ГАЗОСЕПАРАТОР СКВАЖИННОГО ПОГРУЖНОГО НАСОСА
GAS SEPARATOR OF DOWN-HOLE SUBMERGED PUMP

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при добыче нефти погружными насосами из скважин, продукция которых содержит большое количество газовых включений.
Известен газосепаратор, раскрытый в патенте на изобретение RU 2243416 C1, опубликованное 27.12.2004, МПК-7 E21B 43/38, который содержит корпус с выполненными в нем отверстиями для подвода газожидкостной смеси и для вывода отсепарированного газа и каналы для передачи дегазированной жидкости в рабочие ступени насоса, а также установленные внутри корпуса вал, винтовой шнек, сепарирующий узел.
Однако подобное устройство работает недостаточно надежно, на разных подачах. На малых подачах возникают обратные токи на входе в шнек и на входе в сепарационную камеру. Концентрация механических частиц в них заметно выше, чем в основном потоке. Это приводит к гидроабразивному износу и разрезанию корпуса газосепаратора на входе в шнек.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности его существенных признаков является газосепаратор, раскрытый в описании к патенту RU 2193653 C1, опубликованный 27.11.2002, МПК-7 E21B 43/38. В нем описан газосепаратор, содержащий корпус, в котором выполнены входные отверстия для подвода газожидкостной смеси, выходные отверстия для вывода отсепарированного газа и выходной канал для передачи дегазированной жидкости в рабочие ступени насоса, установленный в корпусе вал. Диаметр шнека меньше диаметра сепарационной камеры.
Недостатком рассматриваемого технического решения является пониженный напор шнека, который зависит от его диаметра на выходе. Это может привести к снижению сепарирующих свойств газосепаратора на больших подачах. Возможное образование обратных токов на входе в сепарационную камеру за счет резкого, ступенчатого перехода между каналом шнека и каналом сепарационной камеры. Это может привести к гидроабразивному износу и разрезанию корпуса газосепаратора на входе в сепарационную камеру.
Настоящее изобретение направлено на создание газосепаратора, способного длительное время безаварийно работать в жидкости, содержащей абразивные частицы, за счет исключения условий возникновения обратных токов.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы газосепаратора.
Для решения поставленной задачи в газосепараторе скважинного погружного насоса, содержащего корпус, основание в котором выполнены входные отверстия для подвода газожидкостной смеси, головку с выходными отверстиями для вывода отсепарированного газа и выходными каналами для передачи дегазированной жидкости, сепарационную камеру, вал, установленный на валу шнек, согласно изобретению, в корпусе на входе в сепарационную камеру установлена конусообразная втулка, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра сепарационной камеры.
Кроме того, на входе в конусообразную втулку, на ее внутренней стороне, на длине не менее десяти процентов от ее монтажной высоты изготовлена резьбовая канавка.
Кроме того, перед шнеком установлена входная конусообразная втулка, внутренний диаметр которой меньше максимального наружного диаметра шнека.
Кроме того, внутри конусообразной втулки на валу установлен дополнительный шнек и (или) суперкавитирующее рабочее колесо.
Кроме того, в головке на входе в каналы для отвода жидкости установлен направляющий аппарат диагонального типа в виде лопаток, угол наклона которых увеличивается в осевом направлении и ступицы, внешний диаметр которой уменьшается в осевом направлении.
Кроме того, направляющий аппарат изготовлен в виде отдельной детали.
Кроме того, на внутренней стороне направляющего аппарата изготовлены дополнительные лопатки, угол наклона которых увеличивается в осевом направлении.
