ГАЗОСЕПАРАТОР АБРАЗИВОСТОЙКОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Полезная модель относится к насосостроению и может быть использовано при добыче нефти с высоким содержанием газа и абразивных частиц.
Известны центробежные газосепараторы, состоящие из цилиндрического корпуса и вала, на котором последовательно по направлению потока расположены винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан с радиальными лопастями [1].
Такие сепараторы не могут длительное время работать в абразивосодержащих жидкостях [2, 3]. Одной из причин отказа может быть гидроабразивное разрушение корпуса в зоне перехода между шнеком и лопастным колесом.
Для повышения надежности центробежных газосепараторов применяют защитное покрытие на корпусе [4] или защитную гильзу, которая имеет форму тонкостенного цилиндра и располагается между вращающимися элементами газосепаратора и корпусом [5]. Однако гидроабразивная стойкость применяемых покрытий и материалов гильз не достаточна для того, чтобы предотвратить разрушение газосепараторов, работающих длительное время.
Наиболее близким к заявляемому является центробежный газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, напорный узел, сепарационный узел с защитной гильзой и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство. Сепарационный узел представляет собой шнек, имеющий цилиндрическую втулку, на которой размещены спиральные лопасти, такие, что угол между касательной к средней линии лопасти на входе и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, меньше такого же угла на выходе в 1.2-4.0 раза, а напорная поверхность лопасти по отношению к боковой поверхности втулки расположена под углом, монотонно убывающим по направлению потока в интервале значений от 90° до 30° [6]. Такая наклонная лопасть частично тормозит твердые абразивные частицы, отбрасываемые к поверхности в процессе центробежной сепарации, увеличивая абразивную стойкость сепаратора в несколько раз.
Однако, для особо тяжелых абразивных условий даже малая скорость износа защитной гильзы может оказаться недостаточной для обеспечения безаварийной работы устройства в целом.
Задачей настоящей полезной модели является совершенствование конструкции газосепаратора с целью максимального снижения скорости износа защитной гильзы при работе в жидкости, содержащей абразивные частицы.
Указанный технический результат достигается тем, что в газосепараторе, содержащем цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, сепарационный узел в виде цилиндрической втулки с лопастями, окруженный защитной гильзой, и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство, согласно полезной модели, зазор между внутренней поверхностью защитной гильзы и наружными торцами лопастей сепарационного узла выполнен монотонно увеличивающимся от 0.1-0.5 мм на входе до 1-10 мм на выходе за счет уменьшения радиальной высоты лопасти.
При высоких подачах рабочей жидкости газосепаратор дополнительно оснащают напорным узлом. При небольших подачах необходимость в напорном узле отпадает, так как его функция осуществляется лопастями сепарационного узла.
Сущность заявляемого износостойкого газосепаратора поясняется чертежом, где на фиг. изображено продольное сечение сепарационного узла со спиральными лопастями, окруженного защитной гильзой. Возможно исполнение сепарационного узла с радиальными лопастями, а также с лопастями смешанного типа, например, когда спиральная лопасть на входе непрерывным образом переходит в радиальную на выходе.
Сепарационный узел на фиг. имеет цилиндрическую втулку 1, на которой размещены спиральные лопасти 2 с изменяющимся по направлению потока углом наклона. Сепарационный узел окружен защитной гильзой 3, установленной с зазором b относительно наружных торцов 4 спиральных лопастей 2. Угол между касательной к средней линии лопасти 2 на входе и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, меньше такого же угла на выходе в 1.2-4.0 раза, а напорная поверхность лопасти 2 по отношению к боковой поверхности втулки 1 расположена под углом, монотонно убывающим по направлению потока в интервале значений от 90° до 30°. Зазор b между внутренней поверхностью защитной гильзы 3 и наружными торцами 4 лопастей 2 сепарационного узла выполнен монотонно увеличивающимся от 0.1-0.5 мм на входе до 1-10 мм на выходе за счет изменения радиальной высоты лопасти.
Предлагаемый износостойкий сепаратор работает следующим образом. Рабочая жидкость, представляющая собой газожидкостную смесь с абразивными частицами, через узел ввода поступает в Сепарационный узел, лопасти 2 которого раскручивают жидкость, обеспечивая центробежное разделение фаз с различными плотностями. Газ, как более легкая фракция, собирается вблизи втулки 1, а затем через узел отвода (не показан) выводится в затрубное пространство. Абразивные частицы отбрасываются центробежными силами в зазор b между лопастью 2 и защитной гильзой 3. Если величина зазора мала, то абразивные частицы на скорости, близкой к максимальной окружной скорости лопасти, ударяются о стенку защитной гильзы 3, разрушая ее. При уменьшении радиальной высоты лопасти 2 линейная скорость частиц в зазоре b уменьшается, а за счет действия сил вязкого трения частицы дополнительно тормозятся в зазоре, что смягчает силу их удара об стенку и, как следствие, скорость износа гильзы сепарационного узла также уменьшается.
Таким образом, монотонное увеличение зазора между сепарационными лопастями и защитной гильзой служит дополнительным механизмом торможения твердых частиц в движущемся потоке, что способствует ослаблению воздействие абразива на гильзу и замедляет ее износ.
Сепарационный узел с уменьшающейся по направлению потока высотой лопаток может быть использован и при эксплуатации газосепараторов без защитной гильзы. В этом случае зазор между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружными торцами лопастей сепарационного узла должен также монотонно увеличиваться от 0.1-0.5 мм на входе до 1-10 мм на выходе.
Технический результат полезной модели подтвержден проведенными нами сравнительными стендовыми испытаниями, показавшими снижение скорости износа защитной гильзы при использовании газосепаратора по патенту [6] с новым конструктивным элементом - увеличивающимся зазором.
Источники, принятые во внимание
1. Оборудование для добычи нефти и газа / В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров. М.: ГУП Изд-во нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. 4.1. С.449.
2. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий B.C., Маркелов Д.В. Эксплуатация скважин, оборудованных высокопроизводительными УЭЦН с газосепараторами // Бурение и нефть. 2005. №2. С.10-13.
3. Дроздов А.Н., Деньгаев А.В., Вербицкий B.C. Установки погружных насосов с газосепараторами для эксплуатации скважин с высоким газовым фактором // Территория нефтегаз. 2005. №6. С.12-20.
4. Патент №2310214 Франции, F04D 7/08, 1977.
5. Патент №5516360 США, В10D 19/00, 1996.
6. Патент РФ №77901, Е21В 43/38, 2008.