Погружная установка с лопастным насосом и газосепаратором для добычи пластовой жидкости с высоким содержанием газа и механических примесей

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована в погружных установках с лопастным насосом и газосепаратором для добычи пластовой жидкости с высоким содержанием газа и механических примесей.
Известен из патента RU 72228 скважинный электроцентробежный насосный агрегат для добычи нефти, включающий в себя многоступенчатый погружной центробежный насос и газосепаратор, при этом рабочие колеса, и/или направляющие аппараты ступеней насоса, и/или шнек, и/или другие детали газосепаратора выполнены из специальных сплавов.
Однако конструкция насоса не обеспечивает диспергирование потока по всей длине проточной части.
Известен также из патента RU 2442023 электроцентробежный насос с газосепаратором, в котором для диапазонов подач используются шнеки с различным ходом.
Однако в конструкции газосепаратора используются шнеки переменного хода. Давление в сепарационной камере не может быть достаточно высоким, так как вращающееся кольцо частично дегазированной жидкости в сепарационной камере опирается на шнек, который перекачивает газожидкостную смесь (ГЖС). Возникают обратные токи, которые снижают давление и диспергируют, измельчают диаметр пузырьков газа. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД, конструкция насоса должна быть изменена.
Известен из патента RU 2616331 газосепаратор установки электроцентробежного насоса. Для него до размещения установки электроцентробежного насоса в скважине определяют диапазон подач газожидкостной смеси, рассчитывают для каждого значения диапазона входной наружный диаметр шнека газосепаратора и внутренний диаметр гильзы шнека. Затем комплектуют установку партией рассчитанных шнеков и гильз для каждого значения подачи в пределах одного габарита скважины. Все гильзы и шнеки изготавливают из одинаковых заготовок - одного вида заготовки гильзы и одного вида отливки шнека.
Однако в данной конструкции отсутствует разделение проточной части газосепаратора на подводящую и сепарирующие области, поэтому давление в сепарационной камере не может быть достаточно высоким. Возникают обратные токи, которые снижают давление и диспергируют, измельчают диаметр пузырьков газа. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД, конструкция насоса должна быть изменена.
Известен из патента RU 2193653 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. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД, конструкция насоса должна быть изменена.
Наиболее близким аналогом к заявляемой погружной установке является техническое решение, известное из патента RU 2503808, в котором раскрыт газосепаратор скважинного погружного насоса, содержащий 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, отличающийся тем, что в корпусе на входе в сепарационную камеру установлена конусообразная втулка, внутренний диаметр которой меньше наружного диаметра сепарационной камеры.
Однако разделение проточной части газосепаратора на подводящую и сепарирующие области неэффективно, так как на разделительной гильзе отсутствуют лопатки, и она не является направляющим аппаратом. Давление на входе в сепарационную камеру меньше давления на выходе из шнека на величину гидравлических потерь в конфузорно-диффузорной гильзе. Возникают обратные токи с выхода на вход в осевое колесо, которые снижают давление и диспергируют, измельчают диаметр пузырьков газа. Газосепаратор не может полностью удалить весь свободный газ из потока. На входе в насос содержание свободного газа может доходить до 25%. Чтобы уменьшить вредное влияние газа на энергетические параметры насоса: напор и КПД, конструкция насоса должна быть изменена.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание технического решения, при котором в процессе работы газосепаратора внутри него снижается или полностью прекращается возникновение противотоков относительно основного потока пластовой жидкости (газожидкостной абразивной смеси). Что в итоге устраняет диспергирование, уменьшение диаметров пузырьков газа, предохраняет от износа внутреннюю поверхность корпуса газосепаратора, и в результате приводит к повышению надежности газосепаратора. А также создание технического решения, при котором в процессе работы повышается градиент давления в области сепарации, что наряду с устранением, или уменьшением диспергирования пузырьков газа повышает эффективность отделения свободного газа. При этом необходимо, чтобы в насосе осуществлялось непрерывное диспергирование с целью поддержания минимального значения пузырьков газа, соблюдалось определенное соотношение сил от градиента давления и скорости потока, при котором отсутствует образование газовых пробок и срыв подачи.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и эффективности работы установки с газосепаратором и лопастным насосом.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в погружной установке, содержащей лопастной насос, газосепаратор, электродвигатель, каждая ступень насоса содержит рабочее колесо и направляющий аппарат, между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата образована область, замкнутая с внутренней стороны, газосепаратор содержит корпус, установленную в корпусе защитную гильзу, последовательно установленные на валу по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание с отверстиями, шнек, осевое колесо, головку с каналами для прохода отсепарированной жидкости в насос и отверстиями для выхода газа в затрубное пространство, между шнеком и осевым колесом установлена разделительная гильза, включающая конфузорный и диффузорный участки, разделительная гильза установлена в защитной гильзе и состоит из двух частей: конфузорного и диффузорного участков, на конфузорном участке разделительной гильзы изготовлены лопатки, угол наклона которых увеличивается от входа к выходу, внутренний диаметр разделительной гильзы, по крайней мере, на 12% меньше внутреннего диаметра защитной гильзы, угол лопастей на выходе из осевого колеса, по крайней мере, на 20% выше, чем на выходе из шнека, рабочие колеса и направляющие аппараты насоса выполнены по технологии литья в песчаные формы, разница между диаметрами ведущего и нижнего дисков рабочего колеса и направляющего аппарата не превышает 5%.
