RU2768538C1 - Separator and disc separator for downhole water and oil separation - Google Patents

Abstract

FIELD: oilfield equipment.

SUBSTANCE: inventions group relates to oilfield equipment and can be used for oil production under conditions of high water cut in the produced fluid.

The separating device for downhole separation of water and oil contains a cylindrical body with a base, a disc centrifugal separator, a booster pump and a coalescing filter, which is a series of capillary tubes made of a porous hydrophobic and oleophilic membrane, sequentially installed inside the body from bottom to top. Disc centrifugal separator includes a set of separation plates in the form of a truncated cone with vertical passage channels, a distribution channel for the mixture to be separated, and outlet channels for water and oil. Separation plates are placed on the shaft. The passage channels in the separation trays are located on the generatrix of the truncated body along the circumference and serve as a distribution channel for the separated mixture. The separation plates are made with an outer diameter decreasing in the downward direction, while the water outlet channel is formed between the housing wall and the outer end of the trays with expansion towards the bottom.

EFFECT: ensuring uninterrupted, reliable separation of oil from the downhole fluid.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к технологии добычи нефтепродуктов погружными насосными установками в условиях высокой обводненности добываемого флюида.The invention relates to oilfield equipment, in particular to the technology of extraction of oil products by submersible pumping units in conditions of high water cut of the produced fluid.

Известным устройством для разделения воды и нефтепродуктов являются тарельчатые центрифуги. Типичная конструкция представляет собой барабан с вертикальной осью вращения, внутри которого располагается пакет конических вставок-тарелок, приводимых во вращение. Подача сепарируемой жидкости во вращающийся барабан центрифуги осуществляется сверху через неподвижный впускной патрубок. Разделение фаз происходит в пространстве между тарелками, при этом легкая фаза перемещается через пакет тарелок по направлению к центру барабана, и выгружается в сборный коллектор. Первым, а в настоящее время и одним из крупнейших производителей тарельчатых сепараторов, является компания AlfaLaval[https://www.alfalaval.ru]. Примером их продукции может служить центрифуга модели AFPX.A well-known device for separating water and oil products are plate centrifuges. A typical design is a drum with a vertical axis of rotation, inside which is a stack of conical inserts-plates driven into rotation. The liquid to be separated is supplied to the rotating drum of the centrifuge from above through a fixed inlet pipe. The phase separation occurs in the space between the trays, while the light phase moves through the stack of trays towards the center of the drum, and is discharged into a collection manifold. AlfaLaval [https://www.alfalaval.ru] is the first and currently one of the largest manufacturers of disc separators. An example of their product is the model AFPX centrifuge.

Однако в настоящее время подобные тарельчатые центрифуги вода-нефть применяются только для поверхностной сепарации, т.к. имеют габариты, существенно превышающие диаметр нефтяной скважины. Кроме того, сепарационные каналы в них периодически засоряются твердыми частицами, находящимися в жидкости. Для возобновления работы центрифуги требуется ее промывка, обычно сопровождаемая частичной разборкой.However, at present, such plate centrifuges, water-oil, are used only for surface separation, because. have dimensions significantly exceeding the diameter of an oil well. In addition, the separation channels in them are periodically clogged with solid particles in the liquid. To resume operation of the centrifuge, it is required to flush it, usually accompanied by partial disassembly.

Известно сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти, представляющее собой погружной тарельчатый центробежный сепаратор, описанный в патенте РФ №2570867 С2, B01D 17/02, опубл. 10.12.2015. Устройство имеет цилиндрический корпус с основанием и подводами для сепарируемой смеси на боковой поверхности. Внутри корпуса расположены разделительные тарелки, выполненные в форме усеченного конуса и имеющие вертикальные проходные отверстия. Распределительным каналом для сепарируемой смеси служат узкие каналы, образованные между соседними тарелками, которые имеет выпуклую вверх форму. Нефть, как более легкая фаза, скапливается в верхней части этих каналов, всплывает вверх по вертикальным отверстиям и удаляется из сепаратора через отводной канал в верхней части, а вода стекает вниз и выводится через отводной канал, расположенные в нижней части сепаратора.Known separating device for downhole separation of water and oil, which is a submersible disc centrifugal separator described in RF patent No. 2570867 C2, B01D 17/02, publ. 12/10/2015. The device has a cylindrical body with a base and inlets for the mixture to be separated on the side surface. Inside the housing there are dividing plates made in the form of a truncated cone and having vertical through holes. The distribution channel for the mixture to be separated are narrow channels formed between adjacent plates, which have a convex upward shape. Oil, as a lighter phase, accumulates in the upper part of these channels, floats up the vertical holes and is removed from the separator through the outlet channel in the upper part, while water flows down and is discharged through the outlet channel located in the lower part of the separator.

