ПОГРУЖНОЙ МУЛЬТИФАЗНЫЙ НАСОС
SUBMERGED MULTI-PHASE PUMP

Изобретение относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым осевым насосам, и может быть использовано для подъема из скважин водонефтяных смесей с высоким содержанием нерастворенного газа.
Известны конструкции многоступенчатых погружных центробежных насосов для добычи нефти, содержащие цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом ступеней, каждая из которых состоит из центробежного рабочего колеса и направляющего аппарата (Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение: Энциклопедический справочник. Пермь: ООО«Пресс-Мастер», 2007, с.75, рис.2.8,а).
Однако эти конструкции плохо работают при добыче жидкостей, содержащих большое количество нерастворенного газа. Для них характерно существенное снижение напора и срыв работы при объемной концентрации газа свыше 20-25% в слабообводненной и 10-15% в высокообводненной нефти.
Наиболее близким по конструкции и достигаемому результату к заявляемому является погружной мультифазный насос, содержащий последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из направляющего аппарата с лопатками и рабочего колеса, имеющего одну или несколько спиральных лопастей, размещенных на втулке и ограниченных входными и выходными кромками (RU 2368812 С1, 27.09.2009).
Недостатком данной конструкции является существенное снижение напора насоса на малых подачах при концентрации газа 40 об.% и выше при давлении на входе в насос 1-2 атм. Наиболее вероятным механизмом падения напора является образование крупных газовых пузырей, полностью перекрывающих проточные каналы хотя бы одного рабочего колеса.
Задачей настоящего изобретения является создание многоступенчатого мультифазного осевого насоса с расширенным в область малых подач и больших концентраций газа диапазоном устойчивой работы.
В предлагаемом погружном мультифазном насосе, содержащем последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из направляющего аппарата с лопатками и рабочего колеса, имеющего одну или несколько спиральных лопастей, размещенных на втулке и ограниченных входными и выходными кромками, согласно изобретению по краю входной кромки выполнены сквозные отверстия. Отверстия могут быть выполнены круглой или вытянутой формы с соотношением линейных размеров, равным 1-5. Целесообразно отверстия располагать у втулки таким образом, чтобы расстояние от бокового торца лопасти до стенки ближайшего отверстия составляло не менее 1/4 ширины проточного канала в радиальном направлении. Отверстия могут быть расположены, по меньшей мере, в один или несколько рядов относительно входной кромки. Отверстия вытянутой формы могут быть ориентированы длинной осью параллельно или перпендикулярно либо под углом к входной кромке лопасти. Отверстия в соседних рядах могут быть расположены напротив друг друга или со сдвигом.
Наличие отверстий на лопастях рабочего колеса позволяет измельчать газовые пузыри, попадающие в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью, а также дополнительно турбулизировать поток, что гарантирует устойчивую работу погружного насоса.
Сущность предлагаемого погружного мультифазного насоса поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено рабочее колесо погружного мультифазного насоса в аксонометрии, а на фиг.2 представлены напорные характеристики мультифазного насоса по патенту RU 2368812 С1 (сплошная линия) и мультифазного насоса предлагаемой конструкции (пунктирная линия) при газосодержаниях 0%, 30%, 40%, 55% и давлении на входе 1-2 атм.
Рабочее колесо имеет втулку 1, на которой размещены спиральные лопасти 2. Вдоль входной кромки 3 выполнены сквозные отверстия 4, расположенные в ряд и ориентированные вдоль бокового торца 5 лопасти 2. Число рядов отверстий 4 может быть увеличено в зависимости от осевой длины спиральной лопасти. В связи с тем, что при вращении пластовой жидкости газовые пузырьки под действием центробежной силы прижимаются к втулке 1, то и отверстия размещают ближе к ней так, чтобы расстояние от бокового торца лопасти 5 до стенки ближайшего отверстия 4 составляло не менее 1/4 высоты Н лопасти 2. Форма отверстий 4 может быть удлиненной с соотношением линейных размеров до 5.
Погружной мультифазный насос работает следующим образом. Попадающая в насос газожидкостная смесь поступает в рабочее колесо, приобретает энергию за счет закрутки вращающимися лопастями 2, проходя при этом через отверстия 4, где происходит измельчение газовых пузырей и дополнительная турбулизация потока. Таким образом снижается вероятность образования неподвижных газовых пробок, а значит, резкого падения напора. Далее закрученный поток поступает в направляющий аппарат, неподвижные лопасти которого спрофилированы так, чтобы минимизировать потери энергии на их обтекание и одновременно максимально погасить закрутку потока перед входом в следующую ступень, конструкция которой полностью повторяет предыдущую.
Предлагаемый погружной мультифазный насос обеспечивает следующие преимущества:
- устойчивую работу погружной установки при содержании нерастворенного газа выше 40% и давлении на входе 1-2 атм (см фиг.2);
- экономию электроэнергии при добыче нефти за счет газлифтэффекта в насосно-компрессорных трубах;
- повышение надежности установки при перекачивании газожидкостных смесей, содержащих абразивные частицы, за счет исключения из комплектации газосепаратора, который при работе в абразивной среде подвержен перерезанию (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; 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).
Данный мультифазный насос может использоваться в качестве предвключенного, перед основным центробежным насосом, для обеспечения его устойчивой работы за счет сжатия, измельчения газовых пузырей и их прокачивания через основной насос.