Устройство для подъема жидкости из скважин

Устройство для подъема жидкости из скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в гидромашиностроении и горной промышленности для подъема жидкости из скважин. Сущность изобретения: устройство содержит подъемную трубу 1 со сквозными каналами 2 в зоне башмака и цилиндрический корпус 3 с каналами 4, охватывающий трубу 1, подключенный к источнику сжатого газа и установленный с возможностью вращения. Причем каналы 2 и 4 в горизонтальной плоскости расположены друг к другу под углом 45-65°. 3 з.п.ф-лы, 4 ил., 5 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4883960/29 (22) 26.07.90 (46) 15.12.92. Ьюл. N 46 . (71) Азербайджанский институт, нефти и химии им, M,Àýèçáåêoâã (72) M.M.Ðàøèäîâ, С.Д.Ибрагимов, Н.Г.Мамедов, Н.Ь.Нуриев и Н.Г.Пашаев (56) Авторское свидетельство СССР

М 937790, кл, F 04 F 1/18, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЪЕМА ЖИДКО СТИ ИЗ СКВАЖИНЫ

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к технике механизированного способа добычи нефти.

Известно устройство для подъема нефти из скважин, включающее размещенную в обсадной колонне труб колонну лифтовых труб со сквозными каналами для прохода газа в трубное пространство и установленный в кольцевом пространстве скважины выше продуктивного пласта пакер.

Недостатком данного устройства является невозможность получения желаемой структуры восходящего потока газожидкостной смеси (ГЖС), в частности эмульсионной, при которой затраты энергии на подъем минимальны по сравнению с пробковой или стержневой структурами.

Известно также устройство. спускаемое на конце труб в скважину, содержащее корпус с центральным каналом, ступенчатую втулку с возможностью вращения и с ради5U,, 1781465 А1 (яра F 04 F 1/18, 1/20 (57) Использование: в гидромашиностроении и горной промышленности для подьема жидкости из скважин. Сущность изобретения: устройство содержит подъемную трубу

1 со сквозными каналами 2 в зоне башмака и цилиндрический корпус 3 с каналами 4, охватывающий трубу 1, подключенный к источнику сжатого газа и установленный с возможностью вращения. Причем каналы 2 и 4 в горизонтальной плоскости расположены друг к другу под углом 45-65О. 3 з,п.ф-лы, 4 ил., 5табл. альным каналом, который при совпадении с боковым каналом корпуса сообщает трубное и затрубное пространство.

Недостатком данного устройства явля- а ется то, что с его помощью невозможно получить желаемую структуру ГЖС, в частности эмульсионную, так как оно предназначено для возбуждения импульсов давлений в затрубном пространстве с целью предотвращения прихвата бурового долота в процессе О бурения. Ql

Причиной нестабильности потока ГЖС является то, что при импульсной подаче газа в моменты совпадения отверстий во втулке и корпусе устройства образуются газовые включения в лифтируемой жидкости размером 2-3 см и более, которые при восходящем движении, по мере снижения давления увеличиваются и сливаются друг с другом в более крупные и через 50-70 м от точки ввода газа при газосодержании в пределах

0,4-1,0 переходят в пробковую или стержне1781465 вую структуру в зависимости от числа Фруда смеси.

Кроме того, импульсная подача газа в укаэанных размерах, в подъемные трубы является причиной возникновения автоколебательных волновых процессов с интерференцией полей давлений, что резко снижает КПД и пропускную способность подьемника.

Наиболее близкив4техническим решением (прототийом) является устройство,. . Ф включающее пульпопрород;" камеру. установленную концентрично относительно пульпопровода и подключенную к источнику сжатого воздуха; и запорный элемент с щелевыми отверстиями, установленный в камере. При этом камера выполнена с пазом, запорный элемент снабжен фиксатором, а участок пульпопровода расположен в камере и имеет щелевые отверстия.

