газосепаратор

Формула изобретения

1. 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, отличающийся 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.

2. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены с прямоугольным, трапециевидным, эвольвентным или иным сечением.

3. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти в гильзе газосепаратора имеют разное сечение, вокруг шнека - прямоугольное, переходящее вокруг лопастного колеса в треугольное с гипотенузой, обращенной к направлению потока, при этом переход от прямоугольного сечения лопасти к треугольному плавно осуществлен в пределах разворота в 90°.

4. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти расположены с шагом в интервале 0,3-3,0 шага шнека.

5. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что ширина спиральных лопастей составляет от 0,04 до 0,15 шага шнека, а размер продольных и спиральных лопастей в радиальном направлении составляет 0,02-0,08 диаметра защитной гильзы.

6. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены двух-, трех- или более заходными.

7. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что продольные лопасти установлены под углом от 30 до 90° к поверхности защитной гильзы.

8. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что продольные лопасти выполнены прерывистыми.

9. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены прерывистыми.

10. Газосепаратор по п.1, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены парными, их скелетные линии эквидистантны, а расстояние между парными лопастями соизмеримо с их шириной.

Описание изобретения к патенту

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.