Скорость сепарации в подобном устройстве низкая, поскольку определяется скоростью всплытия пузырьков нефти под действием силы Архимеда, пропорциональной ускорению свободного падения g. Кроме того, данная установка имеет большие габариты, чтобы обеспечить приемлемый объем сепарации.The separation rate in such a device is low, since it is determined by the speed of oil bubbles rising under the action of the Archimedes force, which is proportional to the gravitational acceleration g. In addition, this unit is large in size to provide an acceptable separation volume.

Эти недостатки можно преодолеть, добавив центробежную сепарацию с типичной величиной центробежного ускорения ~10³ g, что позволит увеличить скорость сепарации и уменьшить габариты устройства.These shortcomings can be overcome by adding a centrifugal separation with a typical centrifugal acceleration of ~10 ³ g, which will increase the separation speed and reduce the size of the device.

Задачей настоящего изобретения является разработка сепарирующего устройства, включающего внутрискважинный тарельчатый центробежный сепаратор вода-нефть, который обеспечит надежную сепарацию воды от нефти и снизит процент перекачиваемой на поверхность воды.The objective of the present invention is to develop a separation device, including a downhole centrifugal water-oil separator, which will provide reliable separation of water from oil and reduce the percentage of water pumped to the surface.

Указанный технический результат достигается тем, что в сепарирующем устройстве для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащим цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса тарельчатый центробежный сепаратор, включающий набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, подводы и распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, согласно изобретению, в цилиндрическом корпусе над тарельчатым центробежным сепаратором дополнительно установлен коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны, при этом сепарационные тарелки размещены на валу, а вертикальные проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси.The specified technical result is achieved by the fact that in the separating device for downhole separation of water and oil, containing a cylindrical body with a base, a disc centrifugal separator installed inside the body, including a set of separation plates in the form of a truncated cone with vertical passage channels, inlets and a distribution channel for the separated mixture and outlet channels for water and oil, according to the invention, a coalescing filter is additionally installed in a cylindrical housing above the disc centrifugal separator, which is a series of capillary tubes made of a porous hydrophobic and oleophilic membrane, while the separation plates are placed on the shaft, and the vertical passage channels in separation plates are located on the generatrix of the truncated body around the circumference and serve as a distribution channel for the separated mixture.

Для подачи сепарируемой смеси в основании корпуса могут быть сформированы вертикальные подводы, гидравлически связанные с вертикальными проходными каналами в сепарационных тарелках.To supply the mixture to be separated, vertical inlets can be formed in the base of the housing, hydraulically connected to the vertical passage channels in the separation trays.

Входящий в состав сепарирующего устройства тарельчатый центробежный сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти имеет набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, которые расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси, при этом сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, а отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части.The disk centrifugal separator included in the separator for downhole separation of water and oil has a set of separation plates in the form of a truncated cone with vertical passage channels, which are located on the generatrix of the truncated body along the circumference and serve as a distribution channel for the separated mixture, while the separation plates are made with decreasing in the direction from top to bottom with an outer diameter, and a water outlet channel is formed between the housing wall and the outer end of the plates with an expansion towards the bottom.

Предложенное сепарирующее устройство с тарельчатым центробежным сепаратором и с коалесцирующим фильтром имеет габариты, необходимые для внутрискважинного размещения, устойчив к засорениям.The proposed separating device with a disc centrifugal separator and a coalescing filter has the dimensions required for downhole placement and is resistant to clogging.

Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором приведена схема заявляемого сепарирующего устройства с тарельчатым центробежным сепаратором и коалесцирующим фильтром.The essence of the inventions is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the inventive separating device with a disc centrifugal separator and a coalescing filter.

Сепарирующее устройство содержит цилиндрический корпус 3 с основанием 10, вал 1, последовательно установленные внутри корпуса снизу-вверх тарельчатый центробежный сепаратор, подпорный насос 4 и коалесцирующий фильтр.The separating device comprises a cylindrical body 3 with a base 10, a shaft 1, a disc centrifugal separator, a booster pump 4, and a coalescing filter installed in series inside the body from bottom to top.