Осевое колесо может быть установлено внутри диффузорной части разделительной гильзы.
За осевым колесом может быть установлено дополнительное осевое колесо и/или барабан.
На ведущем диске рабочего колеса могут быть изготовлены дополнительные лопасти.
На внутренней части направляющего аппарата напротив выхода из рабочего колеса может быть изготовлена винтовая канавка.
Сущность технического решения поясняется следующим образом.
Если разделительная гильза установлена в защитной гильзе, то это повышает надежность изделия за счет устранения стыков между гильзами, установленными в корпусе. В корпусе установлена одна гильза без стыков. В стыках могут возникать обратные токи, которые приводят к гидроабразивному износу деталей.
Разделительная гильза состоит из двух частей: конфузорного и диффузорного участков с целью снижения себестоимости и повышения технологичности изготовления.
На конфузорном участке разделительной гильзы изготовлены лопатки, угол наклона которых увеличивается от входа к выходу. Это необходимо с целью эффективного разделения областей сепарации и подвода ГЖС в газосепараторе. Лопатки на конфузорном участке преобразуют скоростной напор на выходе из шнека в давление, таким образом, повышается давление на входе в область сепарации газа газосепаратора.
Внутренний диаметр разделительной гильзы, по крайней мере, на 12% меньше внутреннего диаметра защитной гильзы. Это необходимо, чтобы вращающееся кольцо частично дегазированной жидкости давило на неподвижное кольцо, а не на лопасти шнека, подающего ГЖС относительно малой плотности. Согласно исследованиям, проведенных с использованием численного моделирования, и аналитических расчетов выявлено, что это значение является оптимальным.
Угол лопастей на выходе из осевого колеса, по крайней мере, на 20% выше, чем на выходе из шнека. Задача шнека - подвести ГЖС, для чего нужен относительно низкий градиент давления, чтобы газ свободно проходил через лопастную решетку шнека без образования газовых пробок и срыва подачи, соответственно, малые углы на выходе из шнека. Осевое колесо в сепарационной камере должно создать высокий градиент давления с целью эффективной сепарации газа, поэтому должны быть большие углы на выходе.
Рабочие колеса и направляющие аппараты насоса выполнены по технологии литья в песчаные формы, при этой технологии шероховатость каналов проточной части больше, чем при технологии литья по выплавляемым моделям составляет Ra 12.5 ГОСТ 2789-73. Как показывают результаты численного моделирования, именно эта величина шероховатости при турбулентном течении жидкости в проточной части влияет на поток основного ядра жидкости, обеспечивая диспергирование ГЖС, гидравлические потери при этом относительно небольшие, поэтому КПД сохраняется на приемлемом уровне.
Между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата образована полость, замкнутая с внутренней стороны щелевым уплотнением между ступицами рабочего колеса и направляющего аппарата. В этой области собираются пузырьки газа. Чтобы исключить выход крупного пузыря газа в проточную часть необходимо, чтобы разница между диаметрами ведущего и нижнего дисков колеса и направляющего аппарата не превышала 5%. Величина получена на основе физических экспериментов.
Осевое колесо установлено внутри диффузорной части разделительной гильзы с целью повышения надежности работы, так как между колесом и корпусом будет две гильзы: защитная и разделительная. Кроме этого разделительной гильза конусной формы устраняет или существенно снижает обратные токи между выходом и входом в осевое колесо на нерасчетных режимах работы.
За осевым колесом, установленным внутри диффузорной части разделительной гильзы, установлено дополнительное осевое колесо и/или барабан с целью повышения напора и, соответственно, градиента давления в сепарационной камере.
Между газосепаратором и насосом установлен модуль с диспергирующими мультифазными ступенями. С целью предварительного диспергирования, уменьшения диаметров пузырьков газа. Чем меньше диаметр пузырьков, тем лучше насос работает на ГЖС.
Конструктивно модуль с компрессорными диспергирующими ступенями может иметь общий вал с газосепаратором с целью снижения себестоимость.
С целью диспергирования газа в области между ведущим диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата на ведущем диске рабочих колес насоса изготовлены дополнительные лопасти.
