ГАЗОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ МОДУЛЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, а именно, к газостабилизирующим модулям погружных центробежных насосных установок, и может быть использована для добычи нефти в скважинах с высоким содержанием попутного газа.
Развитие мультифазных насосных технологий определяется необходимостью эффективной нефтедобычи на скважинах, находящихся на заключительной стадии эксплуатации, разработки скважин с более высоким газосодержанием в пластовой жидкости и т.п., повышением расходо-напорных характеристик погружных насосов, работающих в мультифазных средах. При высоком газосодержании на входе обычного центробежного насоса снижаются напорная, мощностная и КПД характеристики, возникают колебания развиваемого насосом давления, повышается уровень вибрации и соответственно снижается наработка насоса, в проточном канале насоса образуются газовые пробки, приводящие к срыву подачи насоса. Многие традиционные конструктивные решения, нацеленные на работу в мультифазной среде, неэффективно работают в мультифазной среде с нестабильным поступлением газа и/или грубой дисперсности мультифазной среды с остаточным газом на входе рабочих колес (в случае центробежного насоса). Например, в промысловой практике, даже при использовании в электроцентробежных погружных насосах сдвоенных скважинных газосепараторов, неоднократно наблюдалось блокирование скважины газовыми пробками (при не очень высоком газосодержании - менее 40%).
Обработка мультифазных жидкостей - смеси по крайней мере флюидов двух и более различных фаз (смесь сырой нефти, различных газов, воды, песка) сталкивается с проблемами, связанными, например, с различными физическими характеристиками жидкостей и газов, прежде всего с
практической несжимаемостью жидкости и сильной сжимаемостью газов. Ухудшение расходо-напорных характеристик во многом определяется сепарационными процессами внутри каналов рабочего колеса. Срыв работы связан с образованием газовой полости, охватывающей всасывающую сторону лопатки рабочего колеса. В любом обычном центробежном многоступенчатом насосе, если он принимает от 2-х до 4-х % газовой фракции, начинает происходить падение напора, и, когда газовая фракция растет (при 15-20%), насос перестает работать. Во многих случаях желательно создать повышенное давление, но это трудно сделать, поскольку импеллеры, спроектированные для прокачки (добычи) жидкости, непригодны для прокачки смеси с высоким газовым содержанием, и аналогично обычный газовый компрессор неработоспособен, когда наряду с газом есть в существенном количестве жидкость.
3
Одним из основных параметров, характеризующих качество работы насоса в мультифазной среде, является мультифазная напорная эффективность насоса, которая определяется отношением напора при жидкостной однофазной насосной прокачке и к напору со связанным мультифазным потоком Hph. Hph=Ep×HL, где Ер - мультифазная напорная эффективность. Ер зависит от давления на приеме насоса, а также от объемно-расходной доли газа β=Qg/(Qg+Q1), где Qg, Q1 - скорости прокачки газа и жидкости соответственно (м/сек). Насосы, содержащие специальные газостабилизирующие модули (диспергирующие и/или растворяющие газовую фазу), обеспечивают большую мультифазную напорную эффективность Ер насосной системы, по сравнению с насосом без газостабилизирующего модуля.
Известен газостабилизирующий насосный модуль Gas Master (разработка компании Bakers Hughes - см. Ш.Р.Агеев, Е.Е.Григорян, Г.П.Макиенко. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Пермь, 2007, стр.292-293), состоящий из последовательно расположенных по ходу шнека и ступеней диагонального типа. Указанная
система растворяет и диспергирует свободный газ. Один из существенных недостатков конструкции состоит в том, что она не может работать в условиях высокого газосодержания (более 33%) в пластовой жидкости.
