Разработка и исследование вихревых газосепараторов для высокодебитных скважин

Введение посвящено общей характеристике работы. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель и поставлены задачи работы.
Изложены основные научные результаты и защищаемые положения.
Первая глава содержит описание процесса влияния газа на характеристики УЭЦН, методов борьбы с влиянием газа на характеристики насосов, типичных конструкций центробежных и вихревых газосепараторов, причин возникновения их гидроабразивного износа и ухудшения сепарации при
увеличении подачи, обосновывается постановка задач исследований.
При концентрации газа на входе в установку до 35-40% применяют следующие методы для снижения негативного влияния газа, такие как заглубление под динамический уровень, использование диспергаторов и насосов конического типа сборки, варьирование частоты вращения установки. При концентрации газа более 40% эффективность перечисленных методов снижается. Применение погружного газосепаратора для сброса газа в затрубное пространство является наиболее эффективным методом при концентрации газа более 40%. Однако, в условиях применения технологий интенсификации нефтедобычи, увеличивается концентрация выносимых механических примесей в добываемой жидкости. Это приводит к гидроабразивному износу защитной
гильзы и корпуса газосепараторов, к разрушению установки и «полетам». Вихревой тип конструкции газосепараторов был предложен для уменьшения гидроабразивного износа. В газосепараторах этого типа сепарация
осуществляется в свободном вихре, внутри вихревой камеры.
Ряд авторов указывают, что коэффициент сепарации современных газосепараторов уменьшается при увеличении подачи, и диаметра корпуса. А массовое применение технологий интенсификации нефтедобычи привело как к росту подач, так и габаритов установок электроцентробежного насоса. Возникла необходимость разработки газосепараторов для таких условий.
Показано, что:
1 Центробежные газосепараторы обеспечивают эффективное отделение газа от жидкости на малых и средних подачах по смеси (до 200 м3/сут в 5 габарите). На больших подачах, коэффициент сепарации низкий, это обуславливается большим количеством вихрей, которые в свою очередь, разрушают сепарацию. А низкая гидроабразивная стойкость, связана с накоплением механических примесей в области кавитирующего колеса и шнековой ступени. Эти факторы позволяют предположить о нецелесообразности применения газосепараторов центробежного типа в установках для добычи нефти в высокодебитных скважинах.
2 Недостаточно исследований о влиянии геометрии проточной части на коэффициент сепарации и гидроабразивный износ вихревого газосепаратора. Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процессов
сепарации и гидроабразивного износа погружных газосепараторов. Проанализированы факторы (газосодержание, дисперсность, давление на входе, наличие механических примесей и др.), влияющие на характеристики газосепараторов. Для обнаружения закономерности движения потока в вихревой камере газосепаратора, влияющих на сепарационную эффективность устройства, проведено исследование работы газосепаратора по методике численного моделирования в программном продукте ANSYS по уравнениям
Навье-Стокса с моделью турбулентности k–ε.
Для несжимаемой жидкости (ρ = const) приняты уравнения
неразрывности и движения в форме Рейнольдса:

( ̅ ̅ ) x
̅ ̅ ̅ ̅̅̅̅̅̅ (2) =− + (μ ( + )−ρ ′ ′),
̅
ρ +
̅ = 0 , x
(1)
x x xj x
где ̅ – вектор скорости с компонентами х, , ; ̅ – вектор давления; μ — эффективная вязкость жидкости; ρ – плотность жидкости.
Граничные условия: прилипание жидкости к стенке: |R1 = 2πnR1, | = 0, где R1 и – радиусы соответственно вала (вращающегося) и (неподвижного) корпуса, м; n – частота вращения, об/мин., подача – 175 м3/сут, и атмосферное давление на выходе.
Получено распределение тангенциальной скорости жидкости при перекачке через вихревую камеру газосепаратора (Рисунок 1). Видно, что с увеличением длины вихревой камеры, скорость потока снижается, течение из струйного переходит к хаотичному. Cечение 1 находится на расстоянии 72 мм от завихрителя, 2 – 144 мм, 3 – 216 мм).
Рисунок 1 – Изоповерхности скоростей жидкости по длине вихревого газосепаратора
В результате получили зависимость тангенциальной скорости от безразмерного радиуса r/R для каждой из плоскостей (Рисунок 2), где r – радиус точки в проточном сечении газосепаратора. Значение 0,3 безразмерного радиуса соответствует области рядом с вращающимся валом, а значение 1 области рядом с гильзой (на периферии). Тангенциальная скорость имеет максимум вблизи стенки гильзы, есть участок, где она увеличивается линейно. Также видно, что максимальное значение тангенциальной скорости снижается с ростом длины вихревой камеры.

