Насосная станция для перекачивания многокомпонентной газосодержащей среды

Изобретение относится к насосным станциям для перекачивания многокомпонентных газожидкостных смесей, преимущественно продукции нефтяных скважин. В насосной станции вход насоса, преимущественно винтового, соединен магистралью с емкостью зажижения, заполненной нефтеводяной смесью. Насосная станция содержит также циркуляционный контур с замыкающей магистралью, подключенной к емкости зажижения и к насосу. Емкость зажижения включает расположенный в верхней части переменный газовый объем и два разных по назначению объема для жидкой среды, один - расходуемый переменного заполнения, а другой - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура и полной выработки среды зажижения из переменного объема указанной емкости. Для чего корпус емкости снабжен двумя выходными патрубками, один из которых установлен на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов. Емкость зажижения снабжена также с внутренней стороны каналом, экранирующим нижний выходной патрубок. Через нижний торец канал сообщает емкость зажижения с нижним патрубком и далее с проточной магистралью. Технический результат состоит в обеспечении бесперебойного перекачивания скважинных жидкостей с твердыми дискретными частицами в экстремальных ситуациях с исключением перегрева и выхода из строя насосного оборудования. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технике перекачивания углеводородов, а именно к насосным станциям для перекачивания многокомпонентных газожидкостных смесей, преимущественно продукции нефтяных скважин, и может быть использовано в нефтяной и нефтегазовой отраслях промышленности.

Известен способ перекачки продукции нефтяных скважин, включающий сепарацию многокомпонентной газосодержащей смеси перед поступлением в насосную станцию (Нефтепромысловое оборудование. Справочник. Под ред. Е.И.Бухаленко. - М.: Недра, 1990, стр.425).

Недостатками известного способа являются необходимость в полном удалении газа от жидкой фракции при сепарации (сложность процесса), а также потеря газа и отрицательные экологические последствия при его сжигании в факельной установке.

Известны различные технические решения для нагнетания газожидкостной смеси: насосные установки, содержащие дозировочный и дожимной поршневые насосы, соединенные между собой посредством трубопровода и клапана (а.с. СССР №1339297, опубл. 23.09.87; а.с. СССР №1585545, опубл. 15.08.90), насосные станции с предварительным разделением продукции нефтяных скважин перед станцией на нефть, воду и газ с последующим раздельным нагнетанием и смешением после станции (а.с. СССР №623049, опубл. 1978; а.с. СССР №653481, опубл. 1979, пат. РФ №2007659, опубл. 1994).

Недостатками известных технических решений являются сложность конструкции, низкая надежность в работе и высокая стоимость насосных станций, реализующих указанные технические решения.

Известна насосная станция для перекачивания многофазных смесей, содержащая установленный на трубопроводе винтовой насос (П.Е.Амосов и др. Винтовые компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1977, стр.13).

Указанная станция на основе винтового насоса проста по конструкции и в эксплуатации, надежна в работе, экономична (КПД до 75%). Однако при высоких газосодержаниях (60…100 об.%) и больших степенях повышения давления (5…10 раз и выше) ее КПД снижается до 20…30% и возникает недопустимо высокий перегрев винтового насоса из-за отсутствия жидкостного уплотнения и охлаждения в местах контакта винтов между собой и корпусом насоса.

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому техническому результату является насосная станция для перекачки многокомпонентной газосодержащей смеси, содержащая, по крайней мере, один насос, например винтовой насос, установленный на трубопроводе, при этом вход насоса соединен магистралью с дополнительной емкостью зажижения, заполненной нефтеводяной смесью (патент RU 2239122 C2, опубл. 27.10.2004).

Основным недостатком указанной станции является то, что в емкости зажижения не контролируется уровень раздела газонефтяной и нефтеводяной фракций смеси, что может привести к перегреву насоса и выходу станции из строя при падении уровня ниже минимально обусловленного для надежной работы насоса и станции в целом.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении бесперебойного перекачивания скважинных жидкостей - сырой нефти, газового конденсата, потоков смешанных углеводородов, включающих нефть, воду, пар, газоконденсат, в том числе с газовыми и водяными пробками переменного объема, а также с примесями твердых дискретных частиц, и в повышении надежности и длительности работы насосной станции в экстремальных ситуациях с исключением перегрева и выхода из строя насосного оборудования.

