Результат интеллектуальной деятельности: РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ПОГРУЖНОГО НАСОСА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПОДЪЕМА ГАЗОВЫХ ФЛЮИДОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическим погружным насосам. Изобретение относится, в частности, к погружным насосам с рабочими колесами определенной конструкции, обеспечивающей возможность перекачки флюидов с высоким содержанием газа.

Уровень техники

Центробежные насосы уже давно широко используются для перекачки и подъема скважинных флюидов. Обычные центробежные насосы предназначены для подъема флюидов, которые по существу представляют собой жидкости. Часто в перекачиваемых насосами скважинных флюидах содержится некоторое количество свободного газа. Использование центробежных насосов для подъема содержащих газы флюидов связано с определенными проблемами. До тех пор, пока газ остается в жидком растворе, насос продолжает работать нормально, перекачивая жидкость сравнительно небольшой плотности. Однако часто газ выделяется из перекачиваемого насосом флюида и отделяется от жидкости.

Характеристики центробежного насоса существенно зависят от содержания в перекачиваемом насосом флюиде свободного газа, образующегося при разделении флюида на жидкую и газообразную фазы. Увеличение содержания газа в скважинном флюиде снижает напор насоса, его производительность и коэффициент полезного действия. При превышении отношения газа к жидкости в перекачиваемом насосом флюиде определенной критической величины, составляющей обычно около 10-15 об.%, напор насоса становится меньше номинального. При слишком большом содержании газа в перекачиваемом насосом флюиде газ блокирует весь протекающий через насос поток жидкости и в насосе образуется так называемая "газовая пробка". При разделении перекачиваемого насосом флюида на жидкость и газ в соответствующей ступени насоса возникает скольжение между жидкой и газовой фазами, в результате чего напор насоса снижается и становится меньше номинального. При выборе погружного насоса обычно либо вообще не учитывают возможность скольжения между жидкой и газовой фазами, либо корректируют расчетные характеристики насоса по результатам испытаний в реальных условиях и на основании ранее накопленного опыта.

Многие проблемы, связанные с двухфазной структурой потока в центробежных насосах, могут быть решены, если давление в разрабатываемой скважине всегда будет больше давления начала кипения флюида, и содержащийся в нем газ не будет выделяться в насосе из перекачиваемого раствора. Обычно, однако, этого никогда не происходит. Для решения указанных выше проблем и максимального повышения эффективности системы газы обычно отделяют от других жидкостей с помощью расположенного до насоса газосепаратора. Использование расположенного перед насосом газосепаратора также связано с определенными проблемами, поскольку для выбора насоса и сепаратора в каждом конкретном случае необходимо заранее определить влияние газа на объем перекачиваемого насосом флюида. Во многих случаях газосепараторы не могут удалить из перекачиваемого насосом флюида такое количество газа, которое было бы достаточным для нормальной работы центробежного насоса.

Обычно рабочие колеса центробежных насосов, предназначенных для перекачки содержащих газы жидкостей, имеют определенное количество цельных вращающихся лопаток, расположенных между двумя бандажами дискового типа с предназначенными для уравновешивания давления отверстиями, сообщающимися со всеми межлопаточными каналами, образованными дисками и двумя соседними лопатками. В центробежных насосах, предназначенных для подъема жидкостей, средний угол наклона всех лопаток на выходе из рабочего колеса обычно составляет около 25°. У большинства центробежных насосов диаметр уравновешивающих давление отверстий составляет приблизительно от 1/8'' (0,125'') до 3/16'' (0,1875''). Для решения проблем, препятствующих эффективному использованию центробежных насосов для перекачки флюидов с высоким содержанием газа, в последние годы были предложены различные модификации обычной конструкции насоса. Однако все известные в настоящее время предложения по изменению конструкции рабочих колес центробежных насосов не дают должного эффекта и не решают проблем, связанных с уменьшением его коэффициента полезного действия, производительности и напора.

