СУПЕРДИСПЕРГИРУЮЩЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
SUPER DISPERSION IMPELLER OF CENTRIFUGAL PUMP STAGE WITH SUBMERSIBLE MOTOR FOR OIL PRODUCTION

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в погружных насосных установках, предназначенных для подъема пластовой жидкости из скважин с повышенным содержанием попутного газа.
Присутствие попутного газа в перекачиваемой жидкости отрицательно влияет на всасывающую способность рабочего колеса центробежного насоса, значительно ухудшая его основные характеристики, приводящие к снижению напора, подачи и КПД. При этом работа насоса становится неустойчивой, малоэффективной и часто сопровождается срывами подачи перекачиваемой жидкости.
Для снижения вредного влияния попутного газа на работу погружного центробежного насоса используются диспергирующие устройства, установленные на входе в насос, которые обеспечивают создание однородной газожидкостной смеси путем измельчения пузырьков газа и перемешивания их с жидкостью (см., например, международный транслятор «Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти» под научной редакцией акад. РАЕН В.Ю.Алекперова и акад. РИА В.Я.Кершенбаума, М., 1999 г., с.309).
Известно также диспергирующее устройство погружного центробежного насоса, содержащее рабочие органы с радиальными лопатками, расположенными вдоль оси вращения вала насоса (см., например, Гафуров О.Г. «Исследование особенностей эксплуатации погружными центробежными насосами нефтяных скважин, содержащих в продукции газовую фазу», диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Уфа, 1972 г., с.52-53, 128-140).
Описанное в указанном источнике устройство имеет большие габаритные размеры и не обеспечивает получения газожидкостной смеси с высокой степенью дисперсности газовой фазы, необходимой для эффективной работы погружного центробежного насоса.
Известно также диспергирующее устройство, выполненное в виде закрытого колеса центробежного насоса с радиальными каналами, каждый канал на входе снабжен завихрителем с тангенциальным и осевым подводками, а на выходе - лопаточным завихрителем (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству №527535, от 10.06.75, МПК F04D 29/22).
Указанное техническое решение направлено на повышение напора на рабочем колесе насоса и увеличение величины срывного газосодержания.
Однако изготовление описанного рабочего колеса требует проведения достаточно сложной технологической операциии, связанной с выполнением на нем завихрителей.
7
Наиболее близким к заявленному изобретению является рабочее колесо ступени, описанное в патенте RU №2218482, МПК F04D 13/10, от 2002.07.10, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопастями. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса размещены дополнительные лопасти, которые расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга и ориентированы в радиальном направлении.
При работе насоса в условиях повышенного содержания газа в пластовой жидкости известное рабочее колесо производит перемешивание жидкости с газовыми включениями. Однако осуществляемое при этом дробление пузырьков свободного газа (диспергирование) не позволяет довести газожидкостную смесь до квазигомогенного состояния, обеспечивающего надежную работу погружного центробежного насоса при добыче нефти.
Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении диспергирующей способности рабочего колеса погружного центробежного насоса в условиях его работы с повышенным газосодержанием в пластовой жидкости без усложнения технологии его изготовления.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что супердиспергирующее рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса для добычи нефти, выполненное в виде закрытого рабочего колеса с ведущим и ведомым дисками, между которыми установлены лопасти, образующие проточную часть рабочего колеса, а на верхней поверхности ведущего диска по его окружности выполнены ориентированные в радиальном направлении дополнительные лопасти рабочего колеса, согласно изобретению сверху на ведущем диске рабочего колеса установлен кольцевой диск, ограниченный окружностями, описывающими внутренние и наружные кромки дополнительных лопастей, на поверхности кольцевого диска выполнены выступы, ориентированные в радиальном направлении, формирующие по периферии колеса открытые диспергирующие каналы, при этом между кольцевым и ведущим дисками рабочего колеса образованы закрытые диспергирующие каналы.
Причем количество открытых диспергирущих каналов в супердиспергирующем колесе равно или различно количеству закрытых диспегирующих каналов.
Кроме того, в частном случае выполнения супердиспергирующего колеса, выступы на кольцевом диске расположены по радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки.
Кроме того, в частном случае выполнения супердиспергирующего колеса, выступы на кольцевом диске расположены под углом к радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки, и ориентированы по направлению вращения колеса.
Кроме того, в частном случае выполнения супердиспергирующего колеса, выступы на кольцевом диске расположены под углом к радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки, и ориентированы против направления вращения колеса.
При этом угол наклона выступов на кольцевом диске к радиусу колеса соответствует углу наклона лопастей на верхней поверхности ведущего диска к радиусу колеса или отличается от угла наклона лопастей на верхней поверхности ведущего диска к радиусу колеса.
Кроме того, в частном случае выполнения супердиспергирующего колеса, верхняя поверхность кольцевого диска между выступами выполнена плоской.
Кроме того, в частном случае выполнения супердиспергирующего колеса, верхняя поверхность кольцевого диска между выступами выполнена в виде части конической поверхности.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен общий вид супердиспергирующего колеса погружного центробежного насоса;
на фиг.2 изображены варианты расположения выступов на кольцевом диске;
на фиг.3 схематично представлен погружной центробежный насос в сборе с супердиспергирующими ступенями.
