винтовой сепаратор

Формула изобретения

1. Винтовой сепаратор, предназначенный для разделения смеси газ/жидкость на два отдельных главным образом однофазных потока, расположенный вертикально и включающий в себя камеру расширения и вторичный сепаратор, образованный по меньшей мере одним винтовым направляющим аппаратом с постоянным шагом, который вблизи от его нижней поверхности имеет отверстия для выхода газа, отличающийся тем, что он содержит промежуточную область, образованную по меньшей мере одним винтовым направляющим аппаратом с уменьшающимся в направлении потока газ/жидкость шагом, расположенную между камерой расширения и вторичным сепаратором.

2. Винтовой сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что винт с постоянным шагом вторичного сепаратора является продолжением винта с переменным шагом промежуточной области.

3. Винтовой сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что промежуточная область содержит два или более направляющих аппарата с переменным шагом, которые образованы основным винтом, являющимся продолжением винта с постоянным шагом вторичного сепаратора, и по меньшей мере одним вспомогательным винтом, имеющим разрыв у конца промежуточной области, причем каждый винт смещен относительно периферии сепаратора.

4. Винтовой сепаратор по п. 3, отличающийся тем, что предусмотрен один вспомогательный винт, который имеет сдвиг по фазе на 180^o относительно основного винта.

5. Винтовой сепаратор по п. 2, отличающийся тем, что в промежуточной области предусмотрено несколько винтов, распределенных по периферии сепаратора, причем некоторые из них идут до нижней области его.

6. Винтовой сепаратор по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит две продольные концентрические центральные трубы с отверстиями для протекания газа из вторичного сепаратора в кольцевое пространство между указанными концентрическими трубами.

7. Винтовой сепаратор по п. 6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит третичный сепаратор, образованный резервуаром для жидкости, предусмотренным в нижней части сепаратора, причем указанный резервуар имеет переменную высоту в соответствии с рабочими условиями, при этом продольная труба большего диаметра входит в контакт с нижним основанием сепаратора и имеет на своем нижнем участке поперечные отверстия для входа жидкости в нее, откуда жидкость поступает к насосу, установленному внутри указанной продольной центральной трубы меньшего диаметра и используемому для задания направления потока приведенной в движение жидкой фазы.

8. Винтовой сепаратор по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что он смонтирован в удлиненном цилиндрическом контейнере.

9. Винтовой сепаратор по п. 8, отличающийся тем, что камера расширения занимает кольцевую область между внутренней поверхностью верхнего участка цилиндрического контейнера и внешней цилиндрической поверхностью продольной трубы и имеет расположенный в промежуточной точке ее внешней периферии вход, через который смесь газ/жидкость вводится тангенциально.

10. Винтовой сепаратор по п. 9, отличающийся тем, что он дополнительно содержит отверстия в продольной трубе, предназначенные для прохода газа, отделенного в камере расширения, из камеры расширения в кольцевое пространство между двумя концентрическими продольными трубами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение имеет отношение к созданию оборудования для разделения многофазных смесей, основанном на разности плотностей фаз; такое оборудование особенно применимо для смесей газов в жидкостях и основано на совместном действии центробежной силы и силы тяжести. Более конкретно, такое оборудование наиболее эффективно может быть использовано при добыче нефти, а именно, как при самой добыче, так и при бурении нефтяных скважин, особенно в случае морских залежей нефти, расположенных на больших глубинах, и береговых залежей. Настоящее изобретение может быть также применено в химической и нефтехимической отраслях промышленности.

В природе сырая нефть находится в смеси с водой и газом. Одной из немедленных задач при добыче нефти, когда восходящее давление низкое, является выбор способа доставки нефти от устья скважины к месту ее первоначальной обработки. Причиной этого является то, что нефть можно транспортировать в виде природного многофазного потока за счет многофазной накачки (в смеси с газом) или при помощи накачки только жидкого компонента нефти после отделения от нее газовой фазы. Решение в пользу одного из указанных способов зависит среди прочих факторов от характеристик месторождения, характеристик полученной текучей среды (флюида) и от условий окружающей среды.

