АБРАЗИВОСТОЙКИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГАЗОСЕПАРАТОР
ABRASIVE-RESISTANT CENTRIFUGAL GAS TANK

Изобретение 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 на входе в сепарационный барабан.
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.
Настоящее изобретение направлено на создание газосепаратора, способного длительное время безаварийно работать в жидкости, содержащей абразивные частицы, за счет усовершенствования конструкции сепарационного узла.
Указанный технический результат достигается тем, что центробежный газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, напорный узел, сепарационный узел и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство, отличается тем, что его сепарационный узел представляет собой шнек с переменным шагом, лопасти которого в меридиональном сечении образуют с осью вращения постоянный или монотонно уменьшающийся от входа к выходу угол. Диапазон изменения этого угла находится в интервале от 90 до 30°. Шнек с переменным шагом может иметь цилиндрическую оболочку, закрепленную на внешней поверхности его лопастей.
В обоих случаях лопасти шнека в поперечном сечении могут иметь постоянную толщину или утоньшаться к периферии, причем границы сечения могут быть как прямыми, так и вогнутыми в сторону вращения так, что угол между касательной к границе сечения и нормалью к оси вращения не превышает 90°.
Кроме того, входная кромка шнека либо перпендикулярна оси вращения, либо имеет вид конической поверхности, наклоненной в сторону течения жидкости с углом при вершине более 90°, а угол между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, на входе шнека превышает угол на выходе в 1,2-4,0 раза.
Увеличение надежности газосепаратора предлагаемой конструкции достигается за счет того, что:
1. Благодаря применению шнека, согласованного по потоку с напорным узлом газосепаратора, на входе в сепарационный узел не создается вихревое движение жидкости, захватывающее абразивные частицы и повышающее их локальную концентрацию в месте образования вихря.
2. Лопасти сепарационного шнека наклонены так, что центробежные силы, возникающие при вращении, прижимают абразивные частицы к его лопастям. Силы трения между частицами и лопастями препятствуют их перемещению к корпусу газосепаратора.
3. Цилиндрическая оболочка является частью сепарационного узла газосепаратора и вращается вместе с находящимся внутри нее сепарационным шнеком. Жидкость, находящаяся внутри сепарационного узла, имеет малую скорость движения относительно стенок цилиндрической оболочки, поэтому малы силы взаимодействия абразивных частиц, переносимых жидкостью, со стенками цилиндрической оболочки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема расположения узлов газосепаратора, на фиг.2 - сепарационный шнек заявляемой конструкции, на фиг.3 - тот же шнек в цилиндрической оболочке, на фиг.4-6 показаны формы поперечного сечения лопасти.
1
2
Газосепаратор состоит из узла ввода 1, напорного узла 2, сепарационного узла 3 и узла отвода 4 отсепарированного газа (фиг.1), которые насажены на вал и размещены внутри цилиндрического корпуса. В качестве сепарационного узла 3 использован шнек 5 с переменным шагом (фиг.2, 3), состоящий из втулки 6 с винтообразными лопастями 7, к внешним сторонам которых может быть прикреплена цилиндрическая оболочка 8 (фиг.3). Лопасть 7 может иметь постоянную толщину (фиг.4), утоньшаться к периферии (фиг.5) или иметь криволинейную форму (фиг.6) с 0≤δ≤90°. Угол α (фиг.6) образован лопастью шнека и осью вращения в меридиональном сечении. Входной β и выходной угол β (фиг.7) образованы между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Углы представлены на развертке цилиндрической поверхности, которая пересекает лопасть шнека, расположена внутри проточного канала и имеет ось, совпадающую с осью вращения. Скелетная линия лопасти 9 (фиг.7) означает среднюю линию лопасти, служащую каркасом, на котором за счет симметрично в противоположные стороны отложенной половинной толщины формируется конфигурация лопасти. Скелетная линия существует только в сечении лопатки какой-либо цилиндрической поверхностью проточного канала. При компьютерном конструировании лопатку получают вытягиванием скелетной линии от втулки к периферии (в радиальном направлении), и наращиванием толщины на полученную скелетную поверхность. Термин «скелетная линия» лопасти находит применение в технической литературе (см., например, в книге Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960, стр.143).
Устройство работает следующим образом.
Поток газожидкостной смеси, поступающий в газосепаратор через узел ввода 1, проходит напорный узел 2 и поступает в сепарационный узел 3, где приводится во вращение. Центробежные силы отделяют газ, который скапливается вблизи поверхности втулки 6, от жидкости и заставляют абразивные частицы двигаться в противоположном направлении. Однако лопасти 7 шнека 5 наклонены так, что частицы не могут достичь корпуса газосепаратора, не соприкоснувшись с лопастями 7. При контакте центробежные силы прижимают абразивные частицы к лопастям 7, что затрудняет их перемещение к корпусу газосепаратора.
Если сепарационный узел оснащен цилиндрической оболочкой 8, которая вращается вместе с находящимся внутри ее шнеком 5, то жидкость, находящаяся внутри сепарационного узла 3, имеет малую скорость относительно стенок цилиндрической оболочки 8. Поэтому переносимые жидкостью абразивные частицы практически не взаимодействуют со стенками цилиндрической оболочки 8, и износа не происходит.
В отличие от традиционных газосепараторов, где сепарация осуществляется барабаном с радиальными лопастями [1], предлагаемый сепарационный узел не создает вихревого движения на входе, потому что сепарационный шнек предлагаемой конструкции согласован по направлению потока с напорным узлом газосепаратора. Отсутствие вихревого движения препятствует захвату абразивных частиц потоком и предупреждает их локальную концентрацию, что способствует повышению надежности.
Источники информации
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. Ч.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 Франции №2310214, F04D 7/08, 1977.
5. Патент США №5516360, B10D 19/00, 1996.