НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
PUMP FOR PUMPING GAS-LIQUID MIXTURE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к оборудованию для добычи нефти с высокой концентрацией газа, и может быть использовано для поверхностной перекачки или скважинной добычи газожидкостной смеси.
Известен лопастной насос для перекачивания смеси со свободным газом, который состоит из двух пакетов ступеней рабочих колес и направляющих аппаратов различного вида [патент №2471089 РФ, МПК F04D 1/06, 13/10, 31/00, опубл. 27.12.2012]. В первом пакете ступеней направляющие аппараты на внутренней поверхности корпуса имеют дополнительные лопасти, а во втором пакете используются направляющие аппараты с гладкой внутренней поверхностью корпуса. При этом лопасти на внутренней поверхности корпуса направляющего аппарата в первом пакете лишь локально уменьшают гидравлические потери в зоне перехода рабочее колесо-направляющий аппарат и не оказывают необходимого влияния на течение газожидкостной смеси в проточных каналах рабочего колеса и направляющего аппарата, чтобы существенно увеличить предельное газосодержание в смеси при работе такого насоса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является многоступенчатый «конический» лопастной насос для перекачивания газожидкостной смеси [патент №2548327 РФ, МПК F04D 13/10, F04D 31/00, опубл. 20.04.2015], который состоит из корпуса, внутри которого последовательно размещены пакеты ступеней различного типа, содержащие направляющие аппараты и рабочие колеса, насаженные на вал и вращающиеся вместе с ним. Первым на входе в насос размещают напорный блок из осевых ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат и рабочее колесо со спиральными лопастями, следующим идет диспергирующий блок, состоящий из статоров-втулок и роторов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, далее следуют пакет переходных ступеней и пакеты со ступенями основного насоса центробежного типа, при этом ширина проточных каналов переходных ступеней близка к ширине проточных каналов ступеней основного насоса.
вх
Газожидкостная смесь с низкой концентрацией свободного газа способствует созданию условий для более устойчивого режима работы «конического» насоса из-за того, что ступени большей производительности пропускают относительно большие объемы нерастворенного газа, постепенно сжимая его и подавая на следующий пакет меньшей производительности. Давление, развиваемое первыми ступенями насоса, много меньше Р из-за того, что они не могут сжимать газ в условиях 30-50 атм на входе (скважинные условия). Каждая следующая ступень в насосе положительно влияет на давление, создаваемое ей, только после того как газожидкостная смесь становится достаточно квазиоднородной.
Поэтому низкая диспергация смеси и низкий напор при перекачивании газожидкостной смеси с высоким содержанием газа являются основными недостатками описанного насоса.
Задачей предлагаемого изобретения является создание погружного насоса для перекачки газожидкостных смесей, способного эффективно работать и развивать высокий напор в широком диапазоне концентраций нерастворенного газа в смеси.
Поставленная цель достигается тем, что в насосе для перекачивания газожидкостной смеси, состоящим из корпуса, внутри которого размещены напорный блок из осевых ступеней, диспергирующий блок из статоров-втулок и роторов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, пакет переходных ступеней центробежного типа и пакеты со ступенями основного насоса центробежного типа, состоящие из направляющих аппаратов и рабочих колес, насаженных на вал и вращающихся вместе с ним, согласно изобретению, между напорным блоком и диспергирующим блоком установлен пакет с диагональными ступенями, содержащими направляющие аппараты и рабочие колеса с диспергирующими отверстиями на кромках лопастей, а в переходных ступенях сформированы проточные каналы, ширина которых превышает ширину проточных каналов ступеней основного насоса.
Кроме того, рабочие колеса в пакете осевых ступеней могут быть выполнены с диспергирующими отверстиями в спиральных лопастях.
Установка дополнительного пакета с диагональными ступенями, содержащими рабочие колеса, снабженные диспергирующими отверстиями на кромках лопастей, дает возможность улучшить диспергацию смеси и увеличить давления перекачиваемой жидкости при незначительном (по сравнению с применением осевых ступеней) увеличении монтажной величины.
Формирование в переходных ступенях проточных каналов, ширина которых превышает ширину проточных каналов ступеней основного насоса, позволяет избежать возможный срыв подачи при переходе из одного блока в другой.