Одна из таких попыток изменить конструкцию обычного рабочего колеса центробежного насоса, предназначенного для перекачки флюидов с высоким содержанием свободного газа, описана в патенте US 5628616 на имя Lee. В этом патенте для повышения характеристик насоса предлагается использовать специальные отверстия, предназначенные для уравновешивания давления и циркуляции флюида вокруг рабочего колеса насоса. Однако предложенное в патенте на имя Lee рабочее колесо можно использовать для перекачки флюидов, в которых содержание свободного газа не превышает 35 об.%. При большем содержании в перекачиваемом флюиде свободного газа в насосе с такими рабочими колесами образуется газовая пробка.

Таким образом, в настоящее время по-прежнему сохраняется необходимость в разработке конструкции электрического погружного насоса и надежного способа бесперебойной перекачки флюидов с высоким содержанием газа без образования в насосе газовой пробки. В идеальном случае такой насос должен надежно работать в особых условиях при минимальной модернизации существующего оборудования.

Краткое изложение сущности изобретения

В центробежных насосах энергия перекачиваемой насосом за счет ускорения жидкости передается рабочим колесом насоса. В настоящем изобретении предлагается новый способ и новое устройство для перекачки скважинных флюидов с высоким содержанием газа с использованием центробежного насоса с усовершенствованным рабочим колесом, специально разработанным для работы с жидкостями с высоким содержанием газа. Предлагаемое в изобретении рабочее колесо центробежного насоса имеет лопатки новой конструкции, которые можно использовать в рабочих колесах с большим углом наклона лопаток на выходе из колеса и уравновешивающими давление отверстиями большого диаметра.

В настоящем изобретении предлагается новая конструкция центробежного насоса, рабочее колесо которого имеет разделенные на две части лопатки с большим по сравнению с обычными насосами углом наклона на выходе из рабочего колеса и с большим диаметром уравновешивающих отверстий. Разделенные на две части лопатки выравнивают структуру двухфазного потока в межлопаточных каналах рабочего колеса. Увеличение угла потока на выходе из рабочего колеса приблизительно до 50-90° позволяет оптимизировать характеристику насоса. Увеличенный диаметр уравновешивающих отверстий способствует более эффективному перемешиванию газа и жидкости.

Разделенные в радиальном направлении на две части лопатки предлагаемого в изобретении рабочего колеса центробежного насоса состоят из внутренней лопатки и наружной лопатки, которые имеют разную кривизну. Задняя кромка внутренней лопатки смещена относительно передней кромки наружной лопатки и не касается ее. Задняя кромка внутренней лопатки может опережать или отставать от передней кромки наружной лопатки. Наличие зазоров между внутренними и наружными лопатками способствует перемешиванию перекачиваемого насосом скважинного флюида и равномерному распределению газа в жидкой фазе.

Предлагаемое в изобретении рабочее колесо центробежного насоса имеет множество межлопаточных каналов для прохода перекачиваемого насосом флюида, расположенных между соседними разделенными на две части лопатками. Каждый межлопаточный канал имеет одно уравновешивающее отверстие. Диаметр уравновешивающего отверстия составляет приблизительно от 45 до 100% от расстояния между вогнутой и выпуклой сторонами соседних внутренних лопаток. Этот диапазон соответствует минимальному диаметру уравновешивающих отверстий, равному 7/32'' (0,2188''). Уравновешивающие отверстия расположены по существу по касательной к разделенным на две части лопаткам рабочего колеса.

Предлагаемый в изобретении центробежный насос, рабочее колесо которого имеет разделенные на две части лопатки с большим углом наклона на выходе из колеса и уравновешивающие отверстия, можно использовать в качестве промежуточного насоса, установленного перед обычным центробежным насосом. Кроме того, предлагаемое в изобретении рабочее колесо можно использовать в качестве рабочего колеса в одной или нескольких ступенях центробежного насоса, который также имеет одну или несколько ступеней с рабочими колесами обычной конструкции. Предлагаемый в изобретении центробежный насос можно использовать в качестве скважинного насоса в комплексе с другим скважинным оборудованием. Для уменьшения количества свободного газа в перекачиваемом насосом флюиде до его перекачивания можно расположить до промежуточного насоса газосепаратор. Настоящее изобретение не исключает возможности и других, очевидных для специалистов вариантов его возможной реализации, не выходящих за объем изобретения и не искажающих его основную идею.