Известен газостабилизирующий модуль-диспергатор (патент РФ на изобретение №2232301). Он содержит ротор-винт и статор-втулку, являющиеся частью лабиринтно-винтового насоса. Наружная цилиндрическая поверхность винта и внутренняя цилиндрическая поверхность втулки содержат многозаходные, противоположно направленные нарезки специального профиля. В результате обмена количествами движения между жидкостями, обтекающими винт и обтекающей втулку, происходит передача энергии от винта окружающей жидкости. Относительное положение выступов нарезок втулки и винта периодически изменяется, что ведет к значительным градиентам скорости потока жидкости, с соответствующей диспергацией газовых пузырей. Такая система может эффективно диспергировать газовые пузыри, однако при ее работе возможен нежелательный эффект при работе модуля в связке с высокооборотным центробежным насосом, связанный с эффектом обратного дрейфа газовой фазы, который в случае достаточно больших газовых пузырей, попадающих на вход лабиринтно-винтового насоса, может вести к падению эффективности газостабилизирующего модуля.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является газостабилизирующий модуль центробежного насоса, содержащий корпус, в котором размещен вал с радиальной опорой, на котором закреплена гелико-аксиальная секция, содержащая, по меньшей мере, одну гелико-аксиальную ступень со статором с лопатками, спрямляющими линии тока пластовой жидкости, входное отверстие для пластовой жидкости, расположенное в нижней части модуля, выходное отверстие в верхней части модуля для подачи обработанной модулем пластовой жидкости на вход центробежного насоса (патент США №6547514).
Такой модуль обеспечивает высокое давление жидкости в условиях повышающегося содержания газа на входе модуля, растворяя газ в жидкости и соответственно предотвращая возникновение газовых пробок в рабочих колесах основного насосного модуля, присоединенного по ходу движения жидкости к мультифазному модулю.
Недостатками известного модуля являются:
- недостаточная эффективность работы при высоком газосодержании пластовой жидкости в скважинах с низким дебитом;
- недостаточная надежность при использовании в высокооборотных погружных насосах.
В частности, конструктивная схема не позволяет осуществлять эффективную диспергацию газовых пузырей в пластовой жидкости.
Решаемой задачей является повышение эффективности работы газостабилизирующего модуля при высоком газосодержании пластовой жидкости в скважинах с низким дебитом и его надежности при использовании в высокооборотных погружных насосах.
Поставленная задача решается тем, что газостабилизирующий модуль центробежного насоса, содержащий корпус, в котором размещен вал с радиальной опорой, на котором закреплена гелико-аксиальная секция, содержащая, по меньшей мере, одну гелико-аксиальную ступень со статором и направляющим аппаратом с лопатками, спрямляющими линии тока пластовой жидкости, входное отверстие для пластовой жидкости, расположенное в нижней части модуля, выходное отверстие в верхней части модуля для подачи обработанной модулем пластовой жидкости на вход центробежного насоса, отличается тем, что на концах вала модуля выполнены элементы шлицевого соединения с эвольвентным профилем, а газостабилизирующий насосный модуль содержит последовательно расположенные на валу гелико-аксиальную секцию и лабиринтно-винтовую секцию, состоящую, по меньшей мере, из одной ступени, содержащей винтовой ротор, расположенный на валу, и цилиндрическую втулку-статор,
охватывающую внешнюю поверхность винтового ротора, причем цилиндрическая поверхность винтового ротора и внутренняя цилиндрическая поверхность вышеуказанной втулки-статора содержат многозаходные винтовые канавки, причем канавки на втулке и роторе имеют противоположное направление, кроме того, мультифазный модуль содержит, по меньшей мере, одну торцевую опору на основе износостойких материалов, на задней торцевой поверхности статора гелико-аксиальной ступени, выполненной соприкасающейся с торцевой поверхностью винтового ротора, содержится износостойкая вставка, формирующая рабочую поверхность торцевой опоры на статоре, а на соответствующей ответной стороне ротора лабиринтно-винтового насоса имеется вставка из износостойкого материала, формирующая рабочую поверхность обратной торцевой опоры, после лабиринтно-винтовой секции в верхней части мультифазного модуля выполнена радиально-торцевая опора, причем рабочая поверхность торцевой части опоры выполнена из износостойкого материала.
Газостабилизирующий модуль центробежного насоса показан на фиг.1. Фиг.2. раскрывает особенности геометрии ступеней газостабилизирующего модуля. На фиг.3 приведены графики зависимости напора, развиваемого насосом от объемно-расходной доли газа в пластовой жидкости для центробежного погружного высокооборотного насоса с газостабилизирующим модулем и без модуля.