Поставленная задача решается тем, что предложенная насосная станция для перекачивания многокомпонентной газосодержащей среды с переменным содержанием газа, согласно изобретению, содержит корпус, по меньшей мере, один, предпочтительно, винтовой насос; сообщенные с насосом по перекачиваемой среде подводящий и отводящий трубопроводы; емкость зажижения, заполняемую указанной многокомпонентной средой и/или водой; циркуляционный контур с замыкающей магистралью, подключенной на проток понизу к емкости зажижения и через подводящий трубопровод к насосу; блок управления и электрически связанные с ним не менее чем один установленный на замыкающей магистрали регулируемый электромагнитный клапан и размещенную у выхода из насоса термопару; при этом емкость зажижения соединена на проток с отводящим трубопроводом и выполнена в виде гидростатического сепаратора с корпусом, включающим расположенный в верхней части переменный газовый объем и расположенную под ним кубовую часть для жидкой среды, включающую два разных по назначению объема, один из которых - расходуемый переменного заполнения, а другой - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса в режиме перекачивания упомянутой среды с высоким содержанием газа, газовых пробок прогнозируемого объема и/или прогнозируемого времени работы в указанном режиме и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура и полной выработки среды зажижения из переменного объема указанной емкости, для чего корпус последнего наделен одним входным патрубком, двумя выходными патрубками, расположенными в стенке корпуса, и третьим - возвратным, размещенным в донной части корпуса и сообщенным с циркуляционным контуром, причем один из выходных патрубков расположен в верхней части корпуса, а другой - ниже первого на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов кубовой части емкости зажижения, кроме того, емкость зажижения снабжена с внутренней стороны элементом, экранирующим нижний выходной патрубок с сохранением протока через него и образованием ориентированного сверху вниз и продленного до придонной части емкости канала с герметичными стенками и открытыми торцами, по меньшей мере, через нижний из которых канал выполнен сообщающим емкость зажижения с нижним патрубком и далее с проточной магистралью с возможностью транспортирования жидкостной составляющей многокомпонентной среды при наличии ее в расходуемом объеме емкости зажижения выше нижней отметки проходного сечения, отделяющей его от расположенного ниже постоянного резервного объема кубовой части емкости зажижения.

Емкость зажижения может быть дополнительно подключена к внешнему источнику водоснабжения через дополнительный регулируемый электромагнитный клапан, электрически связанный с блоком управления через замедлитель исполнения команд на включение подачи в емкость зажижения воды до второго подъема температуры в насосе после срабатывания первого регулируемого электромагнитного клапана на включение охлаждения насоса через циркуляционный контур жидкостным компонентом многокомпонентной среды из емкости зажижения.

В циркуляционном контуре может быть установлен холодильник, а в верхней части емкости зажижения может быть расположен центробежный сепаратор.

По меньшей мере привод регулируемого клапана, установленного в циркуляционном контуре, может быть кинематически связан с поплавковым уровнемером, установленным внутри корпуса емкости зажижения, для чего указанный клапан размещен внутри указанной емкости, а его привод связан с поплавком посредством штока или кинематической пары «шток плюс штанга».

Емкость зажижения может быть оснащена расходомерами, установленными на выходных патрубках, подающих многокомпонентную среду в магистраль или отсепарированные газовый и жидкостный компоненты в раздельные трубопроводы, а также отдельный расходомер установлен на циркуляционном контуре.

Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции могут быть адаптированы к перекачиванию сырой нефти с переменным процентным содержанием газа с различной влажностью и газовых пробок.

Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции могут быть адаптированы к перекачиванию газового конденсата с переменным содержанием газа, варьируемым в широком диапазоне, достигающем 99%, а также с переменным содержанием жидкой углеводородной фазы, парообразной влаги и воды.

