ДЕГАЗАТОР

Предлагаемое устройство относится к дегазационной технике и может быть использовано для дегазации буровых растворов при бурении нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство аналогичного назначения, применяемое для дегазации буровых растворов (патент США №4326863 от 27.04.1982 г., Day R.W. Dunavent S.W. Rich E. Centrifugal degasser). Оно содержит вертикальный пустотелый цилиндрический корпус, снабженный газоотводными каналами и направляющими лопатками на входе потока дегазируемой жидкости. Внутри цилиндрического корпуса соосно с ним установлен с возможностью вращения вал с лопастями и лопастным рабочим колесом в нижней части вала. Газоотводные каналы сообщены с устройством для откачки газа из корпуса. Во время работы нижняя часть корпуса и вала погружены в дегазируемую жидкость, например, газированный буровой раствор. Жидкость через направляющие лопатки поступает на вход лопастного рабочего колеса, которое, подобно колесу центробежного насоса, направляет жидкость к вращающимся лопастям, которые придают жидкости вращательное движение. За счет возникающей во время этого движения центробежной силы пузырьки газа всплывают к центру цилиндрического корпуса и отводятся устройством для откачки газа через газоотводные каналы за пределы корпуса. Дегазированная жидкость под действием центробежной силы выбрасывается в накопитель. Однако из-за сильного перемешивающего действия лопастей эффективность дегазации низкая и в жидкости на выходе из дегазатора остаются газовые включения.
Известно также устройство аналогичного назначения (патент США №4046528 от 6.09.1977 г., W.E.Liljestrand Degassing system), принятое за прототип. Оно имеет вертикальный центробежный насос, снабженный газоотводной трубкой и направляющими лопатками на входе потока дегазируемой жидкости, а также вертикальную пустотелую цилиндрическую дегазационную емкость. Дегазационная емкость соединена с насосом питающей трубой. Газоотводная трубка и дегазационная емкость сообщены с известным устройством для откачки газа, например, газодувкой. Питающая труба входит в центральную часть дегазационной емкости и на выходе снабжена разбрызгивающим устройством в виде подпружиненной тарелки, а дегазационная емкость имеет лоток для отвода дегазированной жидкости в накопитель. Во время работы нижняя часть насоса погружена в дегазируемую жидкость, например, газированный буровой раствор. Жидкость через направляющие лопатки предварительно закручивается и поступает в центробежный насос, лопастное колесо которого еще более закручивает жидкость на входе в насос. За счет возникающей центробежной силы пузырьки газа всплывают к центру входного патрубка насоса и отводятся вверх устройством для откачки газа через газоотводную трубку за пределы рабочей зоны. Далее насос направляет частично дегазированную жидкость по питающей трубе в дегазационную емкость, где жидкость разбрызгивается на внутренние стенки емкости. За счет разбрызгивания пузырьки газа разрушаются и происходит дополнительная дегазация жидкости. Отделившийся газ отводится устройством для откачки газа. Далее дегазированная жидкость стекает по стенкам дегазационной камеры, собирается в нижней части дегазационной емкости и по лотку отводится в по назначению. В конструкции прототипа частично устраняется недостаток упомянутого выше устройства, так как центробежная дегазация дополняется дегазацией за счет разбрызгивания дегазируемой жидкости в дегазационной емкости. Однако разбрызгивание сопровождается не только разрушением пузырьков газа, но и образованием новых пузырьков из-за дробления жидкости на капли, сопровождающегося повторным смешением жидкости с газом. Кроме того, стекание жидкости по стенкам происходит не тонким равномерным слоем, а отдельными струями. Это препятствует выходу на поверхность жидкости и разрушению мелких пузырьков газа. Указанные явления снижают степень извлечения газа, то есть снижают эффективность дегазации.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели - повышение эффективности дегазации.
