МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЛОПАСТНОЙ НАСОС ДЛЯ РАБОТЫ НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ С ПОВЫШЕННЫМ ГАЗОСОДЕРЖАНИЕМ (ВАРИАНТЫ)
MULTI-STAGE IMPELLER PUMP FOR OPERATION ON GAS-LIQUID MIXTURE WITH INCREASED GAS CONTENT (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области насосостроения и, в частности к многоступенчатым насосам, предназначенным как для подачи смеси газа и воды в продуктивный нефтеносный пласт, например, для закачки (утилизации) попутного газа в пласт или для поддержания и повышения в нем пластового давления с целью повышения нефтеотдачи, так и для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа.
В настоящее время для добычи нефти широко используются погружные центробежные и центробежно-вихревые многоступенчатые насосы с осерадиальными направляющими аппаратами. В таких направляющих аппаратах проточная часть, как правило, формируется посредством лопастей, размещенных между верхним и нижним дисками (см., например, Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-мастер», 2007, с.75).
К недостатку данных направляющих аппаратов следует отнести низкое значение напора ступеней при работе на газожидкостных смесях, связанное с наличием в конструкции ступени кольцевой безлопаточной камеры.
Известен многоступенчатый насос с радиальным направляющим аппаратом, имеющим цилиндрический корпус, выполненный заодно с верхним диском, и нижний диск в виде отдельной детали. На нижней, боковой и верхней поверхностях нижнего диска расположены направляющие лопатки, образующие с плоскими поверхностями верхних дисков данной и соседней ступеней, а также с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса последовательность направляющих каналов: спирального выхода, диффузорного канала, переходного канала, обратного канала. При этом на боковой поверхности нижнего диска образованы выемки. На нижнем диске имеется полость для размещения рабочего колеса (см., например, Богданов А.А. Центробежные погружные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968, фиг.36, с.48-49).
В таких ступенях безлопаточная камера заменена серией каналов, образованных направляющими лопатками, поэтому они лучше работают на газожидкостных смесях. Их недостаток заключается в сложности изготовления.
В качестве прототипа выбран многоступенчатый лопастной насос для работы на газожидкостной смеси с повышенным газосодержанием, так называемый «конический» насос [патент РФ на ПМ №7459, F04D 13/00, 1998]. Известный насос набирается из пакетов ступеней различной производительности, причем на входе в насос размещены ступени самой высокой производительности, далее по направлению потока - ступени промежуточной и меньшей производительности, что приводит к минимизации потребляемой насосом мощности.
Однако устойчивость работы на ГЖС такого конусного многоступенчатого лопастного насоса невысока.
Настоящее изобретение направлено на повышение устойчивости работы многоступенчатого лопастного насоса при работе на ГЖС.
Указанный технический результат достигается тем, что в многоступенчатом лопастном насосе для работы на газожидкостной смеси с повышенным газосодержанием, состоящим из пакетов ступеней рабочих колес и направляющих аппаратов различного вида, валов, на которые насажены рабочие колеса ступеней с возможностью вращения вместе с валами согласно изобретению на входе в насос перед ступенями с осерадиальными направляющими аппаратами установлены ступени с радиальными направляющими аппаратами.
В другом варианте исполнения на входе в насос перед ступенями с осерадиальными направляющими аппаратами, имеющими гладкие поверхности стенок корпуса, установлены ступени с осерадиальными направляющими аппаратами, оснащенные дополнительными лопатками, размещенными на внутренних стенках корпуса.
В отличие от прототипа пакеты со ступенями в предлагаемом насосе отличаются не по производительности, а по конструкции ступеней. В первом пакете установлены ступени с направляющими аппаратами, способными работать при более высоких газосодержаниях, а в остальных последующих пакетах используются более технологичные и простые в изготовлении ступени с осерадиальными направляющими аппаратами. Благодаря такому порядку размещения пакетов повышается устойчивость работы на ГЖС всего насоса в целом при сопоставимых значениях КПД и стоимости.