Аналитические и численные расчеты позволяют сформулировать гипотезу о том, что в процессе движения потока в вихревой камере происходит сначала воздействие центробежных сил на разделение фаз, а затем затухание спирального движения, которое может привести к снижению коэффициента сепарации.
Рисунок 2 – Зависимость тангенциальной скорости от безразмерного радиуса в вихревой камере газосепаратора
Основными причинами отказа погружных газосепараторов, являются разрушение защитной гильзы и разрушение радиальных подшипников. По известным в литературе экспериментальным исследованиям проведено аналитическое описание процесса гидроабразивного износа газосепараторов выявлено, что к ускоренному износу защитной гильзы приводит увеличение скорости вращения вала; большие размеры абразивных частиц; высокая концентрация абразива; высокая твердость частиц абразива. Эти параметры учитывались при компьютерном моделировании гидроабразивного износа.
Для моделирования работы газосепаратора с механическими примесями используются уравнения (1–2) описанные выше. После численного расчета линий тока жидкости проводился расчет движения абразивных частиц. Уравнение для импульса частицы:

= ω +4π( )3 ( − )+1 ( − ), (3) 232 2
где и масса частицы и жидкости, присоединенной к частице, соответственно; – скорость жидкости и частицы, соответственно;

– плотности частицы и жидкости, соответственно; ω – угловая скорость
вращения шнека; – диаметр частицы.
Результаты численного моделирования гидроабразивного износа
сравнивали по картине распределения эрозии с износом, полученным в ходе стендовых испытаний в таких же условиях. Максимальный износ в обоих случаях обнаружен на защитной гильзе в месте её стыковки с входной решеткой (Рисунок 3). В месте расположения шнека наблюдаются небольшие возмущения поверхности гильзы, в вихревой камере износа не выявлено.
Максимальный износ
Рисунок 3 – Сравнение результатов экспериментального и численного моделирования мест износа в гильзе газосепаратора
На входной решетке (Рисунок 4) при натурном эксперименте обнаружили, что происходит изнашивание верхних торцов лопаток решетки. При численном моделировании получили максимальные значения износа в тех же местах.

Максимальный износ
Рисунок 4 – Сравнение мест износа в решетке газосепаратора
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса разделения газа и жидкости в вихревых газосепараторах.
Проведение экспериментальных исследований процесса работы газосепараторов на газожидкостной смеси (ГЖС) осуществлялось с использованием сертифицированного стенда АО «Новомет-Пермь» (Рисунок 5, а), по схеме, указанной на Рисунке 5, б.
а)
б)
1 – узел ввода газа в стенд; 2 – узел ввода жидкости в диспергатор;
3 – диспергатор; 4 – приемная сетка газосепаратора; 5 – исследуемый газосепаратор; 6 – мембрана; 7 – колонна; 8 – выкидные отверстия газосепаратора; 9 – отвод отсепарированного газа; 10 – отвод дегазированной жидкости
Рисунок 5 – Фото (а) и схема (б) стенда для испытаний газосепараторов на ГЖС
При проведении испытаний (Рисунок 5, б) потоки газа и жидкости, направляются в диспергатор 3 через вводы 1 и 2, соответственно. Диспергатор3