Насосное оборудование, обвязка и арматура станции могут быть адаптированы к перекачиванию многокомпонентной среды с включениями дискретных твердых частиц, не превышающих заданный допустимый размер, предусмотренный конструкцией насоса и с объемным содержанием до 15%.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в повышении надежности и длительности работы насосной станции за счет обеспечения бесперебойного охлаждения насоса в течение заданного периода времени, не менее требуемого для перекачивания максимальных из прогнозируемых по объему и времени перекачивания газовых пробок или сухого конденсата. Это достигается выверенной по высоте установкой патрубка для перекачивания жидкостного компонента смеси с сохранением в емкости зажижения резервного объема жидкостного компонента, по меньшей мере, до наступления экстремальной ситуации, что приводит к повышению КПД насоса и обеспечению бесперебойного перекачивания скважинных жидкостей в экстремальных ситуациях с исключением перегрева и выхода из строя насосного оборудования в период до полного израсходования жидкостного компонента из резервного объема емкости зажижения. Кроме того, введение в изобретении расположенного в емкости ориентированного сверху вниз канала, открытого с торцов и экранирующего от внутреннего объема емкости нижнего пристенного выходного патрубка, с сохранением циркуляционного поступления в него жидкого компонента через придонную часть резервного объема и нижнего торца канала с одновременным восстановительным замещением расхода жидкого компонента из переменного объема кубовой части емкости зажижения. Это исключает оседание и накапливание в придонной части емкости зажижения твердых и тяжелых неорганических и полимерных частиц и также повышает бесперебойную полезную работу системы транспорта многокомпонентной среды, не требуя ее сложного предварительного разделения на участке от скважины до нефте-, газоперерабатывающего предприятия.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой показана функциональная схема предлагаемой насосной установки, где h_п - высота расходуемого объема переменного заполнения, Н_р - высота резервного объема.

Насосная станция для перекачивания многокомпонентной среды с переменным содержанием газа содержит корпус, по меньшей мере, один, предпочтительно, винтовой насос 1; сообщенные с насосом 1 по перекачиваемой среде подводящий и отводящий трубопроводы 2 и 3 соответственно; емкость 4 зажижения, заполняемую указанной многокомпонентной средой 5 и/или водой; циркуляционный контур 6 с замыкающей магистралью 7, подключенной на проток понизу к емкости 4 зажижения и через подводящий трубопровод 2 к насосу 1; блок управления 8 и электрически связанные с ним не менее чем один установленный на замыкающей магистрали 7 регулируемый электромагнитный клапан 9 и размещенную у выхода из насоса 1 термопару 10.

Емкость 4 зажижения соединена на проток с отводящим трубопроводом 3 и выполнена в виде гидростатического сепаратора с корпусом 11, включающим расположенный в верхней части переменный газовый объем 12 и расположенную под ним кубовую часть для жидкой среды. Кубовая часть включает два разных по назначению объема 13 и 14. Объем 13 - расходуемый переменного заполнения, а объем 14 - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса 1 в режиме перекачивания упомянутой среды с высоким содержанием газа, газовых пробок прогнозируемого объема и/или прогнозируемого времени работы в указанном режиме и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура 6 и полной выработки среды зажижения из переменного объема 13 указанной емкости 4. Корпус 11 емкости наделен одним входным патрубком 15, двумя выходными патрубками 16, 17, расположенными в стенке корпуса 11, и третьим патрубком 18 - возвратным, размещенным в донной части корпуса 11 и сообщенным с циркуляционным контуром 6. Выходной патрубок 16 расположен в верхней части корпуса 11, а патрубок 17 - ниже первого на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов 13 и 14 соответственно кубовой части емкости 4 зажижения.

Емкость 4 зажижения снабжена с внутренней стороны элементом, экранирующим нижний выходной патрубок 17 с сохранением протока через него и образованием ориентированного сверху вниз и продленного до придонной части емкости 4 канала 19 с герметичными стенками и открытыми торцами, по меньшей мере, через нижний из которых канал выполнен сообщающим емкость 4 зажижения с нижним патрубком 17 и далее с проточной магистралью с возможностью транспортирования жидкостной составляющей многокомпонентной среды при наличии ее в расходуемом объеме 13 емкости 4 зажижения выше нижней отметки проходного сечения, отделяющей его от расположенного ниже постоянного резервного объема 14 кубовой части емкости 4 зажижения.