Газостабилизирующий модуль центробежного насоса состоит из корпуса 1, в котором размещена лабиринтно-винтовая секция 19 и гелико-аксиальная секция, состоящая из гелико-аксиальных ступеней, каждая ступень состоит из ротора 14, с лопатками 17, имеющими гелико-аксиальную геометрию, и статора 13 с неподвижными лопатками 20, лабиринтно-винтовой секции, расположенной по ходу движения жидкости после гелико-аксиальной ступени. Газостабилизирующий модуль представляет собой гелико-аксиальный насос, с отдельным корпусом, который соединяется с расположенным выше по ходу движения жидкости обычным центробежным
насосом. Гелико-аксиальный насос состоит из нескольких гелико-аксиальных ступеней на валу 2, количество которых меняется в зависимости от требуемого уровня компресии. Каждая гелико-аксиальная ступень включает гелико-аксиальное рабочее колесо, зафиксированное на валу 2. Гелико-аксиальное колесо включает центральную втулку 23 с расширяющимся по ходу движения жидкости диаметром (при этом соответствующим образом увеличивается и внутренний диаметр охватывающей ротор поверхности) и лопатки 17 гелико-аксиального типа, навитые на втулку 23. Каждая ступень включает также диффузор (статор) 13, спроектированный для спрямления потока, поступающего с соответствующего гелико-аксиального рабочего колеса. Осевая нагрузка воспринимается статором 13, жестко скрепленным с корпусом. Важной особенностью системы является сочетание гелико-аксиальной секции с диспергирующим элементом - лабиринтно-винтовым насосом (в его составе ступени или ступень), содержащим по меньшей мере одну статор-втулку 7 и ротор, расположенный внутри статора-втулки 9, причем на поверхности сопряжения статора-втулки и роторов выполнены выступы и впадины, формирующие винтовые канавки. Такое сочетание может обеспечить эффективную работу мультифазного модуля в составе высокооборотного насоса в скважинах с низким дебитом. Нижняя часть модуля имеет торцевое соединение 18, верхняя часть выполняется со стандартным резьбовым соединением. Верхний и нижний концы вала содержат элементы шлицевого соединения с эвольвентным профилем (на рис. не показаны).
Рассмотрим совокупность опор газостабилизирующего модуля. Газостабилизирующий модуль содержит радиально-торцевую опору 3, расположенную в верхней части модуля и имеющую торцевую часть 5 и радиальную 6. Опора выполняется из износостойкого материала, обеспечивающего долговечность опоры в случае использования высокооборотного центробежного насоса. Торцевые опоры 12 присутствуют также в зоне контакта статора гелико-аксиальной ступени и следующего
гелико-аксиального колеса. Торцевая опора представляет собой радиальную вставку, выполненную из износостойкого материала. Торцевая опора 10 из изностойкого материала выполнена также в зоне трибоконтакта торцевой передней поверхности лабиринтно-винтового насоса и задней торцевой части соответствующего статора гелико-аксиального колеса.
Ступень может быть сконструирована так, что рост давления по ступени достигается преимущественно на роторе, а статор служит исключительно или преимущественно для изменения направления движения жидкости. Статор действует и как рассекатель падающих на статор газовых пузырей, увеличивая степень гомогенизации пластовой жидкости. Ротор монтируется на цилиндрической или конической втулке. Статор сформирован множеством радиально расширяющихся лопаток. Выход ротора может иметь скругленные торцевые лопатки, которые имеют тупые скругленные ведущие углы, нечувствительные к широкому диапазону углов падения потоков на указанные торцевые лопатки. Профиль лопаток может обеспечивать существенно постоянную ширину прохода между лопатками.
