УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ГАЗА ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
DEVICE FOR SEPARATION OF SOLID PARTICLES AND GAS IN SUBMERGED ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных электроцентробежных насосах, перекачивающих из скважин газожидкостные смеси с высоким содержанием твердых частиц.
Известно устройство для сепарации твердых частиц и газа погружного электронасоса, состоящее из коническо-цилиндрического гидроциклона с тангенциальными отверстиями для подвода скважинной жидкости и эжектора, установленного на напорной линии. Камера сбора мехпримесей гидроциклона и эжектор выполнены совместно в одном объеме по ходу движения жидкости, а трубопровод для подвода очищенной жидкости к насосу проложен вдоль корпуса насоса рядом с кабелем питания (патент РФ № 2186252, опуб. 2002 г.). Это устройство прекратит работать в случае заполнения камеры сбора крупными твердыми частицами по диаметру несоизмеримыми с диаметром каналов камеры смешивания и диффузора. Диаметр сечения трубопровода ограничен толщиной кабеля, что повышает гидравлические потери в нем и снижает кпд насоса, особенно при перекачке высоковязких нефтей и высоких дебитах скважины, увеличивает условный диаметр насоса и установки в целом, что ведет к невозможности размещения в скважине без изгиба. При спуско-подъемных операциях насосной установки не гарантировано получение вмятин или разгерметизации трубопровода. Набор функциональных возможностей ограничивает использование малоэффективного создания процесса центробежной сепарации мехпримесей и газа за счет тангенциального исполнения крупных отверстий, особенно при низких расходах поступающей жидкости.
Известна погружная насосная установка для добычи нефти, содержащая спущенные в скважину насос с погружным электродвигателем, центробежный сепаратор твердых частиц и отстойник (патент № 2278959, опуб. 27.06.2006 г.). Центробежный сепаратор расположен ниже погружного электродвигателя с возможностью передачи с вала электродвигателя на вал центробежного сепаратора, при этом ротор сепаратора окружен неподвижной винтовой решеткой с нарезкой лопаток противоположной движению потока жидкости и направлению вращения ротора сепаратора. Также электродвигатель содержит кожух, гидравлически связывающим прием насоса и полость центробежного сепаратора.
К недостаткам устройства относятся:
- винтовая решетка сепаратора создает встречный поток движению жидкости через сепаратор к приему насоса и при определенной вязкости добываемой смеси сепаратор может блокироваться встречными потоками, т.е. добываемая смесь пойдет к насосу, минуя сепаратор;
- в случае наличия кожуха, диаметр которого будет существенно превышать диаметр электродвигателя, то это приведет к увеличению условного диаметра установки электроцентробежной насосной (УЭЦН).
В целом, всякое увеличение диаметров электроцентробежного насоса (ЭЦН), погружного электродвигателя (ПЭД) или любых других компонентов (УЭЦН), например газосепараторов, противополетных муфт и др. существенно повышает требования к размещению УЭЦН в скважине без изгиба. Усложняются возможности спуско-подъемных операций из-за увеличения условного диаметра УЭЦН.
Устройство имеет ограниченные возможности по надежности эксплуатации УЭЦН в наклонно-направленных скважинах при существующих повышенных вязкостях и газосодержаниях добываемых газонефтяных смесей.
Наиболее близким техническим решением является газосепаратор для ЭЦН типа МН(К)-ГСЛ, который состоит из трубного корпуса с головкой, основания с приемной сеткой и вала с расположенными на нем деталями. В головке выполнены два перекрестных канала для газа и жидкости. В основании размещены закрытая сеткой полость с каналами для приема газожидкостной смеси с твердыми частицами. На валу размещены пята, шнек, осевое рабочее колесо, сепаратор. В корпусе размещены направляющая решетка и гильзы (Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти: Международный транслятор. /Под ред. В.Ю.Алекперова, В.Я.Керженбаума, «Нефть и газ», 1999 г. - 611; ил., см. стр.293-299 - прототип.
Однако недостатком этого устройства является снижение надежности работы при перекачке газожидкостных смесей с повышенным содержанием твердых частиц, что на практике приводит к засорению и преждевременному абразивному износу деталей газосепаратора.