Если на входе в сепарационную камеру установлена конусообразная втулка, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра сепарационной камеры, то вращающееся кольцо отсепарированной жидкости в сепарационной камере давит не на лопасти шнека, который перекачивает пену меньшей плотности, а на неподвижную опору. Возрастает градиент давления в сепарационной камере, и улучшаются сепарирующие свойства. Вход потока в сепарационную камеру плавный, а не ступенчатый, следовательно, устраняется вероятность образования обратных токов и гидроабразивного перерезания корпуса. Конусообразная втулка позволяет создать конструкции газосепараторов со шнеками разного диаметра. Диаметр шнека может превосходить внутренний диаметр конусообразной втулки. Это позволяет менять подачу газожидкостной смеси, поступающей в газосепаратор.
Если на внутренней стороне конусообразной втулки изготовлена резьбовая канавка это позволяет эффективно отводить механические примеси. Основная проблема с отводом механических примесей возникает на сужающемся участке, поэтому достаточно иметь винтовую канавку на самом критическом участке, на длине не менее десяти процентов от ее монтажной высоты
Если перед шнеком установлена входная конусообразная втулка, внутренний диаметр которой меньше максимального наружного диаметра шнека, это позволяет устранить обратные токи на входе в шнек, которые являются причиной гидроабразивного перерезания корпуса.
Может использоваться шнек постоянного и переменного шага. Втулка шнека может быть постоянного или переменного радиуса.
Внутри конусообразной втулки может быть установлен на валу дополнительный шнек и (или) суперкавитирующее колесо. Это позволит дополнительно закрутить поток и обеспечить плавный вход потока в сепарационную камеру.
До или внутри конусообразной втулки, например, на ее конфузорном участке, может быть установлен радиальный подшипник.
Между шнеком и конусообразной втулкой может быть установлена осевая и (или) диагональная ступень.
Направляющий аппарат диагонального типа, согласно изобретению, угол наклона лопаток увеличивается в осевом направлении это позволяет преобразовывать динамический напор вращения кольца жидкости в статический.
За счет того, что внешний диаметр ступицы уменьшается в осевом направлении, причем максимальная разница между наружным и внутренним радиусом ступицы составляет не менее 15% от максимальной высоты лопаток и, по крайней мере, в два раза превосходит минимальную разницу между наружным и внутренним радиусом ступицы. Это позволяет оптимизировать гидравлически КПД этого элемента газосепаратора. И конструктивно обеспечить наличие разделительного диска, который позволяет максимально удалить друг от друга входы в каналы для отвода жидкой и газообразной сред.
Выполнение направляющего аппарата в виде отдельной детали, которая может быть выполнена из металла или полимерного материала, позволяет упростить технологию изготовления, снизить стоимость изделия.
В случае если на внутренней стороне направляющего аппарата изготовлены дополнительные лопатки, угол наклона которых увеличивается в осевом направлении. Причем лопатки на входе могут быть загнуты в туже сторону, что и основные лопатки или в противоположную сторону. Это позволяет облегчить выход отсепарированного газа или вход недостающей пластовой жидкости через отверстия для отвода газа.
В случае если на выходе из газосепаратора установлен компрессорный диспергирующий узел, в состав которого входит, по крайней мере, одна ступень центробежного и (или) диагонального типа в виде рабочего колеса и направляющего аппарата, причем в ведущем диске рабочего колеса изготовлены сквозные отверстия, а в лопастях пазы. Это позволит эффективно сжимать и диспергировать газожидкостную смесь.
На фиг.1 представлена общая схема газосепаратора, входящего в состав насосной установки для добычи нефти.
На фиг.2 - показан вариант конструктивного выполнения газосепаратора для малорасходных установок, со шнеком малого диаметра.
На фиг.3 - показан вариант конструктивного выполнения газосепаратора с дополнительным шнеком или суперкавитирующим колесом.
На фиг.4 - показан конструктивный вариант крепления направляющего аппарата.
На фиг.5 - показан вариант конструктивного выполнения направляющего аппарата с дополнительными лопатками для отвода газа.
На фиг.6 - показан вариант конструктивного диспергирующего узла.
