ПРЕДВКЛЮЧЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ

Предлагаемая полезная модель относится к насосостроению, в частности к бессепарационным предвключенным устройствам для многоступенчатых погружных насосов, и может использоваться для обеспечения устойчивой работы насоса при подъеме из скважин водонефтяных смесей с высоким содержанием нерастворенного газа.
Известна конструкция предвключенного устройства, содержащего цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом осевых ступеней, каждая из которых состоит из рабочего колеса, имеющего втулку с одной-четырьмя спиральными лопастями переменного шага, и направляющего аппарата с лопастями двойной кривизны (патент РФ №2368812С1, МПК F04D 13/10, опубл. 27.09.2009). Конфигурация лопастей обеспечивает течение потока с минимальной завихренностью в максимально широком диапазоне подач. За счет сжатия и частичного диснергирования газожидкостной смеси такое предвключенное устройство обеспечивает устойчивую работу основного центробежного насоса.
Недостатком данной конструкции является существенное снижение напора, развиваемого устройством при высокой концентрации газа, что вызывает необходимость применения большого числа осевых ступеней, значительно увеличивающих длину и, соответственно, себестоимость пред включенного устройства.
Известна модификация предвключенного мультифазного устройства, состоящего из осевых ступеней, рабочие колеса которых имеют сквозные щелевые отверстия, выполненные по краю входной кромки лопасти (патент РФ №242858801. MПК F04D 13/10, опубл. 10.09.2011). Отверстия на лопастях рабочего колеса измельчают газовые пузыри, попадающие в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью и дополнительно турбулизируют ноток, обеспечивая увеличение напора при высоком газосодержании и более устойчивую работу погружного насоса. По сравнению с мультифазным осевым насосом без отверстий, такое предвключенное устройство устойчиво работает на газожидкостных смесях с большим содержанием нерастворенного газа, поэтому при одинаковой концентрации газа будет состоять из меньшего числа ступеней. Например, для устойчивой работы на смеси, содержащей 45% свободного газа, в 5А габарите вместо 13 обычных осевых ступени с общей длиной 2.0 м, потребуется 9 осевых ступеней с отверстиями (общая длина 1.8 м). Таким образом, использование осевых рабочих колес с отверстиями па лопастях уменьшает необходимое количество ступеней в устройстве, по его общая длина и себестоимость остаются высокими.
Кроме того, данное предвключенное устройство, как типичный представитель насосов осевого типа, устойчиво работает в диапазоне быстроходностей от 150 и выше, что соответствует средним и большим подачам жидкости при частоте вращения вала 2910 об/мин.
Альтернативой описанной конструкции является предвключепное устройство, представляющее собой диспергатор лабиринтного типа (Ш.Р. Агеев, Б.Е. Григорян, Г.П. Макиенко. "Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение". Энциклопедический справочник. Пермь, ООО «Прогресс-Мастер», 2007, стр.288-290). Рабочими органами такого диспергатора являются статоры-втулки и расположенные внутри роторы-винты. На поверхностях сопряжения статоров и роторов выполнены выступы и впадины в виде нарезок специального профиля. Передача энергии от ротора-винта к жидкости происходит в результате обмена количествами движения жидкости, обтекающей винт-ротор, с жидкостью, обтекающей втулку-статор. Жидкость располагается в ячейках, ограниченных с одной стороны двумя нарезками ротора, и с другой - двумя нарезками статора. Положение выступов нарезок ротора и статора непрерывно изменяется, поэтому возникают значительные градиенты скорости потока газожидкостной смеси, проходящей через такие рабочие органы, и, следовательно, интенсивная диснергания потока смеси.
Недостатком подобных устройств является низкая пропускная способность, обусловленная самой конструкцией ступеней (ступени выполнены по типу лабиринтного уплотнения), поэтому такие диспергаторы являются гидродинамическим сопротивлением для системы на больших подачах.
Таким образом, если мультифазные осевые насосы обеспечивают устойчивую работу основного насоса на средних и больших подачах, то диспергаторы лабиринтного типа - только на малых подачах.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является предвключенное устройство погружного насоса в виде газостабилизирующего модуля насоса, содержащего диспергатор, выполненный в виде ступеней, состоящих из статоров-втулок и роторов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, причем перед диспергатором установлен напорный блок, выполненный из пакета осевых ступеней (патент РФ на полезную модель №74976, МПК F04D 13/08, F04D 31/00, опубл. 20.07.2008 г.). Описанный газостабилизирующий модуль принимает скважинную жидкость, компрессирует ее в напорном блоке, удаляя нежелательные включения газообразной фазы, и, кроме того, диспергирует (дробит) газовые пузыри, создавая тем самым мультифазную среду, более благоприятную для работы центробежного насоса, чем пластовая жидкость без обработки. Использование этого модуля в составе установки перед центробежным насосом позволяет увеличить напор установки и расширить допустимый диапазон ее работы по газосодержанию.
