Погружная установка лопастного насоса со скважинным сепаратором механических примесей - укрупнителем газовой фазы

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при добыче нефти из скважин с высоким содержанием свободного газа и абразивных частиц посредством установок электроцентробежных насосов.
Известно из патента RU 114720 устройство для очистки скважинной жидкости, содержащее цилиндрический корпус с входными отверстиями, размещенные в верхней части корпуса сепарирующий узел в виде полого шнека с профилированной спиралью и патрубок для отвода жидкости, размещенную в нижней части корпуса вихревую камеру и присоединенный к нижней части корпуса отстойник для сбора механических примесей. В верхней части вихревой камеры выполнена коническая расточка, в которой размещена профилированная спираль полого шнека с выполненной ответной конической наружной поверхностью, и наружная поверхность профилированной спирали имеет спиральную поверхность контакта с поверхностью конической расточки, образуя спиральный канал, сообщающий входные отверстия с полостью усеченного конуса вихревой камеры, а площадь сечения спирального канала уменьшается в направлении к его нижней части.
Недостатками известного устройства для очистки флюида являются низкая эффективность из-за того, что твердые частицы на выходе из шнека имеют радиальную составляющую скорости от периферии к центру вследствие того, что спиральный канал между шнеком и корпусом имеет коническую форму. Для эффективной сепарации следует устранить конусность шнека.
Наиболее близким аналогом к заявляемой конструкции является скважинный газопесочный сепаратор из патента RU 2529978, содержащий цилиндрический корпус с входными отверстиями, в верхней части которого концентрично установлен цилиндрический патрубок, содержащий сепарирующий узел в виде полого шнека с профилированной спиралью, спиральный канал, сообщающий входные отверстия с полостью усеченного конуса, вихревую камеру в виде полого усеченного конуса, концентрично установленную в нижней части корпуса под патрубком с сепарирующим узлом, и присоединенный к нижней части корпуса отстойник для сбора механических примесей. Профилированная спираль полого шнека выполнена двухзаходной, а наружная поверхность профилированной двухзаходной спирали имеет спиральную поверхность контакта с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, образуя двухзаходный спиральный канал, сообщающий входные отверстия с внутренней полостью корпуса выше вихревой камеры, при этом профилированная двухзаходная спираль расположена на полом шнеке ниже входных отверстий в корпусе сепаратора на расстоянии, превышающем один наружный диаметр шнека, а на цилиндрическом корпусе выше входных отверстий установлен герметизирующий элемент, перекрывающий затрубное пространство, при этом геометрические размеры спиральных каналов и вихревой камеры подобраны в зависимости от дебита скважины и подачи применяемого скважинного насоса.
Недостатками наиболее близкого аналога являются низкая эффективность из-за больших гидравлических потерь в длинном канале между входными отверстиями в корпусе и входом в шнек, высокая себестоимость из-за большой длины. Также в подводящем канале отсутствует предварительная сепарация твердых частиц.
В тонкостенной трубе сложно сделать отверстия, направляющие поток по радиусу и (или) по спирали в лопастную решетку шнека.
Технической проблемой полезной модели является создание скважинного сепаратора механических примесей - укрупнителя газовой фазы, в процессе работы которого снижаются гидравлические потери, осуществляется предварительная сепарация.
Обеспечивается снижение мощности и энергопотребления при работе установке с меньшим содержанием свободного газа на входе.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и эффективности работы установки лопастного насоса со скважинным сепаратором механических примесей - укрупнителем газовой фазы за счет сепарации части свободного газа и механических примесей, абразивных частиц до входа в насос, снижение энергопотребления и себестоимости.