Предлагаемый дегазатор состоит из вертикального центробежного насоса, снабженного газоотводной трубкой и направляющими лопатками на входе потока дегазируемой жидкости, а также вертикальной пустотелой цилиндрической дегазационной емкости. Дегазационная емкость соединена с насосом питающей трубой. Газоотводная трубка и дегазационная емкость сообщены с устройством для откачки газа. Поставленная цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, питающая труба выполнена раздваивающейся на два трубопровода. Оба трубопровода расположены внутри верхней части дегазационной емкости и имеют форму двойной спирали. Выходные концы трубопроводов размещены в противоположных сторонах внутренней стенки дегазационной емкости и выполнены направленными по касательной к ней. Кроме того, входы трубопроводов оснащены регулирующими задвижками. Такая совокупность признаков предлагаемого дегазатора позволяет проводить основную дегазацию в закрытом криволинейном канале за счет приложения к дегазируемой жидкости центробежных сил. В закрытом криволинейном канале отделившиеся пузырьки газа коалесцируют в крупные газовые пробки, не смешивающиеся с жидкостью. Плавное истечение жидкости по касательной из выходных концов трубопроводов в дегазационную камеру исключает брызгообразование и повторное смешение жидкости с отделившимся газом. Спиралевидное движение жидкости после выхода из трубопроводов в противоположных сторонах внутренней стенки дегазационной емкости обеспечивает заполнение всей внутренней поверхности дегазационной емкости предельно тонким слоем жидкости, находящимся под действием центробежной силы, что увеличивает вероятность выхода на поверхность жидкости и разрушения остаточных пузырьков.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показан общий вид дегазатора и вид снизу на двойную спираль внутри дегазационной емкости.
Предлагаемый дегазатор состоит из вертикального центробежного насоса 1 и вертикальной пустотелой цилиндрической дегазационной емкости 2. На входе насоса установлены направляющие лопатки 3, имеющие, например, спиралевидную форму для предварительной закрутки потока дегазируемой жидкости на входе в насос 1. Насос 1 имеет газоотводную трубку 4. Насос 1 соединен с дегазационной емкостью 2 питающей трубой 5. Газоотводная трубка 4 и дегазационная емкость 2 сообщены с помощью трубопровода 6 с устройством для откачки газа 7, например, вентилятором или турбогазодувкой. Питающая труба 5 выполнена раздваивающейся на два трубопровода 8 и 9. Трубопроводы 8 и 9 входят внутрь верхней части дегазационной емкости 2 и внутри емкости имеют форму двойной спирали 10. Выходные концы 11 и 12 трубопроводов размещены в противоположных сторонах внутренней стенки дегазационной емкости и выполнены направленными по касательной к ней. Кроме того, трубопроводы оснащены регулирующими задвижками 13 и 14. Насос 1 частично погружен в газированную жидкость, например, газированный буровой раствор на выходе из скважины, а сброс дегазированной жидкости происходит в накопитель 15 через сливной патрубок 16. Газ устройством для откачки газа 7 выводится за пределы рабочей зоны по трубопроводу (не показан).
Предлагаемый дегазатор работает следующим образом. Подлежащая дегазации жидкость, например, буровой раствор из газопроявляющей скважины, самотеком поступает на вход вертикального насоса 1. Под действием направляющих лопаток 3 на входе в насос 1, а также вращающихся частей насоса, жидкость на входе в насос получает вращательное движение, вследствие которого, под действием центробежной силы, крупные пузырьки газа всплывают по направлению к центру насоса и вверх с последующим отсасыванием его через газоотводную трубку 4 по трубопроводу 6. Далее жидкость поступает под давлением из насоса 1 в питающую трубу 5, где раздваивается на два потока и нагнетается в спиральную часть 10 трубопроводов 8 и 9. При движении в криволинейном закрытом спиральном канале жидкость, содержащая газовые пузырьки, под действием центробежной силы расслаивается на жидкостный и газовый потоки. Из выходных концов 11 и 12 трубопроводов газ устремляется вверх на отсос через трубопровод 6, а жидкость плавно по касательной поступает на внутреннюю стенку дегазационной емкости 2. По внутренней стенке жидкость растекается в форме спиралевидного равномерного тонкослойного потока, где оставшиеся наиболее мелкие пузырьки газа под действием центробежной силы выходят на поверхность потока жидкости и уходят в виде свободного газа вверх на откачку. Дегазированная жидкость самотеком сливается через сливной патрубок 16 в накопитель 15, откуда отбирается насосами по назначению. Регулирование производительности дегазатора производится задвижками 13 и 14. Благодаря тому, что дегазируемая жидкость в предлагаемом дегазаторе, в отличие от прототипа, поступает в закрытый криволинейный спиральный канал, то отделившиеся пузырьки газа коалесцируют в крупные газовые пробки, не смешивающиеся с жидкостью. В то же время плавное истечение жидкости по касательной через выходные концы 11 и 12 трубопроводов на стенку дегазационной камеры 2 исключает брызгообразование и повторное смешение жидкости с отделившимся газом. Спиралевидное движение жидкости после выхода из трубопроводов 8 и 9 в противоположных сторонах внутренней стенки дегазационной емкости 2 обеспечивает заполнение всей внутренней поверхности дегазационной емкости 2 предельно тонким слоем жидкости и, кроме того, создает центробежную силу. Это приводит к всплытию пузырьков на поверхность потока жидкости, где пузырьки разрушаются, что увеличивает степень удаления из жидкости остаточных самых мелких пузырьков газа. Таким образом, предложенная совокупность признаков способствует значительному увеличению степени извлечения газа из жидкости по сравнению с прототипом при той же производительности, то есть ведет к увеличению эффективности дегазации.