Емкость 4 зажижения дополнительно подключена к внешнему источнику водоснабжения через дополнительный регулируемый электромагнитный клапан (на чертеже не показано), электрически связанный с блоком управления через замедлитель исполнения команд на включение подачи в емкость 4 зажижения воды до второго подъема температуры в насосе 1 после срабатывания первого регулируемого электромагнитного клапана 9 на включение охлаждения насоса 1 через циркуляционный контур 6 жидкостным компонентом многокомпонентной среды из емкости 4 зажижения.

В циркуляционном контуре 6 установлен холодильник, а в верхней части емкости 4 зажижения расположен центробежный сепаратор.

По меньшей мере привод регулируемого клапана 9, установленного в циркуляционном контуре 6, кинематически связан с поплавковым уровнемером, установленным внутри корпуса 11 емкости зажижения. Указанный клапан размещен внутри емкости 4, а его привод связан с поплавком посредством штока или кинематической пары «шток плюс штанга».

Емкость 4 зажижения оснащена расходомерами, установленными на выходных патрубках 16, 17, подающих многокомпонентную среду в магистраль или отсепарированные газовый и жидкостный компоненты в раздельные трубопроводы, а также отдельный расходомер установлен на циркуляционном контуре 6.

Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию сырой нефти с переменным процентным содержанием газа с различной влажностью и газовых пробок.

Насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию газового конденсата с переменным содержанием газа, варьируемым в широком диапазоне, достигающем 99%, а также с переменным содержанием жидкой углеводородной фазы, парообразной влаги и воды.

Насосное оборудование, обвязка и арматура станции адаптированы к перекачиванию многокомпонентной среды с включениями дискретных твердых частиц, не превышающих заданный допустимый размер, предусмотренный конструкцией насоса и с объемным содержанием до 15 процентов.

Работа насосной станций осуществляется следующим образом.

При включении винтового насоса 1 происходит перекачка газонефтяной смеси по трубопроводу 2. На выходе из насоса 1 смесь попадает в емкость 4, в нижней части которой скапливается нефтеводяная фракция (смесь). В случае попадания на вход насоса 1 газовой или газонефтяной пробки с высоким (60…90 об.%) содержанием газа происходит нагрев смеси из-за адиабатического сжатия газа и снижения жидкостного охлаждения насоса 1. Этот нагрев регистрируется термопарой 10 на выходе из насоса 1 и приводит к срабатыванию электронного блока управления 8, электрический управляющий сигнал от которого подается на электромагнит 20 клапана 9. Клапан 9 срабатывает, при этом из емкости 4 водонефтяная смесь через патрубок 18 и открытый электромагнитный клапан 9 по магистрали 7 поступает на вход винтового насоса 1 с сохранением при этом в емкости зажижения резервного объема жидкостного компонента до исчерпания его в переменном объеме. При прохождении через трубопровод 2 газовых пробок объемом, превышающим максимально прогнозируемый, после исчерпания охлаждающего насос расходуемого объема 13 жидкостного компонента задействуется резервный объем 14 емкости 4. Это обеспечивает восстановление КПД насоса и устраняет его перегрев.

Вне экстремальной ситуации жидкостная смесь попадает в нижний пристенный патрубок 17 при высоком уровне жидкостного компонента в емкости 4 через торцы канала 19. После снижения уровня жидкостного компонента ниже верхнего торца канала 19 жидкостный компонент поступает в патрубок 17 исключительно из придонной части емкости 4 и нижний торец канала 19. При этом до исчерпания жидкостного компонента в расходуемом объеме 13 происходит непрерывное замещение расхода жидкостного компонента, подаваемого из резервного объема 14 в патрубок 17. Такой порядок перемещения жидкостного компонента предотвращает оседание в придонной части емкости 4 тяжелых дискретных частиц и обеспечивает их постоянное удаление вместе с потоком жидкостного компонента, направляемого через патрубок 17 во внешнюю магистраль.

Использование заявляемого изобретения позволяет снизить энергозатраты на перекачивание многокомпонентных нефтегазовых смесей насосными станциями по сравнению с известным способом, построенным на предварительном разделении добываемого углеводорода на фракции в известных установках.

