ГАЗОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ НАСОСНЫЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ)
GAS STABILISING PUMP UNIT (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение 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 (мультифазный осевой насос), 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 №2368812 С1, 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 диспергирования 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 предвключенного устройства. Кроме того, данное предвключенное устройство, как типичный представитель насосов осевого типа, устойчиво работает в диапазоне быстроходностей от 150 и выше и не может быть использовано с нефтяными ступенями низкой быстроходности.
Еще одним устройством такого же назначения является диспергатор лабиринтного типа [Ш.Р. Агеев, Е.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 диспергация потока смеси.
Недостатком этого устройства 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 заявляемому изобретению является газостабилизирующий насосный модуль, содержащий корпус с размещенным в нем валом с радиальной опорой, на котором закреплен диспергатор, выполненный в виде ступеней, состоящих из статоров-втулок и роторов-винтов, 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]. Описанный газостабилизирующий модуль принимает скважинную жидкость, 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 фиг. 3, приведенной в описании патента-прототипа, где подтверждена эффективность газостабилизирующего модуля при существенно низких для выбранной частоты 9000 об/мин газосодержаниях (0-25%). Кроме того, наличие единственной радиальной опоры вала модуля не обеспечивает его достаточную надежность при работе установки на повышенных частотах вращения вала.
Задачей настоящего изобретения является создание газостабилизирующего модуля, эффективно диспергирующего газожидкостную смесь в максимально широком диапазоне подач основных насосов, а также имеющего высокую надежность при работе в компоновке с высокооборотным добывающим насосом.
Указанный технический результат достигается тем, что в газостабилизирующем насосном модуле для обработки газожидкостной смеси, включающем корпус, вал с радиальной опорой, на котором закреплен диспергатор в виде пакета ступеней, состоящих из статоров-втулок и роторов-винтов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, и установленный перед диспергатором напорный блок, выполненный из пакета осевых ступеней, каждая из которых содержит помещенное в корпус рабочее колесо, выполненное в виде центральной втулки с расширяющимся по ходу движения жидкости диаметром и спиральных лопастей, навитых на втулку, и направляющий аппарат с закрепленными на центральной втулке с уменьшающимся по ходу движения жидкости диаметром лопатками, спрямляющими поток и запрессованными своей торцевой поверхностью в стакан направляющего аппарата, согласно изобретению внутренняя поверхность стакана направляющего аппарата и проставка рабочего колеса, формирующие наружную стенку проточного канала осевой ступени, выполнены цилиндрическими, внутри направляющих аппаратов установлены дополнительные опоры вала в виде радиального подшипника, размещенного в кольцевой проточке между центральной втулкой направляющего аппарата и ответной цилиндрической втулкой, закрепленной на валу, причем расстояние между дополнительными опорами вала подбирается таким, чтобы собственная частота колебаний вала с находящимися на нем рабочими колесами и роторами-винтами отличалась от его частоты вращения не менее чем на 20%.
Комбинирование в газостабилизирующем модуле 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.
Выполнение внутренней поверхности стакана направляющего аппарата и проставка рабочего колеса цилиндрическими обеспечивает осевое направление движения потока газожидкостной смеси в ступени, а также расширяет проточные каналы, что позволяет не только повысить максимальную подачу устройства, но и увеличить предельно допустимую концентрацию нерастворенного газа в перекачиваемой жидкости по сравнению с прототипом.
Важным условием безотказной работы предлагаемого модуля является оптимальное расположение радиальных опор вала внутри секции. Расстояние между промежуточными опорами рассчитывается с учетом жесткости вала, массы вала с рабочими колесами и частоты вращения вала таким образом, чтобы избежать резонансного увеличения амплитуды его колебаний, приводящего к разрушению опорных узлов модуля. Такое расстояние между опорами вала, при котором отличие частоты собственных колебаний закрепленного ротора от частоты его вращения составляет не менее 20%, является рациональным, т.к. обеспечивает безотказную работу устройства при минимально возможном числе промежуточных опор. Следует отметить, что данный принцип размещения опор может быть использован не только в газостабилизирующем насосном модуле, но и в любом многоступенчатом насосе, имеющем в своем составе вращающийся вал с роторами.
В первом варианте исполнения заявляемый газостабилизирующий насосный модуль может использоваться в составе обычной установки погружного добывающего оборудования, когда основные узлы расположены в скважине в следующем порядке снизу вверх: погружной электродвигатель, гидрозащита, входной модуль, газостабилизирующий насосный модуль и далее секции основного насоса, причем входной модуль может быть выполнен в одном корпусе с газостабилизирующим модулем. В этом варианте исполнения вал установки опирается на осевую пяту, расположенную в гидрозащите.
