробежный газосепаратор состоит из ротора винтового типа, направляющего аппарата, сепарационной камеры в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками и наруж­ ным бандажом, камеры отвода свободного газа в затрубное про­ странство и отвода газосодержащей смеси в первую ступень от­ вода (рис. 1.90) [3].

По данным фирмы центробежный газосепаратор обеспечи­ вает отделение до 90 % свободного газа.

По результатам исследований фирмы выявлено, что наличие наружного бандажа у радиальных лопаток цилиндрического ба­ рабана повышает коэффициент сепарации свободного газа и пре­ дохраняет корпус газосепаратора от абразивного и эрозионного износа в откачиваемой жидкости.

Рис. 1.90. Центробежный газосепаратор фирмы Centrilift:

/ — основание; 2 — втулка подшипника; 3 — ротор винтового типа; 4 — вал; 5 — выправляющий аппарат; 6 — осевое рабочее колесо; 7 — сепарационная камера; 8 — корпус; 9 — переводник;

10— корпус подшипника; 11 — головка