Таблица 1 – Измеряемые параметры и средства измерения
нагнетает ГЖС в колонну 7, внутри которой установлен газосепаратор 5. Вся ГЖС через приемную сетку 4 поступает в газосепаратор 5 так как затрубное пространство перекрыто мембраной 6. В газосепараторе 5 происходит процесс сепарации газа от жидкости. Отсепарированный газ через выкидные отверстия 8 направляется через отвод 9 на замер. Дегазированная жидкость через отвод 10 направляется в насос.
Все величины измеряются непосредственно на стенде при помощи двух газовых расходомеров, электромагнитного расходомера жидкости, датчиков давления, температуры и крутящего момента (Таблица 1).
измеряемый параметр
Расход жидкости
Расход газа
Обороты вала газосепаратора Момент на валу газосепаратора Температура воды или газа
Давление
прибор
Электромагнитный расходомер Yokogawa AXF Вихревой расходомер Yokogawa DY
Датчик крутящего момента HBM
Датчик крутящего момента HBM
Датчик температуры
Датчики давления
диапазон измерения
4– 1700 м3/сут
0 – 1728 м3/сут
0 – 6000 об/мин
0 – 200 Н*м
273 – 373 градусов Кельв. 0 –16 МПа
точность измерения ± 0,35%
± 1%
± 0,1%
± 0,1%
± 0,25%
± 0,15% от max
Для количественной и качественной оценки эксплуатационной эффективности исследуемых конструкций газосепараторов выполнено построение и анализ модели сепарации газа K:
K = f(y1, y2),
(4)
где y1 – длина вихревой камеры, мм; y2 – частота вращения вала, Гц. Зависимость K от двух переменных y1 и y2 выражена через уравнение второго порядка и имеет вид:
K = 0,633 + 0,015y1 + 0,02y2 – 0,075y12 + 0,003y1y2 -0,045y22. (5)
При решении уравнения 5 были получены оптимальные условия (y1, y2) коэффициента сепарации K. Подобные условия были найдены при проведении экспериментальных исследований газосепараторов.
Серия экспериментов с варьированием длины вихревой камеры газосепараторов в 5, 5А и 6 габаритах при 2910 об/мин показала, что:
1 Коэффициент сепарации зависит от длины вихревой камеры, эта зависимость немонотонная с двумя экстремумами (Рисунок 6).
2 Оптимальное соотношение длины вихревой камеры к диаметру проточного канала находится в узком диапазоне значений от 2 до 2,5. Значения более 2,5 приводят к снижению коэффициента сепарации. Это связано с затуханием спирального движения газожидкостного потока.
3 Отношение длины вихревой камеры к диаметру проточного канала от 0,5 до 1 является наихудшим с точки зрения коэффициента сепарации для газосепараторов. Это можно объяснить сильной завихрённостью поля скоростей после выхода потока из шнека.
Рисунок 6 – Зависимость коэффициента сепарации от отношения длины вихревой камеры к диаметру
Предложен безразмерный параметр X, характеризующий число оборотов пузырька газа вокруг оси газосепаратора, определенный следующим образом:

X= , βвх
(6)
где L – длина вихревой камеры, м; S – площадь сечения вихревой камеры, м2; n – частота вращения вала, об/мин; Qmax – максимальная подача по смеси, м3/сут; βвх – газосодержание на входе в газосепаратор.
Были исследованы три конструкции газосепараторов в 5, 5А и 6 габарите с максимальными подачами 600, 900 и 1200 м3/сут. Дополнительно варьируемые параметры при исследованиях – частота вращения вала (от 1000 до 5000 об/мин) и длина вихревой камеры (от 0 до 250 мм). По полученным данным построили зависимость коэффициента сепарации от безразмерного параметра (X) для каждого устройства (Рисунок 7), откуда видно, что эта зависимость не монотонная, с максимумом при X = 2,3…3. Следовательно, геометрические размеры вихревой камеры газосепаратора для заданных условий эксплуатации (βвх, n, Qmax) определяются следующей зависимостью:
= X βвх.
Рисунок 7 – Зависимость (X) для газосепараторов 5, 5А и 6 габаритов
(7)
Таким образом, предложенный критерий позволяет спроектировать газосепаратор (геометрию вихревой камеры) под заданные эксплуатационные
условия, либо рассчитать коэффициент сепарации у существующего устройства и указать допустимый рабочий диапазон.
Четвертая глава посвящена исследованию процесса гидроабразивного износа погружных газосепараторов. Исследования проходили на сертифицированном стенде АО «Новомет-Пермь», на котором проводится большое число испытаний новой и серийной продукции газосепараторов в постоянных условиях (Рисунок 8, а). Экспериментальные исследования проводились на стенде по схеме, указанной на Рисунке 8, б.
а)
б)
1 – подвод жидкости; 2 – бак; 3 – воронка для песка; 4 – приводной двигатель; 5 – газосепаратор; 6 – отвод смеси от выкидных отверстий в бак; 7 – электроцентробежный насос; 8 – датчик давления; 9 – расходомер; 10 – твердосплавный штуцер
Рисунок 8 – Фото (а) и схема (б) стенда для испытаний газосепараторов на гидроабразивной смеси
Основная идея исследований состоит в проведении сравнительных испытаний газосепараторов различных конструкций в одинаковых и контролируемых условиях. Для испытаний применяется гидроабразивная смесь дегазированной воды и кварцевого песка двух фракций: от 500 до 1000 мкм, концентрацией 5 г/л и от 10 до 30 мкм, концентрацией 5 г/л при минимальной подаче жидкости устройства, заданной техническими условиями. Частота вращения вала устройства задается максимальная по техническим условиям на