Пример применения предлагаемого дегазатора представлял собой экспериментальный образец дегазатора. В качестве вертикального центробежного насоса использовали серийный насос ВШН-150 (ТУ 3631-022-55837096-2007), у которого заменили рабочее колесо на колесо с более широкими лопатками, при этом снизили частоту вращения рабочего колеса с помощью частотного регулятора. Получили низконапорный высокопроизводительный насос, нечувствительный к избытку газа в жидкости. В качестве дегазационной камеры использовали корпус серийного дегазатора Каскад 40 (ТУ 3661-006-10147164-04), в который вставили двойную спираль, выполненную из стальных труб диаметром 89 мм. Питающая стальная труба имела диаметр 133 мм. В месте раздваивания питающей трубы установили поворотные затворы Ду80. В качестве устройства для откачки газа использовали серийный вентилятор ВР-280 (ТУ 4861-034-04614058-05). Испытания проводили на модельном буровом растворе (глинистая суспензия), вязкостью по воронке 40 с. Газирование раствора до 9% производили эжектором (гидросмеситель СГМ-100). Наблюдение за потоком внутри емкости, выполненное через смотровой проем, показало равномерное растекание жидкости по внутренней стенке дегазационной камеры. Контрольные замеры выявили отсутствие остаточного газа на выходе жидкости из дегазатора.
Из примера применения видно, что предлагаемый дегазатор может быть изготовлен с помощью известных технических средств и обеспечивает технический результат. Следовательно, он обладает промышленной применимостью.
Патент США №4326863 Центробежный дегазатор М. Кл.  19/00
Авторы: R.W.Day, S.W.Dunavent, E.Rich
Патентообладатель: Geosource Inc., Houston, Тех.
Внесен в реестр 21 июля 1980 г.
Краткий перечень рисунков.
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут представлены в детальном описании изобретения вместе с рисунками со сквозной нумерацией, на которых изображены:
Фиг.1. Поперечное сечение дегазатора в соответствии с настоящим изобретением со входом сверху.
Фиг.2. Поперечное сечение устройства, изображенного на фиг.1, оснащенного лопастным колесом.
Фиг.3. Поперечное сечение центробежного дегазатора в соответствии с настоящим изобретением, включающего средство вакуумирования для удаления пузырьков газа.
Фиг.4. Вид на поперечное сечение лопастей по линии 4-4 фиг.3.
Фиг.5. Поперечное сечение предпочтительного исполнения центробежного дегазатора по данному изобретению.
Фиг.6. Вид на поперечное сечение переливной камеры, показанной на фиг.5, взятое по линии 6-6.
Фиг.7. Вид на поперечное сечение нижней камеры и лопасти предпочтительного исполнения, взятое по линии 7-7.
Фиг.8. Укрупненный вид дна лопаток и дна корпуса.
Фиг.9. Поперечное сечение предпочтительного исполнения центробежного дегазатора, включающего направляющие лопатки.
Подробное описание предпочтительного исполнения.
Дегазатор по данному изобретению конструктивно приспособлен к размещению в емкости бурового раствора 10, как показано на фиг.1. Дегазатор 12 включает корпус 14. Корпус 14 выполнен в форме пустотелого кольца и включает входную часть 16 и выгрузочную часть 18. Корпус 14 может изготавливаться из прочных материалов, таких, как сталь, высокопрочный пластик или чугун.
Вращающийся полый вал 20 размещен вдоль оси корпуса 14. Вращающийся вал 20 имеет ряд отверстий 22, выполненных с интервалами вдоль продольной оси вала 20.
