Погружной сепаратор и способ сепарации газа и жидкости

007040 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к сепараторам для нефтяной и газовой скважины, более конкретно к центробежному погружному сепаратору газа и жидкости, а также к способу скважинной сепарации газа и жидкости из добываемого флюида. Предшествующий уровень техники Жидкости являются, по существу, несжимаемыми текучими средами, в то время как газы представляют собой сжимаемые текучие среды. Текучая среда или флюид, добываемый из нефтяной или газовой скважины, обычно содержит жидкости и газы. В частности, при добыче метана из угольной залежи добываемый флюид содержит газ и воду. Перекачивание такого добываемого флюида насосом затруднено вследствие сжимаемости газа. Сжимаемость газа снижает эффективность насоса, и в насосе может иметь место кавитация, прерывающая поток флюида. Погружные сепараторы сепарируют газ и жидкость из добываемого флюида около дна эксплуатационной колонны до перекачивания жидкости вверх по колонне,что повышает эффективность и надежность процесса перекачивания. В некоторых случаях отходы из добываемого флюида могут быть повторного введены в породу выше или ниже продуктивного пласта, что позволяет избежать затрат на транспортирование этих отходов на поверхность, их удаление или переработку. Сепаратор, использующий для сепарации гидрофобную мембрану, раскрыт в патенте США 5673752,Scudder и др. Приводные центробежные сепараторы раскрыты в патентах США 6036749, Ribeiro и др., 6066193, Lee, и 6382317, Соbb. В патенте США 6155345, Lee и др., описан сепаратор, разделенный на множество камер сепарации посредством проточных подшипниковых опор. Сущность изобретения Погружной сепаратор содержит корпус, образующий внутреннюю полость, средства ограничения потока флюида, внутренний насос и вихрегенератор. Средства ограничения потока флюида расположены в корпусе и разделяют внутреннюю полость на первую камеру и вторую камеру. Внутренний насос перекачивает добываемый флюид в первую камеру и через средства ограничения потока. Средства ограничения потока создают перепад давления в добываемом флюиде на входе во вторую камеру, что вызывает сепарацию газа и жидкости. Вихрегенератор отделяет жидкость к наружной области и газ к внутренней области второй камеры. Способ сепарации жидкости и газа из добываемого флюида содержит этапы перекачивания флюида в первую камеру, создания перепада давления в флюиде на входе во вторую камеру и создания завихрения флюида во второй камере. Перечень фигур чертежей Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах фиг. 1 изображает сепаратор в соответствии с изобретением на виде сбоку,фиг. 2 изображает сепаратор по фиг. 1 в продольном разрезе,фиг. 3 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом головку сепаратора по фиг. 1,фиг. 4 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом нижний диффузор сепаратора по фиг. 1,фиг. 5 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом верхний диффузор сепаратора по фиг. 1,фиг. 6 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом подшипниковый корпус сепаратора по фиг. 1,фиг. 7 изображает на виде в перспективе с частичным вырезом импеллер сепаратора по фиг. 1. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Как показано на фиг. 1 и 2, сепаратор 10 содержит корпус 11, основание 12 и головку 14. Корпус 11 выполнен в виде полого удлиненного цилиндра, образующего внутреннюю полость 15. Корпус 11 сепаратора имеет отстоящие друг от друга нижний конец 17 и верхний конец 18, снабженные внутренней резьбой. При описании конкретных примеров выполнения, выбранных для иллюстрации изобретения, используется определенная терминология, которая служит для удобства изложения и не носит ограничительного характера. Например, термины верх, низ (дно), вверх, вниз относятся к устройству в его нормальном рабочем положении в показанном примере выполнения. Термины внутрь и наружу означают, соответственно, радиально внутрь и радиально наружу по отношению к оси устройства в показанном примере выполнения. Далее, вся указанная терминология включает также производные от перечисленных слов и их эквиваленты. Основание 12 содержит верхнюю часть 20, промежуточную часть 21 и нижнюю часть 22. Верхняя часть 20 представляет собой полый цилиндр с наружной резьбой, размеры и форма которого обеспечивают его ввинчивание в нижний конец 17 корпуса 11 сепаратора. Эта верхняя часть содержит открытую вверх центрированную верхнюю полость 24, по существу, цилиндрической формы. Промежуточная часть 21 имеет наружную поверхность 25, которая в показанном примере выполнения проходит вниз и внутрь от верхней части 20 и снабжена центрированным нижним подшипниковым отверстием 26, проходящим вниз от верхней полости 24. Нижний подшипник 28 установлен в нижнем подшипниковом отверстии 26. Множество разнесенных по окружной поверхности впускных каналов 27 проходят от наружной поверхности 25 вверх и внутрь в верхнюю полость 24. Нижняя часть 22 выполнена полой и имеет, по существу, цилиндрическую форму. Она проходит вниз от промежуточной части 21 к выступающему наружу фланцу 29, при этом нижняя полость 30 отходит от нижнего подшипникового отверстия 26.