1. Насосная станция для перекачивания многокомпонентной среды с переменным содержанием газа, характеризующаяся тем, что содержит корпус, по меньшей мере, один, предпочтительно, винтовой насос; сообщенные с насосом по перекачиваемой среде подводящий и отводящий трубопроводы; емкость зажижения, заполняемую указанной многокомпонентной средой и/или водой; циркуляционный контур с замыкающей магистралью, подключенной на проток понизу к емкости зажижения и через подводящий трубопровод к насосу; блок управления и электрически связанные с ним не менее чем один установленный на замыкающей магистрали регулируемый электромагнитный клапан и размещенную у выхода из насоса термопару; при этом емкость зажижения соединена на проток с отводящим трубопроводом и выполнена в виде гидростатического сепаратора с корпусом, включающим расположенный в верхней части переменный газовый объем и расположенную под ним кубовую часть для жидкой среды, включающую два разных по назначению объема, один из которых - расходуемый переменного заполнения, а другой - резервный, определенный из условия достаточности для охлаждения насоса в режиме перекачивания упомянутой среды с высоким содержанием газа, газовых пробок прогнозируемого объема и/или прогнозируемого времени работы в указанном режиме и поддерживаемый постоянным до включения в работу циркуляционного контура и полной выработки среды зажижения из переменного объема указанной емкости, для чего корпус последнего наделен одним входным патрубком, двумя выходными патрубками, расположенными в стенке корпуса, и третьим - возвратным, размещенным в донной части корпуса и сообщенным с циркуляционным контуром, причем один из выходных патрубков расположен в верхней части корпуса, а другой ниже первого на уровне раздела упомянутых переменного расходуемого и постоянного резервного объемов кубовой части емкости зажижения, кроме того, емкость зажижения снабжена с внутренней стороны элементом, экранирующим нижний выходной патрубок с сохранением протока через него и образованием ориентированного сверху вниз и продленного до придонной части емкости канала с герметичными стенками и открытыми торцами, по меньшей мере, через нижний из которых канал выполнен сообщающим емкость зажижения с нижним патрубком и далее с проточной магистралью с возможностью транспортирования жидкостной составляющей многокомпонентной среды при наличии ее в расходуемом объеме емкости зажижения выше нижней отметки проходного сечения, отделяющей его от расположенного ниже постоянного резервного объема кубовой части емкости зажижения.

2. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что емкость зажижения дополнительно подключена к внешнему источнику водоснабжения через дополнительный регулируемый электромагнитный клапан, электрически связанный с блоком управления через замедлитель исполнения команд на включение подачи в емкость зажижения воды до второго подъема температуры в насосе после срабатывания первого регулируемого электромагнитного клапана на включение охлаждения насоса через циркуляционный контур жидкостным компонентом многокомпонентной среды из емкости зажижения.

3. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что в циркуляционном контуре установлен холодильник, а в верхней части емкости зажижения расположен центробежный сепаратор.

4. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, привод регулируемого клапана, установленного в циркуляционном контуре, кинематически связан с поплавковым уровнемером, установленным внутри корпуса емкости зажижения, для чего указанный клапан размещен внутри указанной емкости, а его привод связан с поплавком посредством штока или кинематической пары «шток плюс штанга».

5. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что емкость зажижения оснащена расходомерами, установленными на выходных патрубках, подающих многокомпонентную среду в магистраль или отсепарированные газовый и жидкостный компоненты в раздельные трубопроводы, а также отдельный расходомер установлен на циркуляционном контуре.

6. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию сырой нефти с переменным процентным содержанием газа с различной влажностью и газовых пробок.

7. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что насосное оборудование, арматура, блок управления и вспомогательные системы станции адаптированы к перекачиванию газового конденсата с переменным содержанием газа, варьируемым в широком диапазоне, достигающем 99%, а также с переменным содержанием жидкой углеводородной фазы, парообразной влаги и воды.

8. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что насосное оборудование, обвязка и арматура станции адаптированы к перекачиванию многокомпонентной среды с включениями дискретных твердых частиц, не превышающих заданный допустимый размер, предусмотренный конструкцией насоса и с объемным содержанием до 15%.