Недостатком описанной полезной модели является незначительная степень диспергации газожидкостной смеси в описанном модуле, что демонстрируется данными графика на фиг. 3, подтверждающими эффективность газостабилизирующего модуля при существенно низких для выбранной частоты 9000 об/мин газосодержаниях (0-25%).
Задачей настоящей полезной модели является создание предвключенного устройства, эффективно диспергирующего газожидкостную смесь и обеспечивающего положительный напор в максимально широком диапазоне подач основных насосов.
Указанный технический результат достигается тем, что в предвключенном устройстве для обработки газожидкостной смеси, включающем диспергатор в виде пакета ступеней, состоящих из статоров-втулок и роторов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, и установленный перед диспергатором напорный блок, выполненный из пакета осевых ступеней, каждая из которых содержит рабочее колесо со спиральными лопастями, и направляющий аппарат, согласно полезной модели, вдоль входной кромки спиральных лопастей рабочих колес выполнены сквозные отверстия, обеспечивающие дополнительную диспергацию газожидкостной смеси.
Наличие сквозных отверстий вдоль входной кромки спиральных лопастей обеспечивает эффективную дисперганию газожидкостной смеси, что создает напор в максимально широком диапазоне подач основных насосов в заданном габарите.
Комбинирование в предвключенном устройстве ступеней разного типа позволяет совместить преимущество диспергаторов лабиринтного типа на малых подачах с преимуществом мультифазных осевых устройств на средних и больших подачах, перекрыв, таким образом, одним устройством максимально широкий диапазон подач, включающий в себя малые, средние и большие подачи насосов заданного габарита.
Длина напорного блока выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую максимальную подачу устройства, длина пакета лабиринтных ступеней - такой, чтобы диспергировать газожидкостную смесь. Признаком успешной работы заявляемого устройства является напор, создаваемый устройством в широком диапазоне подач при перекачивании газожидкостной смеси.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом устройства (фиг. 1) и общим видом рабочего колеса с диспергирующими отверстиями (фиг. 2), входящего в состав осевой ступени напорной секции.
Предвключенное диспергирующее устройство (фиг. 1) содержит узел подвода жидкости 1, последовательно расположенные на валу 2 осевые ступени, состоящие из рабочих колес 3 осевого типа и направляющих аппаратов 4, представляющие собой напорный блок. Над напорным блоком на валу 2 размещен пакет ступеней диспергатора лабиринтного типа, состоящих из статоров-втулок 5 и роторов-винтов 6, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины. В верхней части устройства установлен узел отвода 7, соединяющий предвключенное устройство с насосом. Рабочие колеса 3 имеют спиральные лопасти 8, на входных кромках которых выполнены сквозные отверстия 9 для дополнительной диспергации потока смеси (фиг. 2).
Заявляемое предвключенное устройство работает следующим образом. Газожидкостная смесь через узел подвода 1 поступает в рабочее колесо 3 напорного блока, сжимается и диспергируется в каждой из его осевых ступеней. В результате объем газа уменьшается, происходит увеличение его упругости и измельчение газовых пузырьков, что повышает устойчивость работы следующей ступени. Спиральная форма лопастей 8 осевых ступеней позволяет избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырьков, что исключает возможность образования неподвижных газовых пробок и срыва подачи. Наличие отверстий 9 на лопастях 8 рабочего колеса 3 способствует дополнительному измельчению газовых пузырьков, попадающих в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью. Далее поток поступает в направляющий аппарат 4, 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.
После прохождения через напорный блок газожидкостная смесь под давлением подается па ступени диспергатора, где подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами статоров-втулок 5 и роторов-винтов 6, 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 через узел отвода 7 попадает на прием погружного насоса, не оказывая негативного влияния на его работу.
Предлагаемая конструкция предвключенного устройства позволяет существенно расширить рабочий диапазон подач, в котором устройство обеспечивает устойчивую работу основного насоса, а также увеличить входное предельное содержание нерастворенного газа.