Тарельчатый центробежный сепаратор включает набор сепарационных тарелок 2, закрепленных на валу 1 в корпусе 3 с образованием межтарельчатых каналов 5. Сепарационные тарелки 2 выполнены в форме усеченного конуса, ориентированного большим основанием вниз, наружный диаметр тарелок в направлении сверху вниз постепенно уменьшается. Межтарельчатые каналы 5 между соседними тарелками 2 остаются постоянными по всей высоте набора сепарационных тарелок. На образующей усеченного корпуса тарелок 2 по окружности расположены отверстия, образующие вертикальные проходные каналы 6, которые служат распределительным каналом для сепарируемой скважинной жидкости. Количество сепарационных тарелок 2 выбирается в зависимости от заданной подачи и количества оборотов УЭЦН.The disc centrifugal separator includes a set of separation plates 2 fixed on the shaft 1 in the housing 3 with the formation of inter-plate channels 5. The separation plates 2 are made in the form of a truncated cone, oriented with the large base downwards, the outer diameter of the plates gradually decreases from top to bottom. The inter-tray channels 5 between adjacent trays 2 remain constant over the entire height of the set of separation trays. On the generatrix of the truncated body of the plates 2 around the circumference there are holes forming vertical passage channels 6, which serve as a distribution channel for the separated well fluid. The number of separation plates 2 is selected depending on the given feed and the number of revolutions of the ESP.

Сепаратор имеет следующие проточные каналы: цилиндрические вертикальные проходные каналы 6, соединяющие межтарельчатые каналы 5, предназначенные для центробежной сепарации сепарируемой водо-нефтяной смеси (скважинной жидкости), отводной канал для отсепарированной нефти 7 вокруг вала 1 и отводной канал отсепарированной воды и механических примесей 8, заканчивающийся наклонными выкидными отверстиями 9. Отводной канал 8 сформирован между цилиндрической стенкой корпуса 3 и торцами тарелок 2 и имеет расширенную книзу форму.The separator has the following flow channels: cylindrical vertical passage channels 6 connecting the inter-tray channels 5 intended for centrifugal separation of the separated water-oil mixture (borehole fluid), the outlet channel for the separated oil 7 around the shaft 1 and the outlet channel of the separated water and mechanical impurities 8, ending with inclined ejection openings 9. The outlet channel 8 is formed between the cylindrical wall of the housing 3 and the ends of the plates 2 and has a shape expanded downwards.

Для подачи скважинной жидкости в основании 10 корпуса 3 выполнены вертикальные подводы 11, расположенные напротив входов в вертикальные каналы 6 на нижней тарелке.To supply the well fluid in the base 10 of the housing 3, vertical inlets 11 are made, located opposite the entrances to the vertical channels 6 on the lower plate.

В качестве подпорного насоса 4 может быть использована подпорная секция центробежного насоса, имеющая как минимум две ступени.As booster pump 4 can be used booster section of a centrifugal pump having at least two stages.

Над подпорным насосом 4 расположен коалесцирующий фильтр, который содержит набор капиллярных вертикальных трубок 12, установленных вокруг вала 1 и закрепленных сверху и снизу проставками 13 в корпусе 3. Капиллярные трубки 12 выполнены из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны (например, из политетрафторэтилена) и расположены с образованием каналов 14. Количество капиллярных трубок 12 и их длина выбираются в зависимости от выбранной производительности тарельчатого центробежного сепаратора. В верхней части коалесцирующего фильтра выполнены выкидные отверстия 15.A coalescing filter is located above the booster pump 4, which contains a set of vertical capillary tubes 12 installed around the shaft 1 and fixed at the top and bottom with spacers 13 in the housing 3. The capillary tubes 12 are made of a porous hydrophobic and oleophilic membrane (for example, polytetrafluoroethylene) and are located with formation of channels 14. The number of capillary tubes 12 and their length are selected depending on the selected capacity of the centrifugal disc separator. Ejection openings 15 are made in the upper part of the coalescing filter.

Сепарирующее устройство и тарельчатый центробежный сепаратор работают следующим образом.Separating device and disc centrifugal separator operate as follows.

Вал 1 с закрепленными на нем сепарационными тарелками 2 с помощью двигателя погружной насосной установки (не показан) приводится во вращение. Этим же валом 1 вращается подпорный насос 4, расположенный выше тарелок.Shaft 1 with separation plates 2 attached to it is driven by a submersible pumping unit (not shown) into rotation. The same shaft 1 rotates booster pump 4, located above the plates.

Вначале, еще до поступления добываемой жидкости на вход в тарельчатый центробежный сепаратор, механические примеси гравитационно осаждаются в стволе скважины.Initially, even before the produced fluid enters the tray centrifugal separator, mechanical impurities are gravitationally deposited in the wellbore.

