СКВАЖИННЫЙ ВИХРЕВОЙ ГАЗОСЕПАРАТОР (ВАРИАНТЫ)
DOWNHOLE SWIRLER SEPARATOR (VERSIONS)

Изобретения относятся к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным газосепараторам, предназначенным для отделения газа от пластовой жидкости, и могут быть применены при добыче нефти с большими значениями газового фактора и дебита.
Известен газовый сепаратор [патент №2379500 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 03.03.2008], содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены: узел ввода, напорный узел, сепарационный узел и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство. Сепарационный узел выполнен в виде шнека с переменным шагом, лопасть которого образует с осью вращения в меридианальном сечении постоянный или монотонно уменьшающийся от входа к выходу угол в диапазоне от 90 до 30°, при этом лопасть шнека в сечении, перпендикулярном оси вращения, выполнена с утоньшением к периферии.
Недостаток этой конструкции состоит в том, что рабочий диапазон подач газосепаратора, в котором происходит эффективное отделение газа от жидкости, не перекрывает все рабочие диапазоны подач насосов габарита. Указанная конструкция работоспособна только на малых и средних дебитах. При достижении высоких значений подачи напор, создаваемый устройством, принимает отрицательные значения, что способствует подсосу отсепарированного газа основным насосом через выкидные отверстия и снижению сепарирующей способности устройства.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является скважинный вихревой газосепаратор производства Schlumberger (www.slb.com/oilfield), включающий входной модуль с отверстиями, корпус с защитной гильзой, вращающийся вал, на котором насажены шнек и осевое колесо, последнее размещено внутри вихревой камеры, выполненной между шнеком и разделительным устройством, установленным на выходе сепаратора. Защитная гильза размещена на всей длине шнека. Осевое колесо делит вихревую камеру на две части, при этом суммарная длина этих частей превышает длину шнека.
Недостатками данного газосепаратора является высокая вероятность перерезания корпуса в области расположения шнека при наличии механических примесей в добываемой жидкости, отбрасываемых центробежными силами к стенкам защитной гильзы, а также возможность попадания в насос газожидкостной смеси из затруба через выкидные отверстия газосепаратора. Последнее связанно с тем фактом, что конструкция имеет низкие значения напора, обусловленные существенной протяженностью вихревой камеры - участков с большим гидравлическим сопротивлением.
Задачей настоящего изобретения является разработка вихревого газосепаратора с увеличенным коэффициентом сепарации и повышенной абразивной стойкостью, способного развивать положительный напор для предотвращения подсасывания отсепарированного газа насосом.
Указанный технический результат получен за счет того, что скважинный вихревой газосепаратор, включающий в себя корпус с защитной гильзой, входной модуль, вал, шнек, разделительное устройство, вихревую камеру, выполненную между шнеком и разделительным устройством, и осевое колесо, размещенное внутри вихревой камеры, отличается тем, что он дополнительно снабжен рабочим осевом колесом и направляющим аппаратом, установленными на валу перед шнеком, шнек запрессован в защитную гильзу и выполнен с центральным отверстием, через которое пропущен вал, а длина вихревой камеры не превышает длину шнека.
В другом варианте исполнения в отличие от прототипа осевое колесо расположено после вихревой камеры непосредственно перед разделительным устройством.
Для защиты корпуса от перерезания абразивными частицами целесообразно, чтобы защитная гильза охватывала газосепаратор от выхода из направляющего аппарата до разделительного устройства.
Оптимальное соотношение длин вихревой камеры и запрессованного в защитной гильзе шнека находится в интервале от 0,2 до 1,0. При соотношении длин меньше 0,2 в вихревой камере не успевают образоваться свободные вихри и коэффициент сепарации снижается, а при значении больше 1,0 энергия потока начинает падать, что приводит к снижению напора, создаваемого газосепаратором.
Сущность изобретений поясняется чертежом, где на фиг. представлен общий вид заявляемого устройства.
Газосепаратор содержит цилиндрический корпус 1, входной модуль 2, осевое рабочее колесо 3 и направляющий аппарат 4, насаженные на вал 10 и образующие напорную ступень, шнек 5, вихревую камеру 9, осевое колесо 7 и разделительное устройство 8 для выброса газа в затрубное пространство. Стационарный шнек 5 жестко запрессован в защитную гильзу 6, закрепленную на корпусе 1. Внутри шнека 5 выполнено центральное отверстие, через которое проходит вращающийся вал 10, при этом диаметр центрального отверстия больше диаметра вала 10 газосепаратора. Защитная гильза 6, предохраняющая корпус 1 от перерезания, размещена между направляющим аппаратом 4 и разделительным устройством 8. Вихревая камера 9, выполненная выше шнека 5 в кольцевой полости между гильзой 6 и валом 10, служит для увеличения коэффициента сепарации. Длина вихревой камеры 9 равна или меньше длины шнека 5. В первом варианте осевое колесо 7, как и в прототипе, размещено внутри вихревой камеры 9 с созданием между ним и разделительным устройством 8 дополнительной вихревой зоны (не показано). Во втором варианте осевое колесо 7 расположено после вихревой камеры 9 непосредственно перед разделительным устройством 8 и предназначено для предотвращения подсасывания отсепарированного газа за счет нагнетания его в затрубное пространство. Геометрия лопастей осевых рабочих колес выбирается в зависимости от объема жидкости, проходящей через газосепаратор.
Газосепаратор работает следующим образом.
При включении установки газожидкостная смесь через входной модуль 2 поступает в напорную ступень, где происходит повышение давления потока газожидкостной смеси и частичная сепарация газовой фазы от жидкости за счет действия центробежных сил, создаваемых рабочим осевым колесом 3, вращающимся на валу 10 вихревого газосепаратора. Затем поток газожидкостной смеси попадает на вход в стационарный шнек 5 и продолжает движение по спирали вдоль его неподвижной лопасти, во время которого происходит перенос жидкой фазы к периферии. Закрученный и частично отделенный от газа поток смеси будет продолжать крутиться и разделяться на газовую и жидкую фазу в вихревой камере 9. При попадании в вихревую камеру 9 кинетическая энергия потока снижается, поэтому давление, создаваемое вихревым газосепаратором, падает. Но при дальнейшем прохождении потока через осевое колесо 7, вращающееся на валу 10, напор, создаваемый вихревым газосепаратором, повышается, благодаря чему блокируется проход отсепарированного газа в обратную сторону и отделившийся газ через разделительное устройство 8 выбрасывается в затрубное пространство, а жидкость поднимается выше на прием насоса.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет повысить эффективность работы газосепаратора, в том числе при больших подачах по газожидкостной смеси, и получить положительные значения напора, предотвращающие подсасывание отсепарированного газа через выкидные отверстия основным насосом.
Минимальное количество вращающихся элементов в газосепараторе приводит к повышению надежности конструкции в целом, а также к повышению абразивной стойкости за счет снижения величины центробежных сил, отжимающих механические частицы к защитной гильзе.