Целью изобретения является повышение эффективности работы УЭЦН в искривленных скважинах, имеющих вязкую высокогазированную жидкость и высокое содержание твердых частиц.
Цель достигается тем, что устройство для сепарации твердых частиц и газа погружного электроцентробежного насоса, размещенное под насосом, содержит корпус, вал, приемное основание с каналами и сеткой для прохода скважинной жидкости, сепаратор, канал для отвода газа, канал для отвода отсепарированной жидкости, канал для отвода твердых частиц, соединенный с контейнером, внутри сепаратора размещено осевое колесо, выполненное с верхним кольцевым диском с внутренним каналом отвода газа, концы лопаток колеса и внутренняя часть сепаратора выполнены конусообразными, над диском на валу размещен отбойник, выполненный в виде крестообразных радиальных лопаток и неподвижная защитная решетка, выше которой размещено компремирующее колесо.
Предлагаемая конструкция позволит при работе насоса получить разделение газожидкостной смеси с твердыми частицами при поступлении в устройство на три потока: газ, жидкость и твердые частицы с направлением их по своим каналам движения вследствие действия центробежных сил. Отвод твердых частиц в контейнер снижает возможность засорения и абразивного износа устройства и ЭЦН, а газа за пределы устройства, что повышает надежность их работы. При этом диаметральные габариты устройства не превышают диаметра ЭЦН.
На чертеже схематически изображено заявляемое устройство.
Устройство для сепарации твердых частиц и газа погружного электроцентробежного насоса размещено под нижней частью насоса и включает трубный корпус 1 с расположенным в нем сепаратором 2 и направляющей решеткой 3, вал 4 с установленным на нем осевым колесом 5, размещенным внутри сепаратора 2. Колесо 5 выполнено с верхним кольцевым диском 6 с внутренним каналом для прохода газа вдоль вала 4. Концы лопаток колеса 5 и внутренняя часть сепаратора 2 выполнены конусообразными для обеспечения отвода твердых частиц по каналу 7 в контейнер 8, размещенный под приемным основанием 9 с сеткой. Над диском 6 на валу 4 размещен отбойник 10, выполненный в виде крестообразных радиальных лопаток, и неподвижная защитная решетка 11. По концам устройства размещены верхняя головка 12 и нижняя головка 13, служащие для соединения с ЭЦН и гидрозащитой. В верхней головке выполнены канал 14 для прохода жидкости в ЭЦН и канал 15 для отвода газа за пределы устройства. Выше решетки 11 на валу 4 размещено компремирующее колесо 16, способствующее отводу газа.
Устройство работает следующим образом. При работе насоса газожидкостная смесь с твердыми частицами из скважины поступает по каналам приемного основания 9 в сепаратор 2, где под действием центробежных сил, создаваемых осевым колесом 5, происходит распределение смеси по плотности. Самые тяжелые компоненты смеси: твердые частицы и жидкость отбрасываются на периферию к стенке сепаратора 2. При этом твердые частицы при ударе о стенку сепаратора 2 под углом отскакивают вниз и, попадая в направляющую решетку 3, теряют окружную скорость и оседают по каналу 7 в контейнер 8. Объем контейнера варьируется в зависимости от ожидаемой концентрации твердых частиц в добываемой смеси. Жидкость за счет работы насоса по каналу 14 поступает в насос. При определенных условиях жидкость может увлечь с собой отдельные твердые частицы. В этом случае эти частицы задерживаются защитной сеткой 11, а отбойник 10 своими лопатками очищает от частиц защитную решетку 11 и отбрасывает частицы в сепаратор 2. Газ как самый легкий компонент собирается в центре осевого колеса 5 и за счет центробежных сил отводится через кольцевой канал вдоль вала 4 к компремирующему колесу 16, которое способствует движению газа в канал 15 и за пределы устройства, в затрубное пространство.
Внедрение устройства позволит существенно повысить наработку до отказа УЭЦН в сравнении с существующей при откачке газожидкостной среды с твердыми частицами.
Источники информации
1. Патент РФ № 2186252, опубл. 2002 г.
2. Патент РФ № 2278959, опубл. 27.06.2006 г.
3. Международный транслятор./Под ред. В.Ю.Алекперова, В.Я.Керженбаума, «Нефть и газ», 1999 г. - 611; ил., стр.293-299 - прототип.