Для достижения устойчивой работы ступеней на газожидкостной смеси необходимо учитывать, что существует связь между уровнем дисперсности газожидкостной смеси и шириной проточного канала в ступени - чем уже канал, тем выше должна быть степень дисперсности поступающей смеси. Поэтому использование пяти различных блоков ступеней: напорного, напорно-диспергирующего, диспергирующего, переходного и основного, размещенных в указанном порядке с уменьшением ширины проточных каналов (максимально широкие каналы в ступенях осевого типа переходят в узкие каналы ступеней основного центробежного насоса), позволяет последовательно в каждом следующем пакете ступеней увеличивать степень диспергации газожидкостной смеси. При этом достигаемый уровень дисперсности способствует устойчивой работе насоса за счет повышения давления во всех его ступенях.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом насоса. Насос для перекачки газожидкостной смеси содержит последовательно расположенные пакеты ступеней различных типов, насаженные на вал 1 с возможностью вращения. На входе в насос размещен пакет I осевых ступеней, состоящий из рабочих колес 2 и направляющих аппаратов 3 осевого типа, представляющий собой напорный блок. Рабочие колеса 2 имеют спиральные лопасти, на входных кромках которых могут быть выполнены сквозные отверстия для предварительной диспергации потока смеси, как описано в патенте РФ №2428588. Над напорным блоком размещен следующий пакет II - напорно-диспергирующий блок в виде диагональных ступеней, состоящих из рабочих колес 4 с диспергирующими отверстиями на кромках лопастей и направляющих аппаратов 5 диагонального типа. Над напорно-диспергирующим блоком размещен следующий пакет III - диспергирующий блок в виде ступеней, состоящих из роторов-винтов 6 и статоров-втулок 7, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины. За счет более узких проточных каналов в ступенях диспергирующего блока достигается более мелкая диспергация газовых пузырьков в смеси. Далее размещен пакет IV переходных ступеней, в качестве которых могут использоваться ступени центробежного типа из рабочих колес 8 и направляющих аппаратов 9. За ним следует пакет V ступеней основного насоса центробежного типа, состоящий из рабочих колес 10 и направляющих аппаратов 11, имеющих ширину каналов меньше, чем у переходных ступеней.
Насос работает следующим образом.
Газожидкостная смесь через узел подвода поступает в напорный блок из осевых ступеней, пакет I, где начинается ее сжатие и диспергирование в каждой следующей осевой ступени, при этом устойчивость работы каждой следующей ступени повышается в результате уменьшения объема свободного газа в смеси и измельчения газовых пузырьков. Спиральная форма лопастей рабочих колес осевых ступеней позволяет избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырьков, что исключает возможность образования неподвижных газовых пробок и срыва подачи. Наличие отверстий на лопастях рабочего колеса 2 способствует дополнительному измельчению газовых пузырьков, попадающих в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью. С рабочего колеса 2 поток поступает в направляющий аппарат 3, где за счет профиля неподвижных лопастей минимизируются потери энергии на их обтекание и закрутка потока перед входом в следующую ступень, конструкция которой полностью повторяет предыдущую.
Затем газожидкостная смесь под давлением поступает на диагональные ступени напорно-диспергирующего блока II, где также происходит измельчение пузырьков газа за счет работы лопастей с диспергирующими отверстиями и уменьшается объемное содержание газа в смеси, так как под давлением газ начинает сжиматься, при этом в каждой ступени блока увеличивается давление. Диагональные ступени по сравнению с осевыми создают большее давление, имеют меньшую монтажную высоту и меньшую стоимость.
После прохождения через напорно-диспергирующий блок газожидкостная смесь под давлением подается на ступени диспергирующего блока III, где подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами роторов-винтов 4 и статоров-втулок 5, происходит дополнительное повышение давления в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размера газовых пузырьков, а также к уменьшению объемного содержания газа в смеси.
Далее смесь с измельченными газовыми пузырьками поступает в пакет IV переходных ступеней, где на кромках рабочего колеса 8 продолжает диспергироваться до уровня, необходимого для удовлетворительной работы основного насоса. В результате в ступени основного насоса, пакет V, имеющие более узкие проточные каналы, поступает хорошо диспергированная однородная газожидкостная смесь, обеспечивающая устойчивую работу и повышение давления в каждой ступени основного насоса.
Преимущество предлагаемой конструкции перед прототипом заключается в повышении эффективности и увеличении давления, создаваемым насосом, в широком диапазоне концентраций нерастворенного газа в смеси за счет нового блока из диагональных ступеней и исключения срыва подачи при переходе из одного блока в другой.