К вращающемуся валу болтами прикреплено множество лопаток 24, имеющими возможность вращать суспензию внутри цилиндрического корпуса 14. Приводной двигатель 26 соединен с вращающимся валом 20 с возможностью вращения вала и лопаток 24, соединенных с ним, в направлении, указанном стрелкой 28. И вал, и лопатки изготавливаются из прочных материалов, таких, как сталь. Лопатки 24 обычно имеют прямоугольную форму, но могут также быть продолговатыми и иметь размеры в пределах 4-6 дюймов в ширину и 3-4 фута в длину.
Согласно фиг.2 с целью увеличения подачи суспензии в корпус 14 с вращающимся валом может быть дополнительно соединено лопастное колесо 30. Лопасти колеса 30 могут иметь плоскую лопаткообразную форму.
Имеется также конический растекатель потока 32, который соединен внутри с вращающимся валом и функционально связан с лопатками 24.
Во время работы центробежный дегазатор 12 заполняется суспензией 34, содержащей газовую среду, обозначенную на рисунке в виде газовых пузырьков 36. Газированная жидкость 34 поступает в дегазатор 12 через входную часть 16 самотеком. Двигатель 26 вращает лопастное колесо 30 и лопатки 24. Вращение лопастного колеса 30 увеличивает подачу газированной жидкости 34 в корпус 14. Когда суспензия поступает в корпус, она растекается по коническому растекателю 32 к внутренней стенке цилиндрического корпуса 38. Лопатки 24 вращаются с той же скоростью, что и лопастное колесо 30 посредством двигателя 26 и вынуждают суспензию 34 вращаться в направлении стрелки 28. Результатом этого вращательного движения является центробежное поле. Центробежная сила, действующая на суспензию, создает вихрь так, что суспензия течет кольцевым вращающимся слоем. Это поле сил вызывает разделение суспензии 34 на более тяжелую жидкостно-твердую часть, направляемую к стенке 38 корпуса 14, и газовую часть суспензии 34, вынуждая газовые пузырьки 36 выходить через отверстия 22 в полый вал 20. Газовые пузырьки затем выходят через полый вал в атмосферу. Возможны также утечки газа через центральную часть вихря за пределами полого вала. Поэтому может использоваться вакуумное устройство 40 для содействия высасыванию газовых пузырьков 36 в атмосферу. Жидкая фаза 42 выбрасывается через выгрузочную часть 18 в корпус 14 и в конце концов течет в емкость бурового раствора 10.
Донная перегородка 44 обеспечивает защиту отделенных газовых пузырьков 36 от столкновения с жидкой фазой 42 суспензии 34.
Представленный на фиг.3 центробежный дегазатор 12, аналогичен дегазатору, изображенному на фиг.2, но с тем отличием, что он включает направляющие лопатки 45 [в тексте ошибочно указана позиция 44, прим. переводчика]. Направляющие лопатки 45 соединены с дном корпуса 14 с целью преобразования вращательного движения дегазированного бурового раствора 42 в осевое движение. Это преобразование увеличит расход жидкости через корпус 14.
Фиг.4 - это разрез изображения на фиг.3 с целью показать соединение лопаток 24 с вращающимся валом 20 и их положение по отношению к цилиндрическому кольцевому корпусу 14. Кроме того фиг.4 показывает соотношение между направляющими лопатками 45 и узлом вала. Газовые пузырьки 36 показаны всплывающими к центру полого вала 20. Газовые пузырьки 36 радиально движутся к поверхности раствора в кольцевом пространстве из-за силы всплытия в центробежном поле и собираются в центре в виде свободного газа.
Предпочтительное исполнение центробежного дегазатора по данному изобретению иллюстрируется фиг.5-9. Фиг.5 - это поперечное сечение центробежного дегазатора 50, включающего цилиндрический пустотелый кольцевой корпус 52 со входом 54 и выходом 56. Как и у исполнения, показанного на фиг.1-4, предпочтительное исполнение также имеет вращающийся полый вал 58, приводимый во вращение двигателем 60 в направлении, указанном стрелкой 62. Полый вал 58 снабжен рядом отверстий 64. Отверстия 64 обеспечивают путь для выхода газовых пузырьков в атмосферу. Путь для выхода пузырьков существует также снаружи вала в центре вихря, создаваемого центробежным полем. Лопатки 66 соединены с вращающимся валом 58 для обеспечения вращательного движения газовых включений внутри корпуса 52. В предпочтительном исполнении лопатки 66 соединены фланцами 68 с вращающимся валом 58. Дегазатор 50 кроме того включает кольцевую переливную камеру 70, имеющую размер на 8-10 дюймов больше, чем диаметр цилиндра корпуса 14. Переливная камера 70 принимает дегазированный буровой раствор, имеющий вращательную скорость от действия вращательного движения лопаток 66. Эта вращательная скорость используется для ускорения сброса дегазированного раствора через выход 56.