На фиг.1 схематично представлен предлагаемый многоступенчатый лопастной насос с радиальными направляющими аппаратами в первом пакете, поперечное сечение; на фиг.2 - многоступенчатый лопастной насос, имеющий в первом пакете осерадиальные направляющие аппараты с дополнительными лопатками; на фиг.3 - осерадиальный направляющий аппарат с дополнительными лопатками, общий вид; на фиг.4 приведены результаты испытаний короткой сборки конического насоса с радиальными направляющими аппаратами, иллюстрирующие большую устойчивость работы на ГЖС первого пакета ступеней по сравнению с последующим; на фиг.5 - результаты сравнительных испытаний короткой сборки конического насоса с радиальными направляющими аппаратами по первому и второму вариантам в первом пакете; и насоса из однотипных ступеней с осерадиальными направляющими аппаратами той же длины.
Многоступенчатый лопастной насос содержит на входе пакет I ступеней, состоящих из радиальных направляющих аппаратов 1, имеющих спиральные выходы, диффузорные, переходные и обратные каналы, и рабочих колес 2, например, с вихревым венцом. В качестве радиальных направляющих аппаратов могут быть использованы конструкции, описанные в патентах РФ №№2365794, 2364755, 2364756, 2364757. Выше пакета I расположен пакет II из ступеней с безлопаточной кольцевой камерой, содержащих осерадиальные направляющие аппараты 3, имеющие обратные каналы, внутри которых размещены рабочие колеса 4, например, центробежно-вихревого типа. Рабочие колеса 2 и 4 насажены на валы 5 с возможностью вращения вместе с валами (фиг.1).
Во втором варианте исполнения, в отличие от первого, в пакете I установлены ступени с направляющими аппаратами 6 (фиг.2), имеющими дополнительные лопатки 7 на боковых стенках корпусов 8 (фиг.3).
Насосы работают следующим образом. Газожидкостная смесь поступает в пакет I ступеней с направляющими аппаратами 1 или 6, где за счет постепенного повышения давления от ступени к ступени происходит сжатие пузырьков и уменьшение объемного газосодержания. Количество ступеней пакета I подбирается в зависимости от начального содержания газа в поступающей газожидкостной смеси таким образом, чтобы при переходе в пакет II объемное газосодержание достигало уровня, при котором могут удовлетворительно работать ступени пакета II. Ступени пакета II с осерадиальными направляющими аппаратами 3, работающие уже с более низкими значениями газосодержания, и создают основную долю напора многоступенчатого лопастного насоса.
Предлагаемые насосы при заданных условиях, то есть при заданном числе ступеней и требуемом напоре системы, будут устойчиво работать при большем газосодержании на входе по сравнению с насосом-аналогом и насосом-прототипом. При работе на вязком ГЖС в пакетах I и II насосов заявляемой конструкции могут быть, как и в прототипе, применены ступени, имеющие различную производительность по воде. Причем в пакете I должны быть более производительные ступени, чем в пакете II.
Общая длина насосов и соотношение длин пакетов зависит от условий работы, то есть от потребного напора и газосодержания на входе, и выбирается также из экономических соображений. Следует отметить, что при высоких газосодержаниях увеличение длины пакета I в сборке в некоторых пределах влечет за собой уменьшение общей длины всего насоса при одинаковых условиях.
3
вх
Для подтверждения работоспособности заявляемого многоступенчатого насоса с радиальными направляющими аппаратами проведено испытание сравнительно короткой «конической» сборки, состоящей на входе из 6 экспериментальных ступеней с радиальными направляющими аппаратами с номиналом около 25 м/сут и 5 серийных ступеней центробежно-вихревых 1ВННП5-25 производства ЗАО «Новомет-Пермь». Из данных, приведенных на фиг.4, видно, что ступени первой секции продолжают работать, в то время как ступени второй секции перестают работать при газосодержании на входе β=13-14%, хотя они по сравнению со ступенями первой секции работают в более благоприятных условиях за счет несколько повышенного давления и сниженного газососдержания за счет сжатия ГЖС в первой секции. Это подтверждает то, что конструкция ступеней первой секции с радиальными направляющими аппаратами имеют более высокую работоспособность в ГЖС.
ср
ж.нач.
Проведенные испытания показали, что при равных условиях заявляемые лопастные насосы по обоим вариантам могут устойчиво работать при более высоких значениях предельного газосодержания β во всем диапазоне расходов жидкости Q по сравнению с насосом той же длины из однотипных ступеней с осерадиальными направляющими аппаратами, фиг.5.