измеряемый параметр Диаметральные размеры деталей Масса деталей Расход жидкости
Давление
прибор
Штангенциркуль ШЦ-I-150-0,05
Весы МК-32.2-А21 Электромагнитный расходомер Yokogawa AXF
Датчики давления
диапазон измерения 0 – 150 мм
0 – 32 кг
4– 1700м3/сут
0 –1,6 МПа
точность измерения 0,05 мм
0,01 кг ± 0,35%
± 0,15%от max
устройство. Крупная фракция нужна для ускорения износа поверхности проточных каналов, мелкая – проникает в зазоры подшипников и обеспечивает их гидроабразивный износ. Измеряемые параметры и средства измерения с указанием точности замеров представлены в Таблице 2.
Таблица 2 – Измеряемые параметры и средства измерения
Критерием отказа является появление сквозных отверстий на защитной гильзе газосепаратора, слом радиального подшипника или потеря массы устройства (детали) более 20% от начальной величины.
Жидкость с песком подаются через задвижку 1 и воронку 3 в бак 2. Из бака 2 смесь проходит через расходомер 9 поступает на вход в газосепаратор 5, работающий от двигателя 4. В газосепараторе 5 происходит гидроабразивное воздействие на детали устройства. Отсепарированная смеси, через выкидные отверстия и трубопровод 6 поступают в бак 2, остальная часть смеси поступает в насосную секцию 7. Твёрдосплавный штуцер 10 определяет объемную подачу системы. По системе трубопроводов смесь сбрасывается обратно в бак 2. Происходит циркуляция смеси по системе. Через час смесь меняется. Датчиком 8 фиксируется давление на выходе газосепаратора.
По результатам исследований на гидроабразивную стойкость погружных газосепараторов выявили следующее:
1 Центробежный тип газосепаратора обладает низкой гидроабразивной стойкостью. Это подтверждается низкими наработками в скважинах, а также результатами экспериментальных исследований. Зоной максимального гидроабразивного износа является кавитирующее колесо и шнековая ступень.
2 Стендовая наработка вихревых газосепараторов более чем в пять раз выше, чем у центробежной. Максимальный износ защитной гильзы наблюдается в месте перехода потока из решетки в шнек (Рисунок 9, а, б). Интенсивному износу подвергаются решетка, защитная гильза и вход шнека.
3 Проведенные эксперименты на разных типах входных решеток показали, что для увеличения гидроабразивной стойкости газосепараторов рациональней применять решетку с конической втулкой и заужением проходного сечения. Решетки с конической втулкой снизили скорость гидроабразивного износа в 3-4 раза по сравнению с базовой конструкцией.
а)
б)
Рисунок 9 – Изменение толщины стенки защитной гильзы по длине после гидроабразивных испытаний вихревого газосепаратора (а), фото, изношенных решетки и шнека (б)
Пятая глава посвящена описанию конструкции и рабочих характеристик разработанных и запатентованных вихревых газосепараторов.
Была разработана конструкция, приведенная на Рисунке 10. На основе данной конструкции были спроектированы газосепараторов в 3, 5, 5А, 6 габаритах для высокодебитных скважин. Вихревой газосепаратор работает следующим образом. Поток газожидкостной смеси через входной модуль 1 поступает в геликоидальный шнек 2, в котором во время движения по спиральной лопасти происходит повышение давления потока газожидкостной смеси и начальное разделение газовой и жидкой фаз в поле центробежных сил.
1 – входной модуль, 2 – геликоидальный шнек, 3 – вихревая камера, 4 – разделитель Рисунок 10 – Конструкция вихревых газосепараторов для высокодебитных скважин
Затем закрученный поток газожидкостной смеси поступает в вихревую камеру 3, где по инерции продолжает двигаться по спирали с переносом жидкой фазы к периферии и вытеснением газовой фазы к центру. После вихревой камеры 3 с помощью разделителя 4 газ сбрасывается через выкидные отверстия в затрубное пространство, а жидкость подается в насос.
Ниже представлены результаты исследований на сепарацию и абразивную стойкость газосепаратора ГН5-600. Сепарационная характеристика на Рисунке 11 монотонно убывающая, на подаче 100 м3/сут УЭЦН с данным газосепаратором будет работать стабильно с концентрацией газа до 80% и до 55% на максимальных подачах. После гидроабразивных испытаний сепарационная характеристика снизилась до подач 200 м3/сут не значительно.
Рисунок 11 – Сепарационная характеристика газосепаратора ГН5-600 сплошная линия – до гидроабразивных испытаний; пунктир – после гидроабразивных испытаний
На Рисунке 12 видно, что входная решетка имеет места изменения формы, но не критичные в рамках стабильной работы устройства.