Супердиспергирующее колесо погружного центробежного насоса для добычи нефти (фиг.1) содержит ступицу 1, посредством которой колесо установлено на валу насоса, а также ведущий и ведомый диски 2 и 3 с размещенными между ними лопатками 4, формирующими рабочие каналы 5 колеса. На верхней поверхности ведущего диска 2 на одинаковом расстоянии относительно друг друга по окружности диска расположены ориентированные в радиальном направлении дополнительные центробежные лопасти 6 рабочего колеса, которые формируют каналы 7 открытые с внешней и с внутренней стороны относительно оси рабочего колеса для прохода пластовой жидкости во внутреннее пространство рабочего колеса, ограниченное внутренними кромками лопаток 6 и боковой поверхностью ступицы 4 рабочего колеса. Боковые поверхности каждой лопасти 6 повернуты в сторону, противоположную направлению поворота лопаток 4, то есть в направлении вращения рабочего колеса (показано стрелкой), и расположены либо по радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки, либо под углом α к указанному радиусу колеса. Сверху на ведущем диске 2 установлен кольцевой диск 8, образованный двумя окружностями с радиусами R1 и R2 (фиг.2а), описывающими соответственно наружные и внутренние кромки дополнительных лопастей 6, размещенных на наружной поверхности ведущего диска 2. На верхней поверхности кольцевого диска 8 выполнены выступы 9, формирующие по периферии рабочего колеса открытые сверху проходные каналы 10, при этом каналы на поверхности ведущего диска 2 за счет установленного кольцевого диска 8 преобразуются в закрытые проходные каналы 7. Таким образом, кольцевой диск 8 с выступами 9, размещенный сверху на ведущем диске рабочего колеса погружного центробежного насоса, образует двухярусные проходные каналы закрытые - 7 и открытые - 10.
Внешние кромки кольцевого диска 8 и выступов 9 совпадают с боковыми поверхностями дисков 2 и 3, а также с внешними кромками лопастей 6 и 4 (радиус R1). Внутренняя кромка кольцевого диска 8 с выступами 9 совпадает с внутренней кромкой лопастей 6 на ведущем диске 2 рабочего колеса (радиус R2). Верхняя поверхность кольцевого диска 8 между выступами 9 выполнена плоской или наклонной в виде части конической поверхности с углом при вершине конуса в пределах от 120 до 175°, что обеспечивает увеличение полезной рабочей поверхности выступов без значительного увеличения осевого размера колеса. Количество открытых проходных каналов 10 супердиспергирующего колеса может быть как равно, так и различно количеству закрытых проходных каналов 7.
При этом выступы 9 могут быть расположены на кольцевом диске по радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки (фиг.2а) или под углом α (фиг.2б) к радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки. Ориентированы выступы 9 могут быть по направлению вращения колеса или против направления вращения колеса. При этом дополнительные лопасти 6 колеса также могут быть расположены под углом α к радиусу колеса, проведенному через середину внутренней их кромки и ориентированы в том или противоположном направлении, что и выступы 9. Угол поворота β выступов на кольцевом диске к радиусу колеса может соответствовать или не соответствовать углу поворота α лопастей 6 к радиусу колеса (фиг.2б и 2в). Высота, длина, ширина выступов 9 на кольцевом диске 8 и лопастей 6 на ведущем диске 2, а также углы их наклона α и β относительно радиуса колеса, проведенного через середину внутренней их кромки, определяются экспериментально, исходя из требований эксплуатации, а именно, степенью содержания газа в перекачиваемой пластовой жидкости, созданием необходимого напора, а также габаритными размерами.
Супердиспергирующее рабочее колесо работает следующим образом.
При вращении рабочего колеса, приводимого в движение валом насоса, многофазная пластовая жидкость, захватываемая лопатками 4, 6 и выступами 9, проходит по каналам супердиспергирующего колеса. При этом открытые верхние каналы 10, выполненные на кольцевом диске 8, формируют поток кольцевого направления (вихревой поток) с центробежной составляющей. В результате поток перекачиваемой пластовой жидкости поступает в закрытые каналы 7 с приобретенным приращением дополнительной центробежной составляющей и вытекает из них, обеспечивая более эффективную диспергацию газовых пузырьков в перекачиваемой жидкости. Это существенно повышает стабильность работы погружного центробежного насоса, работающего в двух- и трехфазных газожидкостных средах.
Представленное конструктивное решение супердиспергирующего рабочего колеса является технологичным, поскольку при его изготовлении может быть использована стандартная технология поршковой металлургии, обычно применяемая при изготовлении рабочих колес ступени погружного центробежного насоса, в частности технология порошковой металлургии. При необходимости в супердиспергирующем колесе сверху основного диска, выполненного с дополнительными лопастями, могут быть установлены друг за другом несколько кольцевых дисков с выступами, совместно образующие по периферии рабочего колеса многоярусные закрытые проходные каналы и один верхний ярус открытых проходных каналов.
Пример использования супердиспергирующего рабочего колеса в погружном центробежном насосе для добычи нефти показан на фиг.3. Насос состоит из набора ступеней 11, включающих в себя рабочие колеса 12 и направляющие аппараты 13. Ступени собраны в пакеты I, II (на чертеже показано два пакета ступеней). В каждом пакете через определенное количество рабочих ступеней, в зависимости от величины газосодержания на приеме насоса, установлена ступень 14 с супердиспергирующим колесом А.
Во время работы насоса в ступени 14 осуществляется дробление пузырьков свободного газа с образованием квазигомогенного состояния газожидкостной смеси при одновременном приращении энергии перекачиваемой пластовой жидкости, поступающей в рабочие ступени 11 насоса. Это обеспечивает стабильную работу погружного центробежного насоса в скважинах с большим содержанием газа и повышает напор пластовой жидкости, что позволяет снизить количество рабочих ступеней, а соответственно длину насоса.