Скважинная жидкость (серые стрелки) поступает в сепаратор через вертикальные подводы 11 и направляется к нижней тарелке 2, откуда через вертикальные каналы 6 поднимается вверх и распределяется по межтарельчатым каналам 5, в которых под действием центробежных сил происходит первичная сепарация скважинной жидкости на нефть и воду. Нефть (черные стрелки), как более легкая фракция, скапливается вверху межтарельчатых каналов и по отводному каналу 7, проходящему вертикально в месте прикрепления сепарационных тарелок 2 к валу 1, поднимается наверх на вход подпорного насоса 4. Далее подпорный насос 4 под давлением закачивает частично очищенную в тарельчатом сепараторе нефть в капиллярные трубки 12 коалесцирующего фильтра, где происходит ее окончательная сепарация. Поскольку стенки капиллярных трубок 12 состоят из мембраны и олеофильны, то на них скапливаются капли нефти, а содержащаяся в нефти вода (контурные стрелки) за счет гидрофобности мембраны сепарируется через стенки капиллярных трубок 12 в канал 14, образованный стенками корпуса 3 и стенками капиллярных трубок 12, и через выкидные отверстия 15 сбрасывается в скважину. Во время движения частично очищенной после тарельчатого сепаратора нефти по капиллярным трубкам 12, мелкие капли нефти на стенках трубок 12 объединяются в более крупные, и на выходе из коалесцирующего фильтра получается окончательно отсепарированная от воды нефть. Далее отсепарированная нефть поступает на прием насоса ЭЦН, осуществляющего перекачку добытой нефти на поверхность.The downhole fluid (gray arrows) enters the separator through vertical inlets 11 and goes to the lower tray 2, from where it rises up through the vertical channels 6 and is distributed along the inter-tray channels 5, in which, under the action of centrifugal forces, the primary separation of the well fluid into oil and water occurs. Oil (black arrows), as a lighter fraction, accumulates at the top of the inter-tray channels and through the outlet channel 7, which runs vertically at the point where the separation plates 2 are attached to the shaft 1, rises to the inlet of the booster pump 4. Next, the booster pump 4 pumps partially cleaned oil under pressure. in the disc separator, oil into the capillary tubes 12 of the coalescing filter, where its final separation takes place. Since the walls of the capillary tubes 12 consist of a membrane and are oleophilic, oil drops accumulate on them, and the water contained in the oil (outline arrows) due to the hydrophobicity of the membrane is separated through the walls of the capillary tubes 12 into the channel 14 formed by the walls of the housing 3 and the walls of the capillary tubes 12 , and through the ejection holes 15 is discharged into the well. During the movement of oil partially cleaned after the poppet separator through capillary tubes 12, small drops of oil on the walls of tubes 12 combine into larger ones, and oil finally separated from water is obtained at the outlet of the coalescing filter. Further, the separated oil is fed to the ESP pump, which pumps the produced oil to the surface.

В тарельчатом сепараторе отсепарированная вода (контурные стрелки) вместе с механическими примесями, как более тяжелая, отбрасывается к внутренней стенке корпуса 3 и, стекая по конической поверхности тарелок 2, попадает в расширяющийся отводной канал 8 между торцами тарелок 2 и корпусом 3 сепаратора, в котором механические частицы движутся в направлении сверху вниз под действием потока отсепарированной воды и собственной силы тяжести, после чего через выкидные отверстия 9 сбрасываются из тарельчатого сепаратора вместе с потоком отсепарированной воды обратно в скважину-или собираются в специальный контейнер для сбора механических примесей (не показан). Отсепарированная вода, обладающая большей плотностью по сравнению с остальной скважиной жидкостью, попадая в межтрубное пространство, опускается вниз.In the disc separator, the separated water (arrows), together with mechanical impurities, as heavier, is thrown to the inner wall of the body 3 and, flowing down the conical surface of the plates 2, enters the expanding outlet channel 8 between the ends of the plates 2 and the separator body 3, in which mechanical particles move from top to bottom under the action of the flow of separated water and their own gravity, after which they are discharged through the discharge holes 9 from the disc separator together with the flow of separated water back into the well - or are collected in a special container for collecting mechanical impurities (not shown). Separated water, which has a higher density than the rest of the well fluid, enters the annulus and sinks down.

Таким образом, засорение механическими примесями сепаратора исключается благодаря тому, что все силы, действующие на частицы, направлены только в сторону их перемещения, а расстояние, между торцами тарелок и корпусом тарельчатого сепаратора, внутри которого они вращаются, расширяется сверху вниз, образуя расширяющийся канал, обеспечивающий условия для эффективного сброса частиц.Thus, clogging of the separator with mechanical impurities is excluded due to the fact that all the forces acting on the particles are directed only in the direction of their movement, and the distance between the ends of the plates and the body of the disc separator, inside which they rotate, expands from top to bottom, forming an expanding channel, providing conditions for effective particle discharge.