Во втором варианте исполнения нижний конец вала не выходит за пределы газостабилизирующего модуля, поэтому осевую опору вала размещают внутри него перед напорным блоком. Такой модуль предназначен для использования в составе установок перевернутого типа, в которых погружной электродвигатель находится в верхней части, далее сверху вниз идут гидрозащита, секции основного насоса, газостабилизатор и входной модуль, причем вход и выкид установки разобщены пакером.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема газостабилизирующего насосного модуля по первому варианту; на фиг. 2 - вид А, фиг. 1; на фиг. 3 - схема газостабилизирующего модуля по второму варианту; на фиг. 4 - вид В, фиг. 3.
Газостабилизирующий насосный модуль (фиг. 1, 3) содержит входной модуль 1, корпус 2, вал 3 с радиальной опорой 4, на котором закреплены два пакета ступеней разного типа: снизу осевые ступени 5, образующие напорный блок, а над ними лабиринтно-винтовые ступени 6, представляющие собой диспергирующий блок. Каждая из осевых ступеней 5 содержит помещенное в корпус рабочее колесо 7, выполненное в виде центральной втулки 8 с расширяющимся по ходу движения жидкости диаметром и спиральных лопастей 9, навитых на втулку 8 (фиг. 2), и направляющий аппарат 10 с закрепленными на центральной втулке 11 с уменьшающимся по ходу движения жидкости диаметром лопатками 12, спрямляющими поток и запрессованными своей торцевой поверхностью в стакан направляющего аппарата 13. Внутренняя поверхность стакана направляющего аппарата 13 и проставка рабочего колеса 14, формирующие наружную стенку проточного канала осевой ступени 5, выполнены цилиндрическими. Внутри направляющих аппаратов 10 установлены дополнительные опоры вала в виде радиального подшипника 15, размещенного в кольцевой проточке между центральной втулкой 11 направляющего аппарата 10 и ответной цилиндрической втулкой 16, закрепленной на валу 3. Каждая из лабиринтно-винтовых ступеней 6 содержит статоры-втулки 17 и закрепленные на валу 3 роторы-винты 18, имеющие на поверхностях сопряжения выступы и впадины (фиг. 1, 3). Дополнительные опоры 15 вала размещены на расстоянии друг от друга с возможностью обеспечения частоты собственных колебаний вала 3 с насаженными на него рабочими колесами 7 и роторами-винтами 18 на уровне, отличающемся от частоты его вращения не менее чем на 20%. Такой принцип расположения радиальных опор вала определяется расчетным путем и позволяет избежать нежелательных резонансов, приводящих к разрушению узлов установки во время ее работы. В верхней части устройства установлен узел отвода 19, соединяющий газостабилизирующий модуль, выполненный по любому из двух вариантов, с основным насосом.
В первом варианте исполнения в газостабилизирующем модуле выполнен сквозной вал 3, соединяющийся с помощью шлицевых муфт с валами соседних узлов установки - гидрозащиты (снизу) и секции основного насоса (сверху) (фиг. 1). Во втором варианте исполнения нижний конец вала 3 не выходит за пределы газостабилизирующего модуля, поэтому снабжен осевой опорой 20 в виде осевого подшипника, установленного в нижней части модуля перед пакетом осевых ступеней 5 для восприятия осевой нагрузки (фиг. 3, 4).
Заявляемый насосный модуль работает следующим образом.
Газожидкостная смесь через входной модуль 1 поступает в осевое рабочее колесо 7 напорного блока. Осевое направление потока, обеспечиваемое формой меридианного сечения проточного канала ступени, а также спиральная форма лопастей 9 осевых рабочих колес позволяют избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырей, что исключает возможность возникновения неподвижных газовых пробок и срыва подачи. В результате повышения давления объем газа уменьшается, происходит увеличение его упругости и измельчение газовых пузырьков, что повышает устойчивость работы следующей ступени. Далее поток поступает в направляющий аппарат 10, где происходит дополнительная диспергация газожидкостной смеси на входных кромках лопаток 12. Кроме того, неподвижные лопатки 12 направляющего аппарата 10 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 на ступени диспергирующего блока, где подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами статоров-втулок 17 и роторов-винтов 18, 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 19 попадает на прием погружного насоса, не оказывая негативного влияния на его работу.
Наличие промежуточных радиальных опор 15 вала 3 и подбор оптимального расстояния между ними позволяет эксплуатировать заявляемый модуль на высоких частотах вращения вала, избежав износа и разрушения его узлов за счет подбора оптимального расстояния между опорами.
Таким образом, заявляемые конструкции газостабилизирующего насосного модуля существенно расширяют рабочий диапазон подач, в котором обеспечивается устойчивая работа основного насоса, позволяют увеличить входное предельное содержание нерастворенного газа, а также обеспечить безотказную работу устройства на высокой частоте вращения вала как в установках обычной компоновки, так и в установках перевернутого типа.