Газосепаратор скважинного погружного насоса содержит корпус 1, основание 2, в котором выполнены входные отверстия 3 для подвода газожидкостной смеси. Головку 4 с выходными отверстиями 5 для вывода отсепарированного газа и выходными каналами 6 для передачи дегазированной жидкости в рабочие ступени насоса. Вал 7, сепарационную камеру 8, установленный на валу 7 шнек 9. Согласно изобретению, в корпусе 1 на входе в сепарационную камеру 8 установлена конусообразная втулка 10, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра сепарационной камеры.
По варианту исполнения на внутренней стороне конусообразной втулки, изготовлена резьбовая канавка 11.
По варианту исполнения перед шнеком 9 установлена входная конусообразная втулка 12, внутренний диаметр которой меньше максимального наружного диаметра шнека 9.
По варианту исполнения внутри конусообразной втулки 10 на валу 7 установлено суперкавитирующее рабочее колесо 13.
По варианту исполнения в головке 4 на входе в каналы для отвода жидкости 6 установлен направляющий аппарат 14 диагонального или осевого типа, изготовленный в виде отдельной детали, которая может быть установлена при помощи штифтов 15. На внутренней стороне направляющего аппарата изготовлены дополнительные лопатки 16, 17. Диспергирующий узел состоит из направляющих аппаратов 17 и рабочих колес 18. В рабочих колесах изготовлены сквозные отверстия 19 и пазы 20.
Устройство работает следующим образом.
Поток газожидкостной смеси, поступающий в газосепаратор через входные отверстия 3 в основании 2, шнеком 9 подается в сепарационную камеру 8, где приводится во вращение. Под действием центробежных сил газ отделяется от жидкости, скапливаясь в центре сепарационной камеры 8, и отводится в затрубное пространство через выходные отверстия 5 в головке 4. Центробежные силы заставляют жидкость и абразивные частицы двигаться в противоположном направлении к периферии сепарационной камеры 8. Давление вращающегося кольца жидкости в осевом направлении воспринимается неподвижной конусообразной втулкой 10. Благодаря наличию конусообразной втулки 10 устраняется вероятность возникновения обратных торов на входе в сепарационную камеру 8.
Резьбовая канавка 11, изготовленная на внутренней стороне конусообразной втулки 10, позволяет эффективно пропускать механические примеси, которые могут скапливаться в зоне работы шнека 9, наружный диаметр которого на выходе может быть больше чем внутренний диаметр конусообразной втулки.
Входная конусообразная втулка 12 установленная, перед шнеком 9 внутренний диаметр которой меньше максимального наружного диаметра шнека 9 устраняет образование обратных токов на входе в шнек.
Суперкавитирующее рабочее колесо 13, установленное внутри конусообразной втулки 10 на валу 7, позволяет обеспечить плавный вход пластовой жидкости в сепарационную камеру 8.
Направляющий аппарат 14 диагонального или осевого типа, позволяет обеспечить плавный вход потока жидкости в каналы 6, преобразовать динамический напор в статический. В противном случае на больших подачах может возникнуть уменьшение давления на выходе из каналов 6. Это вызовет поступление отсепарированного газа в насос и снижение ресурса работы радиального подшипника в головке 4.
Дополнительные лопатки 16, 17, изготовлены на внутренней стороне направляющего аппарата 4 позволяют эффективно отводить газ через каналы 5 или одновременно с отводом газа подводить пластовую жидкость, если ее подача через шнек 9 будет недостаточна.
Пластовая жидкость, которая вышла из газосепаратора имеет некоторое содержание свободного газа. Чем больше будет диспергирован и сжат свободный газ, тем лучше будет работать центробежный насос, установленный за газосепаратором.
Диспергирующий узел из направляющих аппаратов 17 и рабочих колес 18. Позволяет эффективно сжимать и диспергировать газожидкостную смесь которая вышла из газосепаратора и имеет остаточное содержание свободного газа. За счет интенсивных вихрей, которые возникаю при наличии в рабочих колесах сквозных отверстий 19 и пазов 20.