С целью дополнительного диспергирования потока ГЖС на внутренней части каждого направляющего аппарата напротив выхода из рабочего колеса изготовлена винтовая канавка.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5, на которых показаны:
фиг.1 - схема погружной установки в составе двигателя, газосепаратора, модуля с компрессорными диспергирующими ступенями, насоса и насосно-компрессорной трубы;
фиг.2 - общий вид газосепаратора в разрезе с одним осевым колесом;
фиг.3 - общий вид газосепаратора в разрезе с двумя осевыми колесами;
фиг.4 - общий вид насоса в разрезе с диагональными ступенями;
фиг.5 - общий вид насоса в разрезе с центробежными ступенями.
На фиг.1-5 позициями 1-31 обозначены:
1 - электродвигатель;
2 - газосепаратор;
3 - модуль с компрессорными диспергирующими ступенями;
4 - лопастной насос;
5 - насосно-компрессорные трубы;
6 - корпус;
7 - защитная гильза;
8 - основание;
9 - шнек;
10 - осевое колесо;
11 - головка;
12 - канал;
13 - отверстие;
14 - разделительная гильза;
15 - конфузорная часть разделительной гильзы;
16 - диффузорная часть разделительной гильзы;
17 - лопатка;
18 - вал;
19 - дополнительное осевое колесо и/или барабан;
20 - область подвода газожидкостной смеси;
21 - область сепарации;
22 - основание насоса;
23 - головка насоса;
24 - корпус насоса;
25 - вал насоса;
26 - рабочее колесо;
27 - направляющий аппарат;
28 - ведущий диск;
29 - нижний диск;
30 - замкнутая область;
31 - дополнительные лопасти;
32 - винтовая канавка.
Погружная установка содержит в своем составе электродвигатель 1, газосепаратор 2, модуль с компрессорными диспергирующими ступенями 3, лопастной насос 4, насосно-компрессорные трубы 5.
Газосепаратор 2 содержит корпус 6, установленную в корпусе защитную гильзу 7, последовательно установленные на валу по ходу прохождения потока газожидкостной смеси основание 8 с отверстиями, шнек 9, осевое колесо 10, головку 11 с каналами 12 для прохода отсепарированной жидкости в насос 4 и отверстиями 13 для выхода газа в затрубное пространство. Между шнеком 9 и осевым колесом 10 в защитной гильзе 7 установлена разделительная гильза 14, состоящая из двух частей: конфузорной части 15 и диффузорной части 16, в конфузорной части 15 разделительной гильзы 14 изготовлены лопатки 17. Осевое колесо 10 установлено внутри диффузорной части 16 разделительной гильзы 14 на валу 18.
За осевым колесом 10, установленным внутри диффузорной части 16 разделительной гильзы 14, на валу 18 установлено дополнительное осевое колесо и/или барабан 19.
Разделительная гильза 14 разделяет область подвода газожидкостной смеси 20 и область сепарации 21.
Лопастной насос 4 включает основание 22, головку 23, корпус 24, вал 25, на валу установлены ступени. Каждая ступень насоса включает рабочее колесо 26 и направляющий аппарат 27, между ведущим диском 27 рабочего колеса 26 и нижним диском 29 направляющего аппарата 27 образована область 30, замкнутая с внутренней стороны.
На ведущем диске рабочих колес 26 насоса 4 могут быть изготовлены дополнительные лопасти 31.
На внутренней части каждого направляющего аппарата 27 напротив выхода из рабочего колеса 26 изготовлена винтовая канавка 32.
Устройство работает следующим образом.
При включении двигателя момент передается на вал 18 газосепаратора 2 и вал 25 лопастного насоса 4.
Пластовая жидкость с повышенным содержанием газа и абразивных частиц из скважины попадает через отверстия в основании 8 на шнек 9. За счет приобретенного напора в шнеке 9 пластовая жидкость с повышенным содержанием газа и абразивных частиц проходит через лопатки 17, при этом повышается давление за счет уменьшения скорости вращения потока. Вращающееся на валу 18 осевое колесо 10 закручивает поток, обеспечивая высокий градиент давления в области сепарации 21.
Разделительная гильза 14 имеет утолщенную конфузорно-диффузорную форму. Такая форма предотвращает противотоки на периферии из области сепарации 21 в область подвода ГЖС 20.
Далее жидкость с периферии области сепарации 20 поступает по каналам 12 головки 11 на прием насоса 4 или модуля с компрессорными диспергирующими ступенями 3, а газ через отверстия 13 отводится в затрубное пространство скважины.
Через основание 22 насоса 4 поток газожидкостной смеси, в которой содержание свободного газа может достигать 25%, последовательно проходит через рабочие колеса 26 и направляющие аппараты 27. В рабочих колесах 26 создается напор в виде повышения давления и скорости вращения потока, в направляющих аппаратах 27 часть скоростного напора преобразуется в давление.
Пройдя через все ступени, пластовая жидкость через головку 23 насоса 4 подается в насосно-компрессорные трубы 5 и поднимается на поверхность.
Таким образом, обеспечивается повышение надежности и эффективности работы установки с газосепаратором и лопастным насосом.