Краткое описание чертежей

Перечисленные выше, а также и другие отличительные особенности, преимущества и задачи изобретения подробно рассмотрены ниже на примере одного из возможных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, которые являются его составной частью. В этой связи необходимо подчеркнуть, что показанный на чертежах вариант возможного осуществления изобретения является только предпочтительным и не ограничивает объем изобретения и не исключает возможности его осуществления и другими аналогичными и равно эффективными способами. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:

на фиг.1 - продольный разрез предлагаемого в изобретении центробежного насоса, расположенного в скважине, заполненной вязким флюидом,

на фиг.2 - рабочее колесо обычной конструкции в сечении плоскостью 2-2 по фиг.1,

на фиг.3 - предлагаемое в изобретении рабочее колесо в сечении плоскостью 3-3 по фиг.1 и

на фиг.4 - поперечное сечение диффузора и рабочих колес центробежного насоса, предлагаемого в настоящем изобретении, плоскостью 4-4 по фиг.3.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.1 показана скважина 10 с расположенным в ней погружным многосекционным насосом 11. Насос 11 состоит из центробежного насоса 13 и соединенного с ним промежуточного насоса 12, который в свою очередь соединен с уплотняющей секцией 14 и электродвигателем 16, погруженным в скважинный флюид 18. Центробежный насос 13 имеет рабочие колеса обычной конструкции. Вал двигателя 16 соединен с (не показанным на чертеже) валом уплотняющей секции, который в свою очередь соединен с газосепаратором 19, соединенным с промежуточным насосом 12. Многосекционный насос 11 расположен в заполненной скважинным флюидом 18 обсадной трубе 20 скважины 10. Насос 12 соединен с насосной трубой 22, по которой откачиваемый из скважины флюид 18 подается в (не показанный на чертеже) резервуар для хранения добываемых нефтепродуктов или в трубопровод.

На примере показанного на фиг.1 погружного многосекционного насоса 11 проиллюстрирован только один из вариантов возможного применения предлагаемых в изобретении решений. В качестве других вариантов можно назвать многосекционный насос без газосепаратора 19 или один центробежный насос 13 по меньшей мере с одним рабочим колесом предлагаемой в изобретении конструкции. Следует отметить, что в объеме изобретения для специалистов в данной области очевидны и другие возможные варианты практической реализации предлагаемых в изобретении решений.

На фиг.2 в сечении плоскостью 2-2 по фиг.1 изображено рабочее колесо 24 центробежного насоса обычной конструкции. Рабочее колесо 24 имеет множество лопаток 26 с определенным углом 28 наклона на выходе из колеса. Лопатки 26 обычного рабочего колеса центробежного насоса выполнены в виде одной цельной детали. Угол 28 наклона лопаток на выходе из колеса обычно составляет от 15 до 35°. Рабочее колесо 24 имеет уравновешивающие давление отверстия 30. Уравновешивающие давление отверстия 30 расположены между лопатками 26 у обратной, или вогнутой, стороны 32 каждой лопатки на некотором расстоянии от стороны 34 повышенного давления (выпуклой стороны лопатки).

На фиг.3 в сечении плоскостью 3-3 по фиг.1 изображено рабочее колесо 40 центробежного насоса предлагаемой в настоящем изобретении конструкции. Рабочее колесо 40 имеет множество лопаток 42. Каждая лопатка 42 предлагаемого в изобретении рабочего колеса центробежного насоса разделена на две части и состоит из радиально внутренней лопатки 44 и радиально наружной лопатки 46. Внутренние лопатки 44 и наружные лопатки 46 имеют разный радиус кривизны, который у внутренних лопаток 44 больше, чем у наружных лопаток 46. Длина внутренних лопаток 44 больше длины наружных лопаток 46. Внутренние лопатки 44 имеют больший, чем наружные лопатки 46, радиус кривизны. Внутренние лопатки 44 предпочтительно имеют такой же радиус кривизны, что и внутренние участки показанных на фиг.2 лопаток 26 рабочего колеса 24 центробежного насоса обычной конструкции. Наружные лопатки 46 выполнены, как уже было сказано выше, более изогнутыми по сравнению с внутренними лопатками.