Рисунок 12 – Внешний вид решетки после гидроабразивных испытаний
После испытаний на гидроабразивную стойкость обнаруженно два локальных места повышенного износа по длине защитной гильзы (Рисунок 13). Они обусловленны вихреобразованиями на входе потока в шнек, который резко увеличивает радиальную составляющую скорости, и на выходе потока из шнека, из-за обтекания профиля лопасти. Разработанные автором газосепараторы в 3, 5, 5А и 6 габаритах отличаются от известных тем, что длина вихревой камеры определена из соотношения длины к диаметру газосепаратора от 2 до 2,5; решетка, имеет проходное сечение, площадь которого не превышает общую площадь поперечного сечения отверстий.
Рисунок 13 – Изменение толщины стенки гильзы после гидроабразивных испытаний На данный момент в эксплуатации находятся 35 установок, оборудованных разработанными устройствами с текущей средней наработкой
более 276 суток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой самостоятельную законченную научно- квалификационную работу, в которой решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности и разработки газосепараторов вихревого типа для высокодебитных скважин посредством обоснования геометрических параметров устройства. Основные результаты работы заключаются в следующем:
1 Анализ теоретических и экспериментальных исследований погружных газосепараторов показал, что недостаточно изучен вопрос и отсутствуют аналитические модели процесса сепарации газа в вихревой камере.
2 Разработан и исследован безразмерный критерий Х, который определяет число оборотов пузырька газа вокруг оси приводного вала вихревого газосепаратора, выявлено, что коэффициент сепарации имеет максимум при X = 2,3 ÷ 3. Величина X = (2,3 ÷ 3) безразмерного критерия вихревых газосепараторов позволяет подобрать оптимальные размеры вихревой камеры (L, S) для заданных условий эксплуатации (βвх, n, Qmax). Эта величина может быть использована как индикатор эффективного подбора существующих газосепараторов к скважинным условиям.
3 Экспериментально установлено, что имеется затухание интенсивности вращения потока ГЖС в вихревой камере, которое приводит к немонотонному характеру зависимости изменения коэффициента сепарации от длины вихревой камеры. При этом максимальное значение коэффициента сепарации в вихревой камере обеспечивается при отношении длины вихревой камеры к её диаметру в диапазоне 2…2,5 при 2910 об/мин. Экспериментальные исследования гидроабразивного износа показали, что максимальный износ защитной гильзы наблюдается в месте перехода потока от решетки в шнек и объясняется снижением скорости потока в переходной зоне от неподвижной детали к вращающейся, и как следствие происходит накопление механических примесей, а предложенное техническое решение.
4 На основе научно обоснованных технических решений по изменению конструкции входной решетки позволили снизить скорость гидроабразивного износа в переходной зоне в 4 раза за счет локального увеличения скорости потока, что препятствует накоплению механических примесей; и по определению длины вихревой камеры для заданного габарита обеспечивающую высокий коэффициент сепарации при больших подачах газожидкостной смеси разработаны газосепараторы в 3, 5, 5А и 6 габаритах для высокодебитных скважин.