-1 007040 Как показано на фиг. 3, головка 14 содержит верхнюю часть 34, промежуточную часть 35, проходящую вниз от верхней части 34, и нижнюю часть 36, проходящую вниз от промежуточной части 35. Верхняя часть 34 выполнена, по существу, цилиндрической и содержит множество разнесенных, радиально расположенных, выступающих вверх винтов 38. Наружный окружной канал 39 проходит между верхней частью 34 и промежуточной частью 35. Промежуточная часть 35 снабжена наружной резьбой и имеет такие размеры и форму, которые обеспечивают ее ввинчивание в верхний конец 18 корпуса 11 сепаратора. Открытая вверх, сужающаяся по конусу внутрь и вниз верхняя полость 40 проходит через верхнюю часть 34 и промежуточную часть 35. Нижняя часть 36 имеет сужающуюся по конусу внутрь и вниз наружную поверхность 41 и открытую вниз расширяющуюся по конусу наружу и вниз нижнюю полость 42, которая выходит на наружную поверхность 41 в области нижней кромки 43. Верхнее подшипниковое отверстие 44 проходит между верхней полостью 40 и нижней полостью 42. В нем установлен верхний подшипник 45. Множество разнесенных по окружной поверхности выпускных окон 47 для жидкости проходят вверх и внутрь от наружной поверхности 41 в верхнюю полость 40. Множество разнесенных по окружной поверхности выпускных окон 48 для газа проходят вверх и наружу от нижней полости 42 к каналу 39. Как показано на фиг. 2, сепаратор 10 содержит нижний диффузор 50, верхний диффузор 51, первую втулку 52, средства 53 ограничения потока, вторую втулку 55 и третью втулку 56. Каждый из этих элементов имеет цилиндрическую наружную поверхность, размеры и форма которой обеспечивают ввод во внутреннюю полость 15 корпуса 11 сепаратора. Каждый элемент устанавливается внутри полости 15 по порядку указания элементов, от основания 12 до головки 14. В показанном примере выполнения средства 53 ограничения потока представляют собой подшипниковый корпус 54. В качестве средств 53 ограничения потока могут использоваться другие средства. Как показано на фиг. 4, нижний диффузор 50 имеет форму стакана и содержит, по существу, плоское круглое дно 58, наружную стенку 59, отходящую от периферии дна 58, и нижнее отверстие 60 диффузора в центре дна 58. Как показано на фиг. 5, верхний диффузор 51 содержит верхнее отверстие 62 диффузора, проходящее вверх по центру верхнего диффузора, цилиндрическую наружную стенку 63 и множество разнесенных, радиально расположенных проходов 64, проходящих спирально вверх и внутрь между верхним отверстием 62 диффузора и наружной стенкой 63 и разделенных радиальными перемычками 65. Наружная стенка 59 нижнего диффузора 50 проходит вверх, а наружная стенка 63 верхнего диффузора 51 проходит вниз для образования пространства между диффузорами и создания полости 67 импеллера. Как показано на фиг. 6, подшипниковый корпус 54 выполнен, по существу, цилиндрическим с отверстием 68 промежуточного подшипника и множеством разнесенных, радиально расположенных проходов 69, проходящих сквозь подшипниковый корпус 54. Промежуточный подшипник 70 установлен в отверстии 68 промежуточного подшипника. Проходы 69 предназначены для ограничения потока, так что подшипниковый корпус 54 разделяет внутреннюю полость 15 на первую камеру 71 и вторую камеру 72. В показанном примере выполнения проходы 69 проходят вверх, внутрь и спирально, так что они способствуют закручиванию потока добываемого флюида при его протекании во вторую камеру 72. Первая,вторая и третья втулки 52, 55 и 56, показанные на фиг. 2, выполнены в виде тонкостенных полых цилиндров. Первая втулка 52 отделяет подшипниковый корпус 54 от верхнего диффузора 51. Вторая и третья втулки 55 и 56 вместе отделяют подшипниковый корпус 54 от головки 14. Удлиненный цилиндрический вал 74 проходит через внутреннюю полость 15. Нижний шлицевой конец 75 вала входит в нижнюю полость 30 основания 12, а верхний шлицевой конец 76 вала входит в верхнюю полость 40 головки 14. Нижняя, промежуточная и верхняя опорные шейки 77, 78 и 79 вала расположены на расстоянии друг от друга вдоль вала 74 для взаимодействия, соответственно, с нижним,промежуточным и верхним подшипниками 28, 70 и 45. Шпоночная канавка 80 с установленной в ней шпонкой 81 проходит вдоль вала 74. Внутренний