Предлагаемые в изобретении разделенные на две части лопатки часто называют разрезными лопатками. У разрезных лопаток вогнутая сторона 48 внутренней лопатки 44 смещена относительно выпуклой стороны 50 наружной лопатки 46 и не касается ее. Как показано на фиг.3, задняя кромка внутренней лопатки 44 не совпадает с передней кромкой наружной лопатки 46 и опережает эту переднюю кромку. При другом направлении вращения насоса задняя кромка внутренней лопатки 44 должна отставать от передней кромки наружной лопатки 46. Между задней кромкой внутренней лопатки 44 и передней кромкой наружной лопатки 46 имеется зазор 45. Угол 51 наклона разрезных лопаток 42 на выходе из колеса обычно составляет от 50 до 90°. Угол 51 наклона лопаток на выходе из колеса равен углу между касательной к наружному диаметру колеса 40 и прямой линией, являющейся продолжением наружной лопатки 46.

Между разрезными лопатками 42 расположены межлопаточные каналы 52, образованные с одной стороны вогнутыми сторонами 48 внутренних лопаток 44 и вогнутыми сторонами 54 наружных лопаток 46, а с другой стороны - выпуклыми сторонами 56 соседних внутренних лопаток 44 и выпуклыми сторонами 50 соседних наружных лопаток 46. В каждом межлопаточном канале 52 выполнено уравновешивающее отверстие 58. Каждое уравновешивающее отверстие 58 проходит вверх из межлопаточного канала 52 через верхнюю стенку, или диск, 59 рабочего колеса 40. Диаметр уравновешивающих отверстий 58 составляет от 45 до 100% от расстояния 60 между вогнутой стороной 48 внутренней лопатки 44 и выпуклой стороной 56 соседней внутренней лопатки 44. В предпочтительном варианте уравновешивающие отверстия 58 по существу касаются противоположных сторон 48, 56 соседних внутренних лопаток, образующих вместе с наружными лопатками межлопаточные каналы 52, в которых расположены уравновешивающие отверстия 58.

Как показано на фиг.4, центробежный насос 12 имеет корпус 61 (не показанный на фиг.2), внутри которого расположены все элементы насоса 12. Насос 12 имеет вал 62, который проходит в продольном направлении через весь насос. Диффузоры 64 насоса (на чертеже частично показан только один диффузор) имеют внутреннюю часть с отверстием 66 для прохода вала 62. Каждый диффузор 64 имеет множество каналов 65, которые проходят насквозь через весь диффузор. Внутри каждого диффузора 64 расположено рабочее колесо 40 насоса. Рабочее колесо 40 имеет ступицу с центральным отверстием 68, которая соединена с валом 62 и вращается в центральном отверстии диффузора 64. Между рабочим колесом 40 и диффузором 64 сверху и снизу расположены (не показанные на чертеже) шайбы упорных подшипников.

Вращающиеся вместе с валом 62 рабочие колеса 40 увеличивают в межлопаточных каналах 52 скорость перекачиваемого насосом флюида 18. Вытекающий из рабочего колеса флюид 18 проходит по каналам 65 диффузора внутрь насоса и попадает в рабочее колесо 40 следующей ступени, в которой происходит дальнейшее повышение его давления. Увеличение количества ступеней путем установки в насос дополнительных рабочих колес 40 и диффузоров 64 позволяет соответствующим образом увеличить давление флюида 18 на выходе из насоса.

