Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОСЕПАРАТОР

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при добыче нефти с высоким содержанием абразивных частиц.

Известны центробежные газосепараторы, содержащие цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан с радиальными лопастями [1].

Такие сепараторы не могут длительное время работать в абразивосодержащих жидкостях. Отказ наступает из-за гидроабразивного или кавитационного разрушения корпуса с последующим расчленением газосепаратора.

Для повышения надежности центробежных газосепараторов применяют защитное покрытие на корпусе [2]. Однако стойкость применяемых покрытий не позволяет предотвратить износное разрушение газосепараторов, работающих длительное время.

Наиболее близок к заявляемому газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус с гладкой защитной гильзой и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены: винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан. Защитная гильза имеет форму полого тонкостенного цилиндра и расположена между вращающимися элементами газосепаратора и корпусом. Она предназначена для защиты корпуса аппарата от износа [3].

Недостатком газосепаратора с гильзой является недостаточная длительность эксплуатации при работе в скважинах с повышенной концентрацией абразивных частиц из-за быстрого размытия гильзы [4, 5].

Настоящее изобретение направлено на создание конструкции газосепаратора, способного длительное время безаварийно работать в жидкости, содержащей абразивные частицы.

Указанный технический результат достигается тем, что газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус с защитной гильзой и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан с радиальными лопастями, отличается тем, что для добычи нефти с высоким содержанием твердых абразивных частиц на внутренней поверхности защитной гильзы, по крайней мере, вокруг шнека или вокруг шнека и лопастного колеса выполнена, как минимум, одна спиральная лопасть, скелетная линия которой закручена по отношению к лопастям шнека в ту же или противоположную сторону, и/или установлены, как минимум, две продольные лопасти, параллельные оси вала с возможностью создания вихревой дорожки потоком жидкости вдоль стенок защитной гильзы, препятствующей контакту твердых абразивных частиц с поверхностью гильзы.

Спиральные лопасти могут быть выполнены с прямоугольным, трапециевидным, эвольвентным или иным сечением. Возможен вариант, когда спиральные лопасти имеют разное по длине гильзы сечение, например вокруг шнека - прямоугольное, которое вокруг кавернообразующего колеса переходит в треугольное с гипотенузой, обращенной к направлению потока, при этом переход от прямоугольной формы в треугольную плавно осуществлен в пределах разворота в 90 градусов.

Спиральные лопасти могут быть расположены с шагом, находящимся в интервале 0,3-3,0 шага шнека. Шаг по длине гильзы может быть как постоянным, так и переменным. Ширина спиральных лопаток составляет от 0,04 до 0,15 шага шнека, а размер продольных и спиральных лопастей в радиальном направлении может варьироваться от 0,02 до 0,08 диаметра защитной гильзы. Угол между поверхностью гильзы и поверхностью продольной лопасти может составлять от 30 до 90°.

Число лопастей, расположенных на защитной гильзе, может быть равно 1 или более. Если спиральных лопастей несколько, то они выполняются в соответствии с их количеством: двух-, трех- и т.д. заходными, то есть размещаются на равном расстоянии друг от друга. Кроме того, спиральные лопасти могут быть выполнены двойными с эквидистантными скелетными линиями, при этом расстояние между лопастями выдерживается в пределах 0,2-5,0 их ширины. В вариантах исполнения газосепаратора также предусмотрено выполнение спиральных и продольных лопастей прерывистыми.

Размещение лопастей на внутренней поверхности защитной гильзы, обеспечивающее создание вихревой дорожки потоком жидкости, текущей вдоль стенок защитной гильзы с закрепленными на ней лопастями, защищает поверхность гильзы от износа и увеличивает надежность работы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен фрагмент газосепаратора со спиральными лопастями на защитной гильзе, закрученными в ту же сторону, что и лопасти шнека; на фиг.2 - защитная гильза со спиральными лопастями, закрученными в сторону, противоположную лопастям шнека; на фиг.3 - защитная гильза с спиральными и продольными лопастями; фиг.4 и 5 - схемы течения жидкости вблизи стенок защитной гильзы.

Газосепаратор состоит из следующих узлов (фиг.1):

- цилиндрического корпуса;

- вала 1, на котором последовательно расположены шнек 2, лопастное колесо 3 и сепарирующий барабан 4 с радиальными лопастями;

- защитной гильзы 5 новой конструкции.

На внутренней поверхности защитной гильзы 5 установлены спиральные лопасти 6, скелетная линия которых имеет закрутку в ту же (фиг.1) или противоположную (фиг.2) сторону, что и лопасти шнека 2. Геометрия лопастной системы защитной гильзы 5 характеризуется следующими параметрами: шагом, толщиной и формой сечения лопастей, расстоянием между соседними лопастями, а также зазором между лопастями 6 гильзы 5 и шнека 2 (выбор определяется размером абразивных частиц). Неподвижные спиральные лопасти 6 могут наноситься как на всю внутреннюю поверхность защитной гильзы 5 (фиг.1), так и на часть этой поверхности: например, только вокруг шнека 2 и лопастного колеса 3.