Заявленный технический результат достигается за счёт того, что в погружной установке лопастного насоса со скважинным сепаратором механических примесей - укрупнителем газовой фазы, содержащей лопастной насос с входными отверстиями, погружной двигатель, в нижней части которого установлен скважинный сепаратор механических примесей - укрупнитель газовой фазы, содержащий корпус разделителя, установленный на нем разделитель, вход в сепаратор механических примесей изготовлен ниже, а выход из сепаратора и вход в лопастной насос – выше разделителя, муфту, которая соединяет корпус разделителя и цилиндрический корпус, внутри которого соосно с образованием кольцевого канала, установлен полый цилиндрический патрубок, в нижней части которого установлен полый шнек, отводящий канал, образованный внутренними диаметрами полого шнека и полого цилиндрического патрубка, спиральный канал, образованный между лопастями шнека и внутренним диаметром корпуса, присоединенную к нижней части корпуса цилиндрическую вихревую камеру с конусообразной частью внизу, к которой присоединен отстойник для сбора механических примесей,  цилиндрические корпус и патрубок с полым шнеком установлены в муфте, между внутренним диаметром муфты и наружным диаметром полого цилиндрического патрубка образован кольцевой канал в муфте, который соединен с кольцевым каналом между внутренним диаметром цилиндрического корпуса и наружным диаметром полого цилиндрического патрубка, входные каналы, соединяющие затрубное пространство с кольцевым каналом муфты, изготовлены в муфте таким образом, что расстояние между входными каналами и шнеком составляет не более одного диаметра шнека, площадь проточной части входных каналов более, чем на двадцать процентов превышает площадь проточной части каналов шнека, при этом толщина лопастей полого шнека составляет от двух до восьми миллиметров, количество лопастей полого шнека – от одного до пяти, проточная часть сепаратора, состоящая из муфты, цилиндрического корпуса и отстойника для сбора механических примесей герметична, соединяется с затрубным пространством только посредством входных каналов.
Входные каналы направлены под углом к плоскости горизонта.
Входные каналы направлены под углом к плоскости горизонта, или (и) к плоскости, проходящей через ось муфты, направляя входящий поток по спирали.
Лопасти полого шнека имеют винтообразную поверхность переменного хода.
Сверху и снизу разделительного элемента установлены защитные центраторы, предотвращающие повреждение разделительного элемента при спуске и подъеме сепаратора.
В отводящем канале установлен отводящий шнек.
Перед входными отверстиями насоса установлен гравитационный сепаратор.
Заявленный технический результат поясняется следующим образом.
В толстостенной муфте, в отличие от тонкостенного корпуса, можно сделать входной канал (каналы), направляющий поток по радиусу и (или) спирали за счет этого осуществляется предварительная сепарация, образуются области с повышенной концентрацией газа и механических примесей. Дискретные частицы объединяются, увеличивается их диаметр. За счет этого происходит более эффективная сепарация газа и механических примесей в шнеке.
Вследствие входа потока в лопасти шнека с оптимальным углом атаки устраняется или, по крайней мере, существенно снижается диспергирование, перемешивание жидкой, газообразной и твердой фаз. Эти процессы снижают эффективность разделения фаз и очистки пластовой жидкости от механических примесей. При входе потока в лопасти шнека с оптимальным углом атаки происходит более эффективное разделение фаз, скважинная жидкость подводится к насосу с большим средним диаметром пузырьков свободного газа. Поэтому увеличивается эффективность сепарации на входе в насос, меньше свободного газа и механических примесей, абразивных частиц вместе со скважинной жидкостью поступает на вход в насосную установку, что приводит к увеличению эффективности и надежности ее работы.
Герметичность проточной части сепаратора, состоящей из муфты, корпуса и контейнера необходима, что бы создать перепад давления на входе и выходе из шнека, который может достигать несколько десятков метров. За счет перепада давления возникает тангенциальная скорость и центробежное ускорение, необходимые для сепарации. При отсутствии герметичности, например, в контейнере  пластовая жидкость будет поступать из затрубного пространства подниматься в насос, снижая расход и скорость в шнеке, эффективность сепарации.
Входные каналы в сепаратор сделать сложнее, чем шнек, их проточная часть менее совершенна. Чтобы заметно снизить гидравлические потери, которые зависят от скорости в квадрате, нужно сделать площадь проточной части входных каналов более чем на двадцать процентов больше площади проточной части каналов шнека. Скорость определяется отношением расхода к площади. При увеличении площади каналов, соответственно снизятся гидравлические потери.
Если лопасти шнека имеют винтообразную поверхность переменного хода, это позволит сделать вход потока в шнек с оптимальным углом атаки на разных режимах течения потока. За счет этого снизить гидравлические потери и диспергирование мультифазного потока.
Число лопастей в шнеке определяется расходом, для меньших значений расхода предпочтительно выбирать шнеки с меньшим числом лопастей.
Толщина лопастей шнека определяется исходя из перепада давления и соответственно скорости мультифазного потока входе в шнек. Перепад давления зависит от степени универсальности сепаратора. Сепараторы на несколько диапазонов подач имеют большие перепады и соответственно скорости потока на входе, и должны иметь большую толщину лопастей шнека.