Предлагаемый центробежный тарельчатый сепаратор с коалесцирующим фильтром работает при скорости вращения тарелок, равной скорости вращения двигателя погружной насосной установки, обычно составляющей не менее 3000 оборотов в минуту. Объем скважинной жидкости, которую сможет отсепарировать центробежный тарельчатый сепаратор, регулируется изменением количества тарелок, длиной и количеством капиллярных трубок коалесцирующего фильтра. Эти параметры подбираются расчетным путем перед спуском сепаратора в скважину.The proposed centrifugal disc separator with a coalescing filter operates at a rotation speed of the plates equal to the rotation speed of the engine of the submersible pumping unit, typically at least 3000 rpm. The volume of well fluid that can be separated by a centrifugal plate separator is controlled by changing the number of plates, the length and the number of capillary tubes of the coalescing filter. These parameters are selected by calculation before the separator is lowered into the well.

Благодаря двойной сепарации в центробежном тарельчатом сепараторе предлагаемой конструкции и в коалесцирующем фильтре, сепарирующее устройство обеспечивает надежную и бесперебойную внутрискважинную сепарацию воды и нефти. Небольшие габариты центробежного тарельчатого сепаратора позволяют применять его в составе установок центробежного насоса, работающих в скважинах небольшого диаметра.Due to the double separation in the centrifugal disc separator of the proposed design and in the coalescing filter, the separator device provides reliable and uninterrupted downhole separation of water and oil. The small dimensions of the centrifugal disc separator make it possible to use it as part of centrifugal pump units operating in small diameter wells.

Claims (3)

1. Сепарирующее устройство для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащее цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса тарельчатый центробежный сепаратор, включающий набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса с вертикальными проходными каналами, подводы и распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, отличающееся тем, что в цилиндрическом корпусе над тарельчатым центробежным сепаратором дополнительно установлен коалесцирующий фильтр, представляющий собой ряд капиллярных трубок, выполненных из пористой гидрофобной и олеофильной мембраны, при этом сепарационные тарелки размещены на валу, проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси.1. A separating device for downhole separation of water and oil, containing a cylindrical body with a base, a disk centrifugal separator installed inside the body, including a set of separation plates in the form of a truncated cone with vertical passage channels, inlets and a distribution channel for the separated mixture and outlet channels for water and oil, characterized in that a coalescing filter is additionally installed in the cylindrical housing above the tray centrifugal separator, which is a series of capillary tubes made of a porous hydrophobic and oleophilic membrane, while the separation trays are placed on the shaft, the passage channels in the separation trays are located on the generatrix of the truncated housing around the circumference and serve as a distribution channel for the separated mixture. 2. Тарельчатый центробежный сепаратор для внутрискважинной сепарации воды и нефти, содержащий цилиндрический корпус с основанием, установленный внутри корпуса набор сепарационных тарелок в форме усеченного конуса, имеющих вертикальные проходные каналы, распределительный канал для сепарируемой смеси и отводные каналы для воды и нефти, отличающийся тем, что сепарационные тарелки размещены на валу, проходные каналы в сепарационных тарелках расположены на образующей усеченного корпуса по окружности и служат распределительным каналом для сепарируемой смеси, сепарационные тарелки выполнены с уменьшающимся в направлении сверху вниз наружным диаметром, при этом отводной канал для воды сформирован между стенкой корпуса и наружным торцом тарелок с расширением к нижней части.2. Disk centrifugal separator for downhole separation of water and oil, containing a cylindrical body with a base, a set of separation plates in the form of a truncated cone installed inside the body, having vertical passage channels, a distribution channel for the separated mixture and outlet channels for water and oil, characterized in that that the separation plates are placed on the shaft, the passage channels in the separation plates are located on the generatrix of the truncated body along the circumference and serve as a distribution channel for the separated mixture, the separation plates are made with an outer diameter decreasing from top to bottom, while the outlet channel for water is formed between the wall of the body and the outer end of the plates with an extension to the bottom. 3. Сепаратор по п. 2, отличающийся тем, что для подачи сепарируемой смеси в основании корпуса сформированы вертикальные подводы, гидравлически связанные с вертикальными проходными каналами в сепарационных тарелках.3. The separator according to claim 2, characterized in that for the supply of the separated mixture, vertical inlets are formed in the base of the housing, hydraulically connected to the vertical passage channels in the separation trays.

Images