Одной из задач настоящего изобретения является содействие эффективному отделению газа, перемешанного с нефтью, даже на морском дне, внутри эквивалента скважины, таким образом, чтобы сделать оправданной эксплуатацию углеводородных запасов, расположенных в глубоких водах океана.

Одно из основных преимуществ проведения разделения на морском дне, внутри эквивалента скважины, заключается в снижении давления потока нефти на дно (основание) скважины, что позволяет добывать больше нефти из продуктивного пласта. Увеличение добычи происходит потому, что давление в устье скважины снижается до рабочего давления сепаратора, которое существенно ниже гидростатического давления толщи воды или гидростатического давления в добычном трубопроводе до морской платформы. Разделение выходящего из продуктивного пласта потока на две отдельные составляющие, а именно, на поток жидкости и на поток газа, позволяет производить эксплуатацию нефтяных запасов с использованием традиционных технологий, хорошо известных в нефтедобывающей промышленности. Газ поднимается за счет разности давлений между сепаратором и приемным резервуаром, расположенным на платформе, в то время как подъем жидкого потока может быть осуществлен, например, за счет использования подводной центробежной накачки (SCP) или другой подходящей техники искусственного подъема.

Другое преимущество использования разделения на морском дне в случае прибрежной добычи нефти заключается в экономии физического пространства и в снижении нагрузки на палубу платформы.

Еще одн существенное преимущество указанного способа разделения в связи с разработкой природного продуктивного пласта связано с возможностью текущего контроля запасов нефти, так как в случае разделения потоков жидкости и газа они могут быть более легко измерены. Этот факт является чрезвычайно важным, особенно если принимать во внимание трудности, связанные с измерением многофазного потока. Текущий контроль индивидуальной добычи жидкости и газа также позволяет лучше контролировать весь процесс добычи из нефтяного продуктивного пласта.

Другим применением настоящего изобретения при проведении операций бурения нефтяных скважин является отделение газов, которые могут смешиваться с буровым раствором.

Настоящее изобретение может также найти применение в промышленности вне области добычи нефти. В этом случае ограничения на размеры оборудования существенно снижаются.

Среди самых последних достижений во данной области следует упомянуть многообещающую концепцию, известную под названием "Вертикальное угловое разделение и система нагнетания" (VASPS), в соответствии с которой единый погружной блок разделителя/насоса устанавливают в трубе диаметром 0,75 м (30 дюймов), обычно используемой в традиционных системах подводной добычи. Такая концепция позволяет использовать стандартизированное оборудование для футеровки скважин, устьев скважин и направляющих оснований, а также использовать погружные насосы, встроенные в футеровку скважин и предназначенные для отвода жидкой фазы по предназначенной для этого специальной трубе. Отделение и отвод газа производят при помощи другой трубы, в которой поддерживается давление, существующее у устья скважины.

Эта система детально описана в патенте США 4900433 от 13.02.90, владельцем которого является компания "Бри Тиш Петролеум", а также в посвященной системе VASPS статье Дж.Грегори (J.Gregory) "VASPS (Vertical Annular Separation and Pumping System) Sends Subsea Separation on Downward Spiral to Success", опубликованной в августе 1989 г. в журнале "Offshore Engineering", стр. 35-36.

В системе VASPS объединены операционные характеристики сепаратора и погружного насоса, что позволяет получить компактный блок с возможностью измерения потока добычи. В указанной системе принципиально используют центробежную силу для разделения жидкости и газа.

Лабораторные испытания с имитацией указанной системы VASPS позволили выявить ряд недостатков и не эффективных аспектов, которые должны быть рассмотрены, а именно:

i) чрезмерное количество жидкости (нефть в смеси с водой) в газовой линии (за счет переноса жидкости LCO), что ограничивает способность оборудования к разделению газ/жидкость и снижает его операционные возможности. Любое прерывание многофазного потока газ/жидкость в линии питания сепаратора вызывает поступление жидкости в газовую трубу;

ii) операционная концепция системы предусматривает создание нисходящего потока жидкости и газа в первой ступени оборудования (в головке сепаратора). Этот нисходящий поток смеси жидкости и газа вызывает чрезмерную потерю давления в потоке, что приводит к ненужному повышению давления в устье скважины, результатом чего является снижение общей добычи углеводородов из пласта.