Сверху и снизу разделительного, герметизирующего элемента установлены защитные центраторы, которые предотвращают повреждение разделительного, герметизирующего элемента при спуске и подъеме сепаратора.
На входе в отводящий канал установлен отводящий шнек, который обеспечивает дополнительное вращение потока и укрупнение пузырьков свободного газа при движении скважинной жидкости вверх.
Если в варианте конструктивного исполнения перед входными отверстиями насоса установлен гравитационный сепаратор, например, чашечного типа, то часть пузырей, укрупненных ранее в сепараторе-укрупнителе, пройдет мимо входа во входной модуль насоса или газосепаратора. При этом снизится содержание свободного газа и повысится эффективность и надежность работы установки.
После выхода из сепаратора механических примесей, укрупнителя газовой фазы, поток может заходить в насос или газосепаратор, установленный на входе в насос. При этом, чем крупнее пузырьки газа, тем большее его количество будет проходить мимо входа в насос или газосепаратор.
На фигурах 1-4 показаны:
фиг.1 – общий вид установки с сепаратором-укрупнителем;
фиг.2 – общий вид сепаратора-укрупнителя;
фиг.3 – муфта с каналами;
фиг.4 – общий вид сепаратора-укрупнителя с отводящим шнеком.
На фигурах 1-4 позициями обозначены:
1. Погружной двигатель.
2. Лопастной насос.
3. Входные отверстия насоса.
4. Насосно-компрессорные трубы.
5. Корпус разделителя.
6. Разделитель.
7. Центраторы.
8. Муфта.
9. Цилиндрический корпус сепаратора.
10.  Полый цилиндрический патрубок.
11. Кольцевой канал.
12. Входной канал десендера.
13. Кольцевой канал в муфте.
14. Полый шнек.
15. Спиральный канал в шнеке.
16. Вихревая камера.
17. Конусообразная часть вихревой камеры.
18. Отстойник для механических примесей.
19. Отводящий шнек.
20. Выходные отверстия десендера.
21. Отводящий канал.
22. Гравитационный сепаратор.
Погружная установка лопастного насоса со скважинным сепаратором механических примесей – укрупнителем газовой фазы содержит погружной двигатель 1, лопастной насос 2 с входными отверстиями 3, насосно-компрессорные трубы 4.
В нижней части погружного двигателя 1 установлен скважинный сепаратор механических примесей - укрупнитель газовой фазы.
Сепаратор содержит корпус разделителя 5, установленный на нем разделитель 6, таким образом, что входной канал или входные каналы 12 в сепаратор механических примесей установлены ниже, а выходные отверстия 20 из сепаратора и входные отверстия 3 в лопастной насос 2 – выше разделителя 6.
Муфта 8 соединяет корпус разделителя 6 и цилиндрический корпус 9, внутри которого соосно, с образованием кольцевого канала 11, установлен полый цилиндрический патрубок 10, в нижней части которого установлен полый шнек 14.
Отводящий канал 21 образован внутренними диаметрами полого шнека 14 и полого цилиндрического патрубка 10.
Спиральный канал 15 образован между лопастями полого шнека 14 и внутренним диаметром цилиндрического корпуса 9.
Толщина лопастей полого шнека 14 составляет от двух до восьми миллиметров. Если толщина меньше, то возрастает вероятность гидроабразивного перерезания входных участков лопастей, с последующим ухудшением эффективности сепарации. Если толщина будет больше, то возрастает радиус спирали, соответственно заметно уменьшается центробежная сила, и эффективность сепарации. Количество лопастей полого шнека 14 – от одного до пяти. Одна лопасть в шнеке рекомендована при малых расходах, с увеличением расхода, количество лопастей возрастает. При количестве – более пяти, происходит уменьшение площади проточной части, так как нельзя снижать толщину лопастей меньше определенной величины. Так как диаметральный габарит скважин для добычи пластовой жидкости ограничен, вышеуказанное снижение площади приводит к деградации проточной части каналов шнека и снижению эффективности сепарации.
Лопасти полого шнека 14 имеют винтообразную поверхность переменного хода.
К нижней части цилиндрического корпуса 9 присоединена цилиндрическая вихревая камера 16 с конусообразной частью 17 внизу, к которой присоединен отстойник 18 для сбора механических примесей.
Цилиндрический корпус 9 и полый цилиндрический патрубок 10 с полым шнеком 14 установлены в муфте 8.
Между внутренним диаметром муфты 8 и наружным диаметром полого цилиндрического патрубка 10 образован кольцевой канал в муфте 13