Недостатком данного устройства является то, что с его помощью не получается стабильная и гомогенная структура потока по всей длине подъемных труб. Причиной нестабильности потока является то, что при дроблении газа образуются пузырьки газа, которые при восходящем движении по мере снижения давления увеличиваются в диаметре; сливаются друг с другом в более крупные и через 200-300 м, от точки ввода газа при газосодержании 0,4-1,0, переходят в пробковую или стержневую структуру в зависимости от числа Фруда. Кроме того, упомянутое устройство создает дополнительные сопротивления потоку ГЖС, имеет низкий коэффициент полезного действия.

Целью изобретения является повышение

КПД устройства, увеличение пропускной способности подъемника и уменьшение удельного расхода газа.

Поставленная цель достигается тем,.что в известном устройстве, содержащем колонну труб с соосно установленным на ней цилиндрическим корпусом, снабженным сквозными каналами, имеющими возможность сообщаться между собой; диаметры каналов выполнены в пределах 0,05-0,1; расстояние между каналами по высоте корпуса и участка колонны подъемных труб, а также по их примеру, определяется в соответствии с выражением

I = (1,5-2)d, где! — расстояние между каналами;

d — диаметр канала; — - отношение диаметра подъемных

d труб к диаметру каналов в соответствии с соотношением:

0 38 75 — = — +—

d 01 005 где 0 — диаметр подъемной трубы; б — диаметр канала;

38 — минимальный диаметр используемых подъемных труб;

5 0,1 — максимальный диаметр канала;

75 — максимальный диаметр используемых подъемных труб;

0,05 — минимальный диаметр канала; и — количество каналов, установлено в

10 соответствии с выражением; ж Q

u4wd

20 и — количество каналов;

w — скорость прохождения газа через канал, м/с;

d — диаметр канала, м;

Qr — расход сжатого газа, м /с; з л= 3;14, — каналы для прохода газа в цилиндрическом корпусе и подъемных трубах выполненыы под углом друг к другу в пределах 45-65 .

Скважинное устройство для подъема

25 жидкости, содержащее колонну подъемных труб и установленный на ней цилиндрический корпус, снабженные сквозными каналами, имеющими возможность сообщаться между собой, известно — см. например, про30

Существенными отличиями заявленного технического решения являются следующие: подбор диаметров каналов в подъемной трубе и корпусе размером в пре35 делах 0,1-0,05 мм позволяет осуществить аэрацию жидкости в трубах дискретными микроскопическими. пузырьками, на которые помимо гидростатических сил давления действуют также лапласовы, силы сжатия.

В результате этого обеспечиваются условия для получения тонкодисперсной гомогенизированной эмульсионной структуры течения ГЖС на большие расстояния от точки ввода газа из-за отсутствия скольжения фаз и коалесценции пузырьков газа. При этом достигается повышение КПД подъемника и уменьшение удельного расхода сжатого газа на подъем единицы объема жидкости, Предельные значения диаметров

50 отверстий и соответствующих им диаметров пузырьков обосновываются нижеследующим. При введении газа в нижнюю часть подьемника через предложенное устройство диаметры пузырьков после достижения

55 устья скважины должны оставаться такими, чтобы сохранился наиболее выгодный эмульсионный режим течения. Одним из условий его сохранения устья подъемника является

1781465 6 оп «ол, где бп — диаметр пузырька;

d> — диаметр лифтовых труб.

Принимая, что рост пузырька газа в подъемнике по мере его перемещения к ус- 5 тью подчиняется закону Бойля-Мариотта, связь между отношением давлений у башмака и устья — Рб/Py и отношением радиуса пузырька у устья и башмака Ry/Вб может быть представлена в следующем виде: 10

Ry = Йб Рб Ру.

Из табл.1 видна соответствующая завйсим ость, 15

Из данных табл,1 следует, что пузырек газа не претерпевает существенных изме-. нений в линейных размерах, если он достаточно мал, т.е. находится в пределах до 1 мм, 20

Так, например, если Рб/Py =10, что характерно для компрессорных скважин месторождения Сангачалы-море+Дуванный-морео..