Для разрешения указанных проблем было предложено устройство в соответствии с заявкой на патент Бразилии PI 9504350 ("Усовершенствованный сепаратор нефти и газа"). Это устройство предназначено для встраивания в указанную систему в виде цилиндрического блока, который работает в качестве первичного сепаратора, заменяющего коническую часть корпуса сепаратора. В промежуточной точке этого цилиндрического блока предусмотрено боковое отверстие для тангенциального ввода добытого флюида. В верхней внутренней части первичного сепаратора предусмотрены отверстия, которые сообщаются с продольной центральной трубой, по которой газы идут к выходной трубе сепаратора. Отделение газа происходит за счет совместного действия центробежной силы и силы тяжести.

Первичный сепаратор действует в качестве расширительной камеры, объединенной с центробежным сепаратором, что способствует лучшему разделению фаз за счет эффекта выделения, что также позволяет работать при более низких давлениях, близких к давлению в выходной линии. Первичный сепаратор имеет компактную трубную геометрию, совместимую с известными технологиями прибрежного бурения, в том числе и с такими, которые подходят для глубоководного бурения.

В патенте США 4481020 раскрыт сепаратор, в котором потоки смеси газ/жидкость протекают вверх после винтового направляющего аппарата, который имеет постоянный, а скорее даже увеличивающийся шаг. Такой увеличивающийся шаг необходим для устранения тангенциальной скорости жидкости и газа ранее отвода газа.

В патенте США 2865470 раскрыта горизонтально ориентированная сепараторная камера, в которую впрыскивают по оси смесь газ/жидкость после винтового направляющего аппарата. В указанном устройстве не используют силу тяжести для содействия разделению, причем в указанном патенте не описан первичный гидроциклон.

Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного сепаратора, который включает в себя:

1) первичный сепаратор, образованный цилиндрическим гидроциклонном с камерой расширения и с тангенциальным вводом в промежуточной точке;

2) вторичный сепаратор, образованный цилиндрической камерой, которая содержит винт для направления потока, и третичный сепаратор, который представляет собой резервуар или бак для гравитационного разделения.

При проведении экспериментов с таким сепаратором было обнаружено, что такая конструкция также имеет ряд операционных недостатков, главным образом при высоких скоростях потока, даже в пределах заданной области работы. Эти недостатки проявляются в виде накопления жидкости на верхней части геликоидальной поверхности, а также сказываются в нижней части камеры расширения. Этот эффект может быть вызван резким торможением (замедлением) смеси газ/жидкость при ее прохождении через камеру расширения к винтовому сепаратору.

Настоящее изобретение в основном имеет отношение к созданию улучшенного сепаратора газ/жидкость, в котором поток жидкости может быть образован многофазной смесью, например нефтью и водой, или же может представлять собой однофазный поток.

В заявке на патент Бразилии PI 9504350 предложено использовать двухфазный вертикальный сепаратор обычного типа, имеющий известные внутренние компоненты, для его установки над первичным сепаратором системы "VASPS". Такое использование обеспечивает следующие преимущества:

i) оно позволяет газу двигаться в своем естественном потоке, что способствует более эффективному разделению во вторичном сепараторе и снижает увлечение жидкости;

ii) указанный сепаратор может работать при более низких давлениях, что обеспечивает лучшее управление давлением в продуктивном пласте;

iii) отделение газа происходит за счет совместного действия центробежных и гравитационных сил.

Однако флюид входит в контакт с геликоидальной поверхностью, выходя из камеры расширения, с образованием весьма резкого перехода, что вызывает накопление жидкости в данной области и может приводить к переносу жидкости в газовую линию, особенно при низких скоростях потока.

С учетом изложенного, в соответствии с настоящим изобретением предлагается главным образом вертикально расположенный винтовой сепаратор, предназначенный для содействия разделению смеси газ/жидкость на два отдельных главным образом однофазных потока, причем указанный сепаратор включает в себя камеру расширения (I) и вторичный сепаратор (III), образованный по меньшей мере одним винтовым направляющим аппаратом с постоянным шагом (14а), который вблизи от его нижней поверхности имеет отверстия (17), позволяющие газу проходить в трубу (5), выходящую из сепаратора, причем указанный сепаратор отличается тем, что содержит: промежуточную область (II), образованную по меньшей мере одним направляющим аппаратом с переменным шагом (14а), расположенную между камерой расширения (I) и вторичным сепаратором (III), причем указанный переменный шаг уменьшается в направлении потока газ/жидкость.