Образованию вихревой дорожки также может способствовать установка, как минимум, двух продольных лопастей 7 (фиг.3), ориентированных параллельно оси вала 1 с радиальным размером, соответствующим спиральным лопастям 6. Угол между поверхностью защитной гильзы 5 и поверхностью продольных лопастей 7 может составлять от 30 до 90°.

Устройство работает следующим образом.

Поступающая в газосепаратор газожидкостная смесь, содержащая абразивные частицы, захватывается шнеком 2, который создает в прямом направлении поток I (фиг.4) в несколько раз больший, чем поток в области сепарирующего барабана 4. Излишек жидкости создает обратный поток II в зазоре между лопастями шнека 2 и стенками защитной гильзы 5. В этом случае следует использовать защитную гильзу 5 с нанесенными на ее внутреннюю поверхность спиральными лопастями 6, закрученными в ту же сторону, что и шнек 2. Из-за сохранения момента количества движения обратный поток II закручен в направлении, противоположном закрутке основного потока I. Неподвижные спиральные лопасти 6 на внутренней поверхности защитной гильзы 5 ориентированы поперек обратного потока II. Скорость обратного потока подбирается так, чтобы обтекание неподвижных лопастей было вихревым III.

На границе прямого I и обратного II потока (пунктирная линия А-А на фиг.4) жидкость не имеет аксиальной компоненты скорости, т.е. не вращается относительно вала 1 газосепаратора. Поэтому на этой границе исчезают центробежные силы, действующие на твердые частицы. Частицы, переносимые прямым потоком I, не могут пересечь эту границу и достичь поверхности защитной гильзы 5. Граница А-А между прямым I и обратным II потоками является барьером для твердых частиц.

В обратном потоке II действует центробежная сила, направленная к стенкам защитной гильзы 5. Противодействуют ей центробежные силы в вихрях III, образующихся за неподвижными лопастями 6. Там, где обратный поток II касается вихрей (пунктирная линия В-В на фиг.4), направление центробежных сил противоположное.

Кроме того, неподвижные лопасти 6 уменьшают касательную компоненту скорости вблизи стенок гильзы 5, что также снижает воздействие твердых частиц на гильзу 5. Скорость может быть уменьшена в несколько раз, что следует из проведенных расчетов.

Далее прямой поток I со шнека 2 поступает к лопастному колесу 4, где производится закручивание газожидкостной смеси, которая затем поступает в сепарирующий барабан 4 и разделяется на две составляющих: газовую и жидкостную с абразивными частицами.

Если (см. фиг.5) подачу шнека 2 подбирать так, чтобы скорость течения жидкости в зазоре между шнеком 2 и защитной гильзой 5 имела положительную компоненту от входа в шнек 2 к выходу, тогда следует использовать защитную гильзу 5 с лопастями, закрученными в противоположную сторону, чем в шнеке (фиг.1). В данном случае неподвижные спиральные лопасти 6 на внутренней поверхности гильзы 5 ориентированы поперек основного потока I. Скорость потока I подбирается так, чтобы обтекание неподвижных лопастей 6 было вихревым. Вихри III образуются в пространстве между шнеком 2 и гильзой 5. Центробежные силы, создаваемые вихрями III на границе их контакта с основным потоком I (пунктирная линия А-А на фиг.5), направлены от стенок гильзы 5 к оси газосепаратора. Они препятствуют проникновению твердых частиц из основного потока I к стенкам гильзы 5. Кроме того, неподвижные лопасти 6 уменьшают касательную компоненту скорости вблизи стенок гильзы 5, что также снижает воздействие абразивных твердых частиц на гильзу 5.

Расчеты и стендовые испытания показали, что конструкции, оснащенные защитными гильзами с неподвижными лопастями, имеют надежность, по крайней мере, в 3 раза большую, чем серийные газосепараторы, работающие в аналогичных условиях.

Источники информации

1. Оборудование для добычи нефти и газа / В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров. М.: ГУЛ Изд-во нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. 4.1. С.449.

2. Патент №2310214 Франции, F04D 7/08, 1977.

3. Патент №5516360 США, В10D 19/00, 1996.

4. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий B.C., Маркелов Д.В. Эксплуатация скважин, оборудованных высокопроизводительными УЭЦН с газосепараторами // Бурение и нефть. 2005. №2. С.10-13.

5. Дроздов А.Н., Деньгаев А.В., Вербицкий B.C. Установки погружных насосов с газосепараторами для эксплуатации скважин с высоким газовым фактором // Территория нефтегаз. 2005. №6. С.12-20.