Булла (Рб =. 71 ат, Py = 7 ат), то пузырек в процессе движения от башмака до устья 25 увеличиваетсэ все.-о лишь в 2,2 раза, т,е, если он имел первоначальный радиус 1 мм, то у устья он будет иметь радиус 2,2 мм, Однако, учитывая стесненность движения пузырьков в подъемнике, последние бу- 3 дут коалесцировать, (сливаться) друг с. другом в более крупные, затрачивая на данный процесс определенную энергию, подаваемую в подъемник со сжатым газом. Для максимального затруднения этого процесса необходимо в подъемнике создать тонкодисперсную квазигомогенную структуру, состоящую из пузырьков достаточно малых размеров, при которой каждый пузырек газа помимо гидростатического давления бу- 40 дет подвергаться дополнительному сжатию эа счет действия сил Лапласа.

В этом случае испытываемое пузырьком общее давление составит:

Робщ= Р+ ЛР, где Р— гидростатическое давление столба

ГЖС в скважине; .

2 0

= Л Р вЂ” давление, испытываемое пузырьком за счет сил Лапласа. где о по- 50 верхностное натяжение:

R — радиус пузырька.

Величина Ь P для сфер ряда значений радиусов пузырьков приводится в табл.2. . Из табл,2 видно, что изменение разме.. ра пузырька приводит к значительномуувеличению лапласовой силы давления.

Исследованиями установлено, что наиболее устойчивое тонкодисперсное течение

ГЖС имеет место начиная со значения величины Р - 14 10 дн, т.е, при диаметрах пузырька 0,2 мм и менее. Подтверждением отмеченного является зависимость величины затраченной работы на коалесуенцию пузырьков от их радиуса, определяемая. по формуле

3 Ч 0 1

R го 1

R:Р где V — суммарный объем пузырьков.

Из этой формулы видно, что-е уменьшением радиуса пузырька затраты энергии.существенно увеличиваются; что затрудняет процесс коалесценции.

Предположим, что коалесцируют пузырьки с суммарным объемом 1 м при давлении 1, 10, 100 ат. При этом, как видно из табл.3, динамика значений величины затрачиваемой работы на коалесценцию существенно растет.

Таким образом, из приведенного анализа видно, что условием реализации наиболее эффективной и устойчивой структуры течения является .создание тонкодисперсной, квазигомогенной структуры потока в газлифтном подъемнике с помощью пузырьков газа, имеющих возможно минимальный диаметр, который с учетом технических возможностей принимается в пределах 0,10,05 мм.

Существенным отличием заявленного технического решения является также то что на колонне:подъемных труб и цилиндрическом корпусе выполнены имеющие возможность сообщения между собой сквозные наклонные кайалы для прохода газа, расстояние между которыми по длине корпуса и колонны лифтовых труб и по их периметру определяется соотношением:

I = (1,5-2)d, где I — расстояние между каналами;

d — диаметр канала, а количество. каналов подобно в соответствии с выражением к ° С

4 уу б

I где n — количество каналов для прохода газа;

Ог — расход сжатого газа, м /с;

d — диаметр канала, м;

w — скорость истечения газа через канал ж 3,14.

Приведенные соотношения между длиной и диаметром каналов- — = 1,5-2,0 и ко-!

1781465 8

380-1500.

d личество каналов по длине корпуса и колон- прохода газа выбирается в соответствии с ны лифтовых труб и их периметров обосно- соотношением: вывается нижеследующим.

Расстояния между каналами для прохода газа по длине корпуса и колонны лифто- 5 вых труб и по их периметрам определяется иэ соотношения I =(1,5-2)d, Данное соотно- Существенным отличием также являетшение принято на основании стендовых ся диапазон оарьирования угла наклона каэкспериментальных испытаний, в результа- налов друг к другу, при котором те которых было установлено, что оно явля- 10 обеспечивается .наибольший крутящий моется наиболее оптимальным, при котором мент, создаваемый при вращении корпуса еще не происходит интерференций полей при заданном отношении давлений на входавления, и при котором скорость истече- де и выходе из каналов (Р /Р ). На основания газа через канал определяется из ниже- нии стендовых испытаний установлено, что приведенной экспериментальной 15 оптимальным углом <р. наклона каналов в зависимости w - f(Pg/Р ), где Р1 и Р— дав- цилиндрическом корпусе и подъемных труления на входе и выходе иэ канала соответ- бах друг к другу является угол в интервале ственно (фиг.2).. 45-65О (фиг,4).