Специально рассчитанная геометрия гелико-аксиальной структуры осевой ступени обеспечивает заданный прирост давления жидкости, гомогенизирует флюид (пластовую жидкость), смешивая газ и жидкость (переводя газ в растворенное состояние), а также может осуществить дробление газовых пузырей. Гелико-аксиальное колесо способно работать при высоком газосодержании без срыва подачи и обеспечивает эффективную компрессию, снижающую объемную долю газовой фракции. Завершает процесс обработки жидкости лабиринтно-винтовая секция, которая согласована (по производительности, геометрическим параметрам потока и.т.п) с параметрами гелико-аксиальной секции модуля. Расположение лабиринтно-винтовой секции после гелико-аксиальной секции позволяет избежать эффекта обратного дрейфа газовой фазы в лабиринтно-винтовом насосе. В лабиринтно-винтовой секции происходит интенсификация процесса диспергирования мультифазной смеси - в ней происходит
измельчение оставшихся газовых пузырей и окончательная подготовка однородной суспензии. Обработанная газостабилизирующим модулем жидкость поступает на прием основного центробежного насоса. Модуль обладает способностью сохранять высокое давление жидкости в условиях повышающегося содержания газа на входе, предотвращая возникновение газовых пробок при очень высоком содержании свободного газа на приеме насоса. Таким образом указанный мультифазный модуль принимает скважинную жидкость и достаточно компрессирует ее, удаляя нежелательные пакеты газообразной фазы, кроме того, в модуле происходит диспергация (дробление) газовых пузырей. Таким образом скомпрессированная и диспергированная жидкость проходит в центробежный насос.
Газостабилизирующий модуль центробежного насоса работает следующим образом.
Пластовая скважинная жидкость из затрубного пространства через входные отверстия газостабилизирующего модуля 16 по входному каналу 15 поступает к первому гелико-аксиальному рабочему колесу (ротору 14 лопатками 17). При этом у жидкости кроме поступательной составляющей по направлению оси вала появляется вращательная составляющая. После ротора жидкость проходит через статорный канал 11, попадает на статорные лопатки 20, благодаря которым происходит спрямление потока. Таким образом происходит преобразование энергии вращения (кинетической) в потенциальную энергию. Кроме того, газовые пузыри, проходящие через статор, могут дробиться (рассекаться) при попадании на входную кромку лопаток статора 13. Происходит эффективная гомогенизация потока с растворением. Далее при прохождении через следующую гелико-аксиальную ступень происходит увеличение давления и соответствующее сокращение газовой фазы, кроме того, происходит дальнейшее дробление газовой фазы, и, соответственно, увеличение степени гомогенности среды. Окончательная обработка пластовой жидкости происходит в лабиринтно-винтовой секции
19, содержащей лабиринтно-винтовые ступени. При прохождении через сквозной канал 8 лабиринтно-винтовой секции в газожидкостной смеси осуществляется дальнейшее дополнительное более интенсивное измельчение оставшихся газовых пузырей. Эффективность обработки мультифазной жидкости возрастает, когда канавки 21 на поверхности статора-втулки 7 и канавки 22 ротора 9 лабиринтно-винтовой секции выполнены в виде винтовых нарезок, имеющих форму меридианного сечения. В этом случае одновременно с интенсивным дроблением пузырьков газа растет давление, приводящее к снижению объемной доли свободного газа в пластовой жидкости. Подготовленная смесь через выходные отверстия 4 газостабилизирующего модуля поступает на рабочие колеса основного центробежного насоса (на рисунке не показан).
Такая подготовленная мультифазная среда более благоприятна для работы центробежного насоса, чем пластовая жидкость без обработки. На фиг.3 показаны графики сравнительных испытаний насоса с мультифазным модулем и без него. Испытания проведены при оборотах вала модуля 9000 об/мин, при расходе 60 куб.м. при изменяющейся объемно-расходной доле газа β от 0 до 25. Графики свидетельствуют о повышении мультифазной эффективности насосной установки при использовании газостабилизирующего модуля.
С мультифазными гелико-аксиальными газостабилизирующими модулями центробежные насосы способны справляться с пластовой жидкостью с более высокой загазованностью на приеме насоса и более низким давлением на приеме насоса, чем обычные центробежные насосы с газосепаратором. Мультифазная напорная эффективность Ер насоса с мультифазным газостабилизирующим модулем в среднем на 15-25% выше мультифазной эффективности насоса без указанного модуля.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность работы газостабилизирующего модуля при высоком газосодержании пластовой жидкости в скважинах с низким
дебитом, то есть увеличить мультифазную напорную эффективность высокооборотного насоса, расширить допустимый диапазон работы по газосодержанию для центробежных высокооборотных насосов, обеспечить непрерывную работу в скважинах с нестабильными параметрами (резкие колебания газосодержания, газовые пробки) и низким давлением пластового флюида на приеме насоса. Кроме того, у предлагаемого газостабилизирующего модуля повышается надежность при использовании в высокооборотных погружных насосах.