Использование разрезных (разделенных на две части) лопаток с уменьшенной по сравнению с обычными лопатками разницей между давлением на стороне повышенного давления (вогнутой стороне) 48, 54 лопаток 42 и давлением на стороне пониженного давления (выпуклой стороне) 56, 50 лопаток 42 позволяет минимизировать разделение флюида на отдельные фазы и способствует сохранению однородной структуры двухфазного флюида. Наличие между внутренними и наружными лопатками 44 и 46 зазора 45, через который флюид из межлопаточных каналов, образованных внутренними лопатками 44, попадает в межлопаточные каналы, образованные наружными лопатками 46, также способствует однородному перемешиванию жидкой и газовой фаз флюида. Имеющие сравнительно большой диаметр уравновешивающие отверстия 58, соединяющие переднюю, или верхнюю, сторону рабочего колеса 40 с его задней, или нижней, стороной, позволяют использовать расположенное на задней стороне насоса пространство уравновешивающей камеры для дополнительного перемешивания газа и жидкости. Большой угол 51 наклона лопаток на выходе из колеса позволяет выровнять возникающие в рабочем колесе вторичные потоки, направление которых совпадает с направлением основного потока. Выравнивание потоков связано с изменением направления потока, геометрией скругленной лопатки 42 и наличием градиента давления в межлопаточных каналах. Внутренние и наружные лопатки 44, 46 имеют, как уже сказано выше, разную кривизну. Различие радиусов кривизны лопаток способствует перемешиванию двухфазных флюидов. В предлагаемом в изобретении центробежном насосе связанное с влиянием потока в граничном слое на основной поток уменьшение расхода в граничном слое и увеличение потерь энергии происходит только при определенных обстоятельствах. Так, например, при увеличении давления на выходе из насоса содержание газа в сжатом двухфазном флюиде уменьшается.

Предлагаемый в изобретении насос можно использовать в качестве промежуточного насоса, установленного перед обычным центробежным насосом и предпочтительно выполненного в виде сдвоенного насоса. В другом варианте сдвоенный насос можно заменить одним центробежным насосом, который имеет по меньшей мере одно рабочее колесо предлагаемой в изобретении конструкции и по меньшей мере одно рабочее колесо обычной конструкции.

При перекачке флюидов с высоким содержанием газа коэффициент полезного действия насоса в большинстве случаев контролируют путем разделения фаз, поскольку при скорости газа, существенно меньшей скорости жидкости, в рабочем колесе образуется свободная зона. Уменьшить размеры образующейся в рабочем колесе свободной зоны можно за счет тщательного перемешивания газа и жидкости. В однородном потоке при достаточно большой силе межфазного притяжения разделение фаз не ухудшает существенно характеристику насоса. Предлагаемый в изобретении насос можно использовать для перекачки скважинных флюидов, в которых содержание свободного газа достигает 50 об.%.

Настоящее изобретение обладает существенными преимуществами. Предлагаемый в изобретении насос, с помощью которого можно откачивать из скважин флюиды, в которых содержание свободного газа достигает 50 об.%, существенно превышает по этому показателю возможности обычных центробежных насосов. При перекачке флюидов с высоким содержанием газа в предлагаемых в изобретении центробежных насосах не образуется никакой газовой пробки. Использование в центробежных насосах рабочих колес предлагаемой в изобретении конструкции позволяет увеличить напор, производительность и коэффициент полезного действия насоса.

Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные выше варианты осуществления изобретения не ограничивают области возможного его применения и не исключают возможности внесения в эти варианты различных изменений и усовершенствований, не выходящих за объем изобретения, определяемый его формулой.

Так, например, предлагаемое в изобретении рабочее колесо центробежного насоса можно использовать не только в скважинных насосах, но и в насосах любого назначения. Другие возможные области применения центробежных насосов хорошо известны специалистам. Предлагаемое в изобретении рабочее колесо можно также использовать не только в электрических погружных, но и в других насосах. Настоящее изобретение, кроме того, можно использовать и в поверхностных насосах, и в турбинах. Кроме того, предлагаемый в изобретении насос можно использовать и в другой компоновке всего комплекса расположенного в скважине оборудования, например с газовым сепаратором, расположенным до или после промежуточного насоса с рабочими колесами предлагаемой в изобретении конструкции.