Ниже приводятся результаты экспери- На фиг.1 приводится схема стендовой . ментальных исследований, выполненных на 20 установкй по определению зависимости головных газосепарационных устанбвках скорости истечения w газа через цилиндНефтяных Камней (табл.4 и фиг.1).. рические каналы в- зависимости от соотноПропускание газа осуществлялось че- шения давлений йа входе и выходе из него; рез микроскопические отверстия диамет- на фиг.2 - график зависимости скорости исром 0,1 мм на полированной 2 1/2 н,к.трубе 25 течения газа череэ цилиндрические каналы длиной 1 м, заглушенной с одйого конца . взависимостиотсооТношениядавленияна согласно приведенной схеме на фиг,1. входе и выходе из него; на фиг.3- общий вид

Измерения расхода газа осуществля- устройства для газлифтного подъема нефти лисьспомощьюрасходомера "Турбоквант". s продольном разрезе; на фиг.4 — разрез Делением расхода газа на площадьсечения 30 А-А на фиг.3. отверстия и их число определяли скорость .Устройство состоит из отрезка полироистечения газа через одно отверстие. Экс- ванной трубы 1(фиг.3,4) с микроскопически. перименты проводились при различных со- ми каналами 2, корпуса 3 с каналами 4, отношениях давлений (P2/P1) на входе и подшипников качания 5, сальниковых упвыходе из отверстия (см. табл,4).. 35 лотнителей 6, Кольцевое пространство межПриводятся результаты экспериментов, ду о бсадн ы ми л и фто вы ми трубами использованные при проектировании трех изолируют от призабойной зоны пакерами установок и примененные на скважинах 7, Каналы 2 и 4 в трубе 1 и корпусе 3соот641, 59, 1986 (табл.4, фиг.1).. ветственно выполнены под углом 45О друг к

По данным таблицы и графику можно 40 другу. рассчитать необходимое количество микро- Работа устройства осуществляется слескопических отверстий диаметром 0,1 мм, дующим образом, по кольцевому пространсудить о давлейии сжатого газа, необходи- ству 8 к корпусу 3 подается с поверхности мом для прокачки его через микроскопи- . сжатый газ, который через каналы 4 в нем ческие отверстия при обеспечении расхода 45 поступает в микроскопические каналы в тегаза, необходимого для подъема заданного ле трубы 1, За счет того, что отверстия 2 и 4 количества газированной. нефти. расположены под углом друг к другу, под

Существенным отличием также являет- давлением сжатого газа возникает крутяся интервал соотношения диаметров ис- щий момент, приводящий во вращательное пользуемых н.к. труб и каналов для прохода 50 движение корпус 3. Частота вращения коргаза, т.к, минимальный диаметр используе- пуса пропорциональна расходу сжатого гамых н,к. труб равен 38 мм, а найбольший за и устанавливается в зависимости от диаметр канала — 0,1 мм, то минимальное технологического режима работы скважин. отношение будет равным 380. При макси- При вращейии корпуса каналы, сообщаюмальном диаметре н.к.т, у башмака — 75 мм 55 щие затрубное пространство с трубным,. и наименьшим диаметре канала 0.05 мм, раэобщаются и вновь сообщаются с больО шой скоростью, в результате чего сжатый

oTHollleH e d бУдет максимальным и Раа газ попадает в трубное пространство дискным 1500. Следовательно, интервал отно- ретно(порционно),чтоведеткобразованию шения диаметров н.к.т. и каналов для мельчайшихпузырьковгаза,увлекающихза

1781465

D 38 75 — = — + —

d 0,1 0,05

Таблица 1

100

Р6/P

4,64

R /Rg собой нефть. Структура ГЖС, полученная в результате применения заявляемого устройства, позволяет лифтировать нефть с высоким КПД практически без непроизводительных газопотерь в оптимальном, 5 эмульсионном режиме. Кроме этого, значительно уменьшится пульсация жидкости, вследствие чего сократится частота пробкообразования.

Пример, Соотношение давлений в 10 затрубном P1 = 23 ат и трубном Рг = 18 ат пространствами составляет(см. табл.4, эксперимент ЬЬ 1).

