Принцип действия и конструкции газосепараторов. Принцип действия и конструкции диспергаторов
Влияние газа на работу УЭЦН и методы борьбы с ним
Одним из основных факторов, влияющих на работу УЭЦН, является газовый фактор. Газовый фактор имеет большое значение при выборе способа эксплуатации и проектировании оптимального режима работы системы пласт-скважина.
Наличие газа в водонефтяной смеси также изменяет свойства последней и поведение рабочей характеристики насоса. Значение оптимального газосодержания дополнительно будет зависеть от свойств нефти и содержания воды в смеси.
Погружной центробежный насос достаточно чувствителен к наличию в откачиваемой жидкости свободного газа. В зависимости от количества свободного газа фактические характеристики насоса деформируются, а при определенном газосодержании насос прекращает подавать жидкость (срыв подачи).
Одни из методов борьбы с газом в скважинах, эксплуатируемых УЭЦН:
1) применение сепараторов различных конструкций;
2) монтаж на приеме насоса диспергирующих устройств.
Применение сепараторов. Метод предусматривает установку на приеме насоса специальных устройств, разделяющих жидкость и газ, и выброс последнего в затрубное пространство.
В различных нефтедобывающих районах прошло промышленное 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 позволяет увеличить допускаемое значение объемного газосодержания на приеме от 0,10 до 0,25 за счет образования тонкодисперсной структуры тонкодисперсной среды. Диспергаторы устанавливаются как вне, так и внутри насоса взамен нескольких рабочих ступеней. 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.
Газосепараторы предназначены для обеспечения стабильной работы погружного насоса при откачке высокогазированной жидкости.
Применение газосепараторов или диспергаторов позволяет: предотвратить кавитацию и запирание газом рабочих органов насоса, обеспечить необходимую производительность насоса, повысить коэффициент полезного действия. Принцип работы диспергатора заключается в обеспечении необходимого диаметра пузырьков газа в откачиваемой газожидкостной смеси (ГЖС), путем их измельчения; газосепаратора - в удалении газовой фазы из откачиваемой смеси.
Все виды применяемого оборудования находятся на входе в первую рабочую ступень насоса, т.е. жидкость до входа в насос проходит через дополнительное устройство.
Принцип действия и конструкции газосепараторов
Мировыми производителями выпускается три типа газосепараторов:
1) гравитационные;
2) вихревые;
3) центробежные.
Применение центробежных газосепараторов является самым надежным средством защиты ЭЦН от вредного влияния свободного газа. От эффективности их работы во многом зависят параметры 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 занимает промежуточное положение.
К устройствам предъявляются следующие требования:
1. ликвидация вредного влияния свободного газа, содержание которого больше допускаемого по техническим условиям, что и приводит к срыву подачи насоса;
2. обеспечение минимального диаметрального размера устройства, соответствующего диаметральным размерам насоса определенной габаритной группы;
3. обеспечение необходимой подачи жидкости через рабочие органы устройства для обеспечения устойчивой работы насоса;
4. обеспечение прохождения удлиненного за счет применения устройства, погружного агрегата по всей глубине скважины, особенно - в наклонно-направленных скважинах.
Наиболее часто газосепараторы для ЭЦН выполняются по центробежной схеме. Газосепараторы 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, был газосепаратор известного российского ученого П. Д. Ляпкова. 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 под действием центробежных сил отбрасывается к периферии внутренней камеры газосепаратора.
Долгое время применялись сепараторы типа 1МНГ5 (рис. 1).
Газосепаратор 1МНГ5 обеспечивал работу насоса при газосодержании до 50 %. Они успешно работали в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Однако сепаратор имел сложную конструкцию, большую массу, был 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 1МНГ5.
Рис. 1. Газосепаратор типа 1МНГ5
1 - головка; 2 - подшипник; 3 - вал; 4 - сепаратор; 5 - направляющий аппарат; 6 - рабочее колесо; 7 - корпус; 8 - шнек; 9 - основание
Учеными ГАНГ им. И.М. Губкина был предложен новый тип сепарации, на основе которого была разработана конструкция модуля насосного газосепаратора МН-ГСЛ5 к погружным насосам группы 5.Масса нового сепаратора оказалась примерно в 2 раза меньше, чем у 1МНГ5, в частности, за счет упрощения конструкции. Кроме того, в МН-ГСЛ5 предусмотрена защита внутренней поверхности корпуса от абразивного износа. Новый сепаратор позволяет стабильно работать насосу до 80% содержания газа..
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, 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.
Газосепараторы выпускают и другие российские производители: ОАО "Борец" и ОАО "Алнас". Предлагаются газосепараторы двух типов: модульные и встроенные в нижнюю секцию насоса.
Все типы отечественных газосепараторов снабжены защитной гильзой, предохраняющей корпус газосепаратора от гидроабразивного износа. Благодаря этому повышается ресурс работы оборудования, уменьшается вероятность аварии.
Для откачивания из скважин нефтяной продукции, представляющей собой ГЖС, установками погружных центробежных насосов фирма REDА предлагает центробежный газосепаратор для случаев с большим газосодержанием (60%). По данным фирмы, центробежный газосепаратор удаляет из ГЖС до 90% свободного газа.
Несмотря на широкое применение газосепараторов, необходимо отметить и их недостатки:
1. Возможность блокирования скважины газовыми пробками из-за нестабильного поступления газа из скважины.
2. Применение газосепаратора может привести к частичному фонтанированию скважины по затрубному пространству, что, в свою очередь, может привести к его перекрытию из-за отложений парафина и к прекращению функционирования сепаратора.
3. При применении сепаратора практически не используется полезная работа газа при подъеме пластовой жидкости в НКТ, так как большей частью газ направляется в затрубное пространство.
4. Наблюдаются колебания потребляемой насосом с газосепаратором мощности при откачивании ГЖС.
5. Как показывает промысловая практика установок ЭЦН с газосепараторами, газосепаратор в силу характерных конструктивных признаков может явиться причиной не только отказа, но и «полета» установки.