насос 82 установлен на валу 74. В примере выполнения по фиг. 7 внутренний насос 82 выполнен в виде импеллера, который расположен в полости 67. Он содержит ступицу 84, установленную на валу 74 и соединенную с ним шпонкой 81, и множество разнесенных, радиально расположенных проходов 85, проходящих спирально вверх и наружу вокруг ступицы 84. В качестве внутреннего насоса 82 могут использоваться насосы других типов,такие как винтовой насос. Вихрегенератор 86 показан на фиг. 2 в виде лопаточного устройства 87, размещенного во второй камере 72. Он содержит ступицу 88, установленную на валу 74 и соединенную с ним шпонкой 81, и множество разнесенных вертикальных лопаток 89, отходящих радиально от ступицы 88. Могут использоваться также вихрегенераторы других типов, такие как спиральные или пропеллерные. В типовой установке сепаратор 10 монтируют между двигателем и фланцем 29 основания 12, а скважинный насос прикрепляют винтами 38 к головке 14. Импеллер 83 втягивает добываемый флюид в первую камеру 71 сепаратора 10 через впускные каналы 27 и нижний диффузор 50 и перекачивает его в верхний диффузор 51. Верхний диффузор 51 направляет добываемый флюид вверх к подшипниковому корпусу 54. Проходы 69 ограничивают поток добываемого флюида через подшипниковый корпус 54 между первой и второй камерами 71, 72, создавая перепад давления, при этом быстрое расширение добываемого флюида вызывает расширение содержащегося в нем газа и его отделение от жидкости в добываемом-2 007040 флюиде. От подшипникового корпуса 54 жидкость и газ следуют вверх к вихрегенератору 87. Лопатки 89 толкают жидкость и газ в окружном направлении и за счет этого производят центробежное отделение жидкости к наружной области и газа к внутренней области второй камеры 72. Жидкость идет вверх к выпускным окнам 47 для жидкости и в скважинный насос. Газ идет вверх к выпускным окнам 48 для газа и наружу из сепаратора 10 по каналу 39. Способ сепарации газа и жидкости в добываемом флюиде в скважине в соответствии с изобретением содержит этапы обеспечения первой и второй сообщающихся камер, перекачивания добываемого флюида в первую камеру, создания перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида между первой и второй камерами и создания завихрения во второй камере. Более конкретно, первый этап способа включает обеспечение первой и второй сообщающихся камер, подшипникового корпуса между первой и второй камерами, вращающейся лопатки во второй камере, выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, связанных со второй камерой, при этом подшипниковый корпус содержит множество ограничительных проходов, проходящих спирально между первой и второй камерами. Следующий этап включает перекачивание добываемого флюида в первую камеру. Следующий этап включает пропускание добываемого флюида через проходы для создания перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида во вторую камеру с целью сепарации газа и жидкости. Пропускание добываемого флюида через проходы также обеспечивает спиральное течение потока добываемого флюида и за счет этого инициирует завихрение. Следующий этап включает вращение лопатки для продолжения завихрения и дальнейшей сепарации газа и жидкости. Затем газ отводится из второй камеры через выпускные окна для газа, а жидкость отводится из второй камеры через выпускные окна для жидкости. Несмотря на то, что изобретение было описано с определенной степенью конкретности, понятно,что его раскрытие осуществлено посредством примеров и возможны изменения в деталях конструкции,не выходящие за пределы общей идеи изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Погружной сепаратор газа и жидкости для скважины, содержащий первую и вторую камеры; внутренний насос для перекачивания добываемого флюида через первую камеру и во вторую камеру; расположенные между первой и второй камерами средства ограничения потока для создания перепада давления в добываемом флюиде и сепарации газа и жидкости на входе флюида во вторую камеру; и расположенный во второй камере вихрегенератор для центробежного разделения флюида на газ и жидкость. 2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит приводной вращающийся вал, проходящий через первую и вторую камеры. 3. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что вихрегенератор выполнен в виде установленной на валу лопатки. 4. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что насос выполнен в виде установленного на валу импеллера. 5. Сепаратор по п.4, отличающийся тем, что он содержит верхний диффузор, расположенный между импеллером и средствами ограничения потока и направляющий добываемый флюид от импеллера к средствам ограничения потока. 6. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что средства ограничения потока выполнены в виде подшипникового корпуса, снабженного подшипником для стабилизации положения вала. 7. Сепаратор по п.6, отличающийся тем, что подшипниковый корпус снабжен множеством диагонально проходящих проходов между первой и второй камерами, ограничивающих поток флюида и направляющих добываемый флюид во вторую камеру в диагональном направлении, тем самым инициирующих завихрение потока. 8. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит удлиненный корпус с первым и вторым концами, основание и головку, причем корпус содержит первую камеру вблизи первого конца и вторую камеру вблизи второго конца, основание выполнено с возможностью соединения с первым концом корпуса и содержит впускные каналы, сообщающиеся с первой камерой, а головка выполнена с возможностью соединения со вторым концом корпуса и содержит выпускные окна для газа и для жидкости, сообщающиеся со второй камерой. 9. Погружной сепаратор газа и жидкости для скважины, содержащий удлиненный корпус с первым и вторым концами, причем корпус содержит первую камеру вблизи первого конца и вторую камеру вблизи второго конца; основание, прикрепленное к первому концу корпуса и содержащее впускные каналы, сообщающиеся с первой камерой; головку, прикрепленную ко второму концу корпуса и содержащую выпускные окнадля газа и жидкости, сообщающиеся со второй камерой; приводной вращающийся вал, проходящий через основание, первую камеру, вторую камеру и головку; установленный на валу импеллер, расположенный в первой камере для перекачивания добываемого флюида через первую камеру и во вторую камеру; расположенный между первой и второй камерами подшипниковый корпус, ограничивающий поток флюида для создания перепада давления в добываемом флюиде и сепарации газа и жидкости на входе флюида во вторую камеру; и установленную на валу лопатку, расположенную во второй камере для центробежного разделения добываемого флюида на газ и жидкость.-3 007040 10. Способ сепарации газа и жидкости из добываемого флюида в скважине, содержащий следующие этапы: обеспечение первой и второй сообщающихся камер,перекачивание добываемого флюида в первую камеру,создание перепада давления в добываемом флюиде при протекании флюида из первой камеры во вторую камеру для сепарации газа и жидкости и завихрение потока во второй камере для дальнейшей сепарации газа и жидкости. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе обеспечения первой и второй сообщающихся камер размещают указанные камеры в скважине. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе создания перепада давления ограничивают поток флюида между первой и второй камерами. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что на этапе ограничения потока добываемого флюида обеспечивают подшипниковый корпус между первой и второй камерами, который снабжен множеством ограничительных проходов между первой и второй камерами, причем добываемый флюид пропускают через указанные проходы. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что проходы подшипникового корпуса проходят спирально,а пропускание добываемого флюида через указанные проходы инициирует завихрение потока. 15. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе завихрения потока обеспечивают вращающуюся лопатку и приводят указанную лопатку во вращение. 16. Способ по п.10, отличающийся тем, что содержит этапы обеспечения выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, сообщающихся со второй камерой, отвода газа из второй камеры через выпускные окна для газа и отвода жидкости из второй камеры через выпускные окна для жидкости. 17. Способ сепарации газа и жидкости из добываемого флюида в скважине, содержащий следующие этапы: обеспечение первой и второй сообщающихся камер, подшипникового корпуса, расположенного между первой и второй камерами, вращающейся лопатки во второй камере, выпускных окон для газа и выпускных окон для жидкости, сообщающихся со второй камерой, при этом подшипниковый корпус снабжен множеством ограничительных проходов, проходящих спирально между первой и второй камерами,перекачивание добываемого флюида в первую камеру,пропускание добываемого флюида через указанные проходы для создания перепада давления в добываемом флюиде при его протекании из первой камеры во вторую камеру, обеспечивающего сепарацию газа и жидкости, и для сообщения потоку флюида спирального движения, инициирующего завихрение потока,вращение лопатки для продолжения завихрения потока во второй камере, обеспечивающего дальнейшую сепарацию газа и жидкости,отведение газа из второй камеры через выпускные окна для газа, и отведение жидкости из второй камеры через выпускные окна для жидкости.