По экспериментальному графику w=f(Pz/Р1) (фиг.2) определяет. что значению 15

= 0,78 соответствует скорость истечения, Рг»

Р1 газа. Расход газа. через одно отверстие в сутки составит.

Q<=F %0,78 10 м " 260 м/с 86400= 20

= 0,175219 мз/сут, где Г = 4 —. 0,78 10 м — площадь сечежб . -s г» ния микроскопического канала диаметром

d = 0,1 мм; 86400-, число секунд. в сутках.

Для эксплуатации газлифтной скважины дебитом 5 т/сут нефти и глубиной 1000 м, что характерно для месторождения Нефтяные Камни, суточная потребность в сжатом газе составляет в среднем 1250 м /сут..

Для пропуска такого количества газа через предложенное устройство потребуется ни- жеследующие число отверстий диаметром

d = 0,1 мм. и— 7142, 0,175 м lсут где 0,175 м /сут — пропускная способность 40 з одного отверстия.

Для размещения такого количества отверстий диаметром 0,1 мм с расстояниями между ними i = 2d потребовался отрезок н.к. трубы длиной 0,5 м и диаметром 2 1/2. 45

Реализация предложенного технического решения практически осуществлена в трех вышеупомянутых газлифтных скважинах, по которым получены нижеследующие результаты, при водимые в табл.5.

Как видно из этой таблицы, после применения устройства производительность скважин увеличилась в среднем на 17, расход газа сократился на 15-20$,.

Формула изобретения

1. Устройство для подъема жидкости из скважины, содержащее подъемную трубу, имеющую сквозные каналы в зоне башмака, и цилиндрический корпус, охватывающий трубу, имеющий сквозные каналы, подключенные к источнику сжатого газа, и установленный относительно трубы с возможностью поворота и сообщения его каналов с каналами трубы, причем каналы трубы и корпуса расположены рядами вдоль оси, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения расхода сжатого газа, каналы трубы и корпуса в плоскости, перпендикулярной к оси, выполнены друг к другу под углом, составляющим

45-65 .

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что диаметр каналов составляет

0,05 — 0,1 мм. . 3. Устройство по п.1; о т л и ч а ю щ е ес я тем, что расстояние между рядами каналов по высоте корпуса и трубы и шаг между, каналами в ряду составляет (1,5-2)d. где d— диаметр канала.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что отношение диаметра подъемной трубы к диаметру канала определено соотношением где D — диаметр подъемной трубы, 38 и 75- минимальный и максимальный диаметры подъемной трубы, 0,05 — 0,1 — минимальный и максимальный диаметры канала, 12

1781465

Таблица 2

0,1

0,01

0,001

R,мм

b,P, н

140000

1400000

1400

14000

Таблица 3

Таблица 4

Ргт б

w, м/с

Р1зат

23

18

16

25

22

18

18

18

18

17 18

29

102

32

43

16

17

22

16

19

18

Эксперимент

2

4

6

8

1О

11

12

13

14

16

17

18

19

:20

21

22

23

24

26.

27 . 28

29

Р snpy6s. Kc/cM г

Р2трубн., кГ/См г

18

19

17

14

18

16

21

17

16

16

16

14

14

23

17

74

27

37

14

18 .

14

16

13

260,4

267,2

322,5

160,2

163,2

158 .

349

252

252,7

240,8 .155,7

162,2

256

225,7

225,7

168,5

262,7

250,4

305,9

245,5

205;4

89,2

86,6

158,4

228,6

166,68

194,4

358

206,52

205,2 таблица 5

0,78

0,76

0,7

0,9

0,87

0,9

0,64

0,77

0,77

0,8

0,89

0,89

0,78

0;83 .

0,83

0,88

0,78

0,79

0,74

0,72

0,8

0,86

0,93

0,93

0,88

0,82

0,88

0,84

0,65

0,83

0,85

1781465

РосхсРомер ram

1781465 фиг

Составитель Н.Алешина

Редактор В;Трубченко Техред М.Моргентал Корректор fl,Ãåðåøè

Заказ 4264 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород; ул.Гагарина, 101