В процессе работы центробежный дегазатор 50 принимает газированный буровой раствор 72 из емкости бурового раствора 74 и направляет его в корпус 52. Газированный буровой раствор 72 при этом вращается внутри корпуса под действием лопаток 66 так, что жидкая и твердая части суспензии движутся к внутренней стенке 76 корпуса 52, тогда как газовая фаза раствора 72 отделяется под действием центробежной силы и через проход в центре вращающегося вала 58 а также через проход в центре вихря снаружи вала отводится к отверстию 80 для выхода в атмосферу.
Буровой раствор 72, принимаемый дегазатором 50 через вход 54, содержит газ, то есть является текучим материалом, имеющим вовлеченные в течение газовые пузырьки. Вращающийся вал 58 имеет полый участок с рядом отверстий 64, позволяющим этим газовым пузырькам 78 выходить в атмосферу. Отверстия 64 предотвращают образование на входе 54 пробки из паровой фазы, которая накапливается у входа 54, если у вовлеченного газа нет выхода в атмосферу.
Брызгозащитные элементы 65 соединены с вращающимся валом 58 для предотвращения уноса текучего материала на выход газа 80. Брызгозащитные элементы 65 установлены на валу с образованием малых зазоров между переливной камерой 70 и валом 58 для прохода газа.
Донная перегородка 82 предотвращает обратный проход уже отделенных газовых пузырьков 78 назад в газированную суспензию 72.
Фиг.6 представляет собой разрез выше показанного дегазатора 50 по переливной камере 70, соединенной с выходной частью 56.
Фиг.7 иллюстрирует движение газовых пузырьков 78 в направлении вращающегося вала 58 и через отверстия 64 в валу 58.
Фиг.8 демонстрирует установку 50 без донной перегородки 82 так, что вал 58 и лопатки 66 подходят ко дну корпуса 52, используя, таким образом, дно корпуса для предотвращения утечек отсепарированных газовых пузырьков 78.
Так как раствор и газ вращаются под действием лезвий лопаток 66, то центробежная сила вызывает течение раствора 72 вместе с газом периферийном направлении, как в центробежном насосе. Высокая скорость течения бурового раствора имеет как радиальную, так и тангенциальную составляющие и существует выше перегородки 82, изображенной на фиг.5 в области лопаток 66. Вращающиеся лопатки поддерживают вращательное движение и формируют вихрь. Этот вихрь поддерживается по всей высоте корпуса и вызывает течение раствора вверх в форме кольцевого потока. Газовые пузырьки 78 будут продвигаться вдоль оси вращения благодаря большой силе всплытия, действующей в центробежном поле. Свободный газ 78 собирается в центре вихря и течет либо через отверстия 64, либо снаружи вала в центре вихря в атмосферу. Вакуумное устройство, показанное на фиг.1-4, может также быть в исполнении 50 для усиления извлечения газовых пузырьков 78 в атмосферу.
Фиг.9 показывает предпочтительное исполнение центробежного дегазатора по данному изобретению, показанное на фиг.5-8 дополнительно включающее рабочее колесо центробежного насоса 84, используемый так же, как лопастное колесо 30, показанное выше на фиг.3. Рабочее колесо 84 направляет газированный буровой раствор 72 из емкости бурового раствора 74 в корпус 52 для осуществления процесса дегазации. Рабочее колесо 84 соединено с вращающимся валом 52 посредством крепления к донной перегородке 82.
Лопатки 66 в комбинации с рабочим колесом 84 обеспечивают высокую вращательную скорость буровому раствору на входе в корпус, индуцируя не только вихрь, но и вращательное движение газированного бурового раствора 72 уже снаружи входного отверстия 54. Для ослабления влияния вращения рабочего колеса 84 и лопаток 66 на газированный буровой раствор 72 снаружи за пределами дегазатора 50 могут устанавливаться направляющие лопатки 86, обеспечивающие осевое движение газированного бурового раствора внутри корпуса 52 под действием рабочего колеса 84.
Другие разделы описания данного патента не переводятся, так как характерные признаки патентуемого устройства ясны из представленного перевода.