В частности, в соответствии с настоящим изобретением предложен ввод переходной области между камерой расширения и началом геликоидальной поверхности. Эта переходная область создает легкое замедление смеси жидкости с газом, уже обработанной в камере расширения и идущей к геликоидальной поверхности. Этот участок образован в общем двумя винтами с переменным шагом, начинающимися под углом 90^o, параллельными направлению потока в конце камеры расширения. После ориентировочно полутора оборотов геликоидальной поверхности с переменным шагом, то есть ориентировочно после 540^o, указанный участок постепенно доходит с наклоном около 18^o до второй ступени сепаратора, которая в основном образована другой геликоидальной поверхностью, на этот раз с постоянным шагом.

Предусмотренная на указанном переходном участке вторая геликоидальная поверхность с переменным шагом, которая имеет сдвиг по фазе относительно первой геликоидальной поверхности на угол 180^o, предотвращает образование каскада, падающего на второй шаг первой геликоидальной поверхности. Указанные первая основная геликоидальная поверхность и вторая вспомогательная геликоидальная поверхность идут вдоль продольной центральной трубы. Указанная вторая геликоидальная поверхность может иметь разрыв после полного завершения шага от точки, в которой нет больше свободного падения флюида, на второй шаг первой основной геликоидальной поверхности, или же может иметь продолжение как нижняя часть сепаратора, действуя в качестве делителя потока для усиления разделения газ/жидкость.

Даже если в жидкой фазе есть твердые вещества, что часто случается в нефтедобывающей промышленности, когда в жидкости имеются небольшие количества песка или гравия, то все равно предложенное оборудование может быть эффективно использовано, так как в нем предусмотрены выпуски для удаления твердых веществ, которые могли бы накапливаться в нижней части оборудования. Это может также происходить в случае использования сепаратора в соответствии с настоящим изобретением для разделения бурового раствора и газов в случае легких текучих тел.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 схематично показан винтовой сепаратор в соответствии с заявкой на патент Бразилии PI 9504350.

На фиг. 2 схематично показана одна из конструкций улучшенного винтового сепаратора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показан выделенный переходный участок, который в данном случае образован в основном двумя геликоидальными поверхностями с переменным шагом, причем этот участок расположен между первыми двумя ступенями сепаратора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 показан состав горизонтального прерывистого потока.

Показанное на фиг.1 устройство в соответствии с заявкой на патент Бразилии РI 9504350 может быть принято за прототип. Верхний участок (I) представляет собой первичный сепаратор, промежуточный участок (II) представляет собой вторичный сепаратор, а нижний участок (III) представляет собой третичный сепаратор.

В первичный сепаратор (I) по трубе (1) поступает полученная в нефтяной скважине смесь жидкости и газа, после чего эта смесь впрыскивается в гидроциклон (2), соединенный с камерой расширения (3). На этой ступени существенная часть свободного газа, то есть газа, не растворенного в жидкости, отделяется и выводится из камеры расширения (3) через отверстия (4) в верхней части продольной центральной трубы (5), которая проходит через камеру расширения (3). Остальная часть свободного газа также отделяется от жидкости и втекает в центральную область гидроциклона (2) и камеры расширения (3) или распределяется в пленке жидкости (6) в виде пузырьков.

Пленка жидкости (6) с распределенными пузырьками газа стекает вниз по винтовой траектории, заданной совместным действием центробежной силы и гравитационного поля, в направлении вторичного сепаратора (II) или геликоидальной поверхности (7). При этом проходе геометрия системы, образованной гидроциклонном (2) и камерой расширения (3), выполняет ряд важных функций, в том числе:

i) содействует отделению газа от пузырьков, распределенных в пленке жидкости (6), за счет действия центробежной силы;

ii) выводит пленку жидкости (6), которая все еще содержит остаточные распределенные пузырьки, в поперечную секцию потока, для того, чтобы произвести "мягкий" ввод на геликоидальную поверхность (7); и,

iii) предотвращает протекание вниз свободного газа.

Порция газа, отделенного в гидроциклоне (2), и жидкости с распределенными газовыми пузырьками поступают на геликоидальную поверхность (7), которая образована во вторичном сепараторе (II) и описывает идущую вниз винтовую траекторию, направляемую винтом. Состав центробежной и гравитационной сил стремится вызвать построение фаз указанного на фиг.1 типа, то есть создать слоистую картину. Так как слоистая газовая фаза является более легкой, то она занимает верхний внутренний участок поперечного сечения.

В продольной центральной трубе (5) предусмотрен ряд равномерно расположенных отверстий (8), идущих вдоль центральной оси сепаратора, относительно которой развертывается геликоидальная поверхность (7), захватывающая отделенный газ. Эти отверстия (8) предназначены только для удаления газа, поэтому они расположены непосредственно под нижней поверхностью каждой геликоидальной поверхности. Тот газ, который еще не отделен и остается в виде распределенных пузырьков, продолжает свое движение вниз совместно с пленкой жидкости в направлении бака (9), который описан ниже. Принимая во внимание действие центробежной и гравитационной сил, эти пузырьки мигрируют к поверхности раздела газ/жидкость, при этом в нефти становится постепенно меньше распределенного газа. Таким образом, геликоидальная поверхность (7) выполняет следующие функции:

i) позволяет удалять свободный газ, не извлеченный в гидроциклоне; и

ii) увеличивает время нахождения (обработки) смеси, то есть жидкости с распределенными пузырьками, образующей пленку жидкости, что позволяет пузырькам мигрировать к поверхности раздела и затем отделяться от жидкости.

У нижнего конца геликоидальной поверхности 7 пленка жидкости достигает третичного сепаратора (III), то есть гравитационного разделительного бака (9). Во входной области бака объем газа, не отделенный на предыдущих стадиях, в виде распределенных в жидкости пузырьков, поступает в объем газа, который добавляется к жидкости за счет соударения с пленкой жидкости в баке (9), что известно как процесс "повторного перемешивания".

Третичный сепаратор (III) представляет собой резервуар (9) с жидкостью, который образует последнее препятствие перед всасыванием пузырьков насосом (10), установленным ниже по течению или перед другим устройством для удаления жидкости. Третичный сепаратор (III) действует как обычный гравитационный сепаратор на пузырьки, распределенные в жидкости, которые не были удалены из потока ранее, а также на пузырьки, захваченные жидкостью за счет соударения пленки жидкости (6) в баке (9). Разделение в указанном третичном сепараторе (III) происходит только за счет действия силы тяжести.

После прохождения через различные сепараторы - первичный (I), вторичный (II) и третичный (III) - потоки жидкости и газа протекают через соответствующие центральные трубы; самая внутренняя центральная труба (11) транспортирует жидкость при помощи погружного насоса (10), установленного в баке (9), или же за счет действия существующего в сепараторе давления. Отделенный газ протекает через кольцевое пространство (12) между двумя концентрическими центральными трубами (5, 11).

Как уже упоминалось ранее, в описанном выше сепараторе при впрыске на геликоидальную поверхность флюида, поступающего с выхода блока гидроциклона и камеры расширения (2, 3), образуется резкий переход, вызывающий накопление жидкости в нижней части камеры расширения (3). Для преодоления указанного недостатка в соответствии с настоящим изобретением предлагается модификация внутренних компонентов сепаратора.

В соответствии с настоящим изобретением, предлагается ввести переходную зону между показанными на фиг.1 областями I и II, которая содержит сегментированную геликоидальную поверхность с начальной секций, имеющей переменный угол винта, начиная с угла атаки 90^o, с постепенным уменьшением до величины, выбранной для конечной секции геликоидальной поверхности с постоянным шагом.

На фиг. 2 схематично показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, а на фиг.3 показан переходный участок (II) начала геликоидальной поверхности, а также геликоидальная поверхность (III), идущая вдоль продольной централизованной трубы (5), которая, в свою очередь, охватывает центральную трубу (11), предназначенную для удалении жидкой фазы. Как это показано на фиг.2, газовая (фаза протекает через кольцевое пространство (12) между упомянутыми ранее трубами (5, 11).

Усовершенствованный в соответствии с настоящим изобретением винтовой сепаратор главным образом включает в себя следующие основные узлы: камеру расширения (I), переходный участок (II), геликоидальную поверхность (III) и бак (IV). Сепаратор идет вдоль всей длины двух централизованных продольных труб (5, 11), причем труба (5) имеет больший диаметр и охватывает трубу (11) меньшего диаметра, которая предназначена для сбора и удаления газа. В нижней части сепаратора установлен центробежный насос (18). Продольная центральная труба (11) меньшего диаметра предназначена для принудительного удаления отделенной жидкой фазы.

Камера расширения (1), или первичный сепаратор, содержит в промежуточной точке впрыскивающее сопло (13) для ввода смеси, а в верхней части отверстия (15) для прохода отделенного газа в кольцевое пространство (12) между двумя централизованными трубами (5, 11). Из рассмотрения фиг.2 можно понять, что газ после прохода через указанное кольцевое пространство выходит наружу через верхнюю часть (16) сепаратора.

Переходная область (II) находится ниже камеры расширения (I). Эта область в основном образована двумя винтами с переменным шагом, а именно, основным винтом (14а) и вспомогательным винтом (14b), которые имеют сдвиг по фазе на 180^o. Более короткий вспомогательный винт (14b) образует пару в начальной вертикальной секции и с учетом указанного фазового сдвига предотвращает образование каскада в пустом пространстве, соответствующем первому витку винта; он действует как буфер и предотвращает затопление камеры. Вторая геликоидальная поверхность может иметь разрыв на втором витке, в точке, в которой уже нет больше свободного падения жидкости на второй виток основного винта, или же может иметь продолжение до нижней части сепаратора, действую в качестве делителя потока и усиливая разделение газ/жидкость.

За переходной областью (II) следует геликоидальная поверхность (III) с постоянным шагом, которая образована в так называемом вторичном сепараторе. Под геликоидальной поверхностью находятся отверстия (17), выполненные в продольной центральной трубе (5) большего диаметра и предназначенные для удаления отделенного газа. Указанная геликоидальная поверхность (III) идет до нижней части сепаратора.

Нижняя часть сепаратора в основном выполнена в виде бака и представляет собой третичный сепаратор (IV). Объем смеси, накопленной в баке на этой стадии процесса, содержит только небольшое количество остаточного газа, который отделяют за счет действия силы тяжести. В нижней части бака в центральной трубе имеются отверстия (19), предназначенные для пропускания жидкой фазы внутрь продольной централизованной трубы (5) большего диаметра, где установлен центробежный насос (18). Жидкая фаза поднимается на необходимую высоту, определяемую рабочими условиями, так что она полностью покрывает насос (18).

Основная идея использования винта с начальной секцией, имеющей переменный наклон, заключается в получении возможно более "мягкого" перехода от потока в камере расширения (I) к потоку, поступающему на геликоидальную поверхность (III). В известных ранее устройствах двухфазный поток при выходе из сопла имеет скорость с преобладающим тангенциальным компонентом, причем одновременно он ускоряется по оси за счет силы тяжести. После протекания в виде пленки по стенке камеры расширения он идет в наклонном направлении и постепенно замедляется в тангенциальном направлении за счет действия вязкости. Направление потока при его входе на геликоидальную поверхность задано рабочими условиями, геометрией камеры расширения и характеристиками флюида, а также осевым расстоянием от впрыскивающего сопла до геликоидальной поверхности. Очевидно, что наиболее благоприятная ситуация, с минимальными возмущениями потока при входе на геликоидальную поверхность, может быть получена при совпадении направления потока с наклоном винта. Аналогичный критерий применяется при проектировании машин для непрерывного проката стекла, в которых сводят до минимума "ударные потери" на входе ротора.

Угол течения (прохождения потока) пленки в осевом положении ниже сопла зависит от условий работы сепаратора. Если осевое расстояние мало и камера расширения короткая, то угол течения и угол винта будут совпадать только при специфических условиях работы сепаратора. Однако это расстояние может быть таким, что в определенном диапазоне скоростей течения газа и жидкости при работе сепаратора, поток пленки будет иметь только осевую составляющую после полного торможения его тангенциальной составляющей. В этом случае угол атаки винта в начале геликоидальной поверхности должен быть равен 90^o.

При угле атаки винта в начале геликоидальной поверхности, составляющем 90^o, длина нижней части камеры расширения (ниже сопла) должна быть такой, чтобы текущая по стенке пленка жидкости не имела более никакой тангенциальной составляющей. Кроме того, так как поток может быть промоделирован, причем существует возможность проверки модели и ее настройки с использованием экспериментальных данных, то длина нижней части камеры расширения (от сопла до начала винта) может быть рассчитана с использованием рациональных моделей и критериев. Следовательно, при выборе угла атаки винта 90^o на основании рационального критерия может быть установлена другая проектная переменная винтового сепаратора, а именно, длина камеры расширения от отверстия впрыска смеси до винта.

На фиг. 3 показана конфигурация геликоидальной поверхности с двумя винтами, с переменными углами наклона от 90^o до ориентировочно 18^o, полученными в результате анализа одной конкретной ситуации. Более короткий канал в этом конкретном случае идет до углового положения 360^o, с наклоном (углом атаки) около 32,6^o. Длинный канал при угловом положении около 540^o от его начала достигает наклона 18^o, примененного и в последующей секции, образованной геликоидальной поверхностью с постоянным шагом. Геликоидальная поверхность со сдвоенным входом создает меньшее возмущение потока по сравнению с геликоидальной поверхностью с единственным входом.

При проведении испытаний было обнаружено, что комбинация винта со сдвоенным входом, имеющего переменный шаг в секции развития (в промежуточной области оборудования между камерой расширения (I) и винтовым сепаратором с постоянным шагом (III)), и винтового канала с большим наклоном (с большим шагом в секции постоянного шага геликоидальной поверхности) позволяет получить устройство, операционные возможности которого существенно превосходят характеристики упомянутого ранее устройства в соответствии с заявкой на патент Бразилии PI 9504350-0. При проведении испытаний нашли, что скорости потока ориентировочно на 30% больше, чем в случае запирания промежуточной области и перекрытия канала в предыдущей модели, причем в усовершенствованной модели обработка потока происходит при отсутствии перекрытия в любой секции канала.

Сепаратор в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в случаях, когда режим потока многофазной смеси на входе является прерывистым (снарядный режим потока). В этом случае следует добиваться максимальной мгновенной скорости потока смеси газ/жидкость на входе сепаратора, что является одним из проектных условий.

На фиг. 4 схематично показан горизонтальный прерывистый поток и его составляющие: длина блока (20), жидкий поршень (21), пленка жидкости (22) и газовый пузырь (23).

Наличие прерывистого потока создает флуктуации в скорости потока от максимального значения до минимального значения, которые соответственно связаны с расходом жидкости, создаваемым поршнем, и с расходом, создаваемым пленкой жидкости, сопровождающимся газовым пузырьком. Для правильного выбора емкости сепаратора необходимо в качестве проектного условия использовать максимальный поток жидкости.

При задании размеров винта для случая расхода, меньшего чем максимальный, в камере расширения может образовываться избыточный уровень жидкости, что приводит к "запиранию" жидкостью переходной области винта и может приводить к переносу жидкости в газовую линию. Это явление тесно связано с характеристиками снарядного режима потока, который при некоторых рабочих условиях может возникать на входе сепаратора.

Несмотря на то, что в данном описании указано, что промежуточная винтовая область с переменным шагом содержит два начала винта, это область может содержать и большее число равномерно распределенных начал винтов. Аналогично, несмотря на то, что здесь был описан вспомогательный винт, который идет только до начала вторичного сепаратора, он может быть продолжен за эту точку и может доходить до нижней части оборудования. Это может быть в случае использования нескольких вспомогательных винтов. В таком случае оборудование работает так, как если бы несколько сепараторов работали в параллель.

Несмотря на то, что описание было дано для случая применения оборудования внутри скважины, указанное оборудование может быть использовано и в других отраслях промышленности, в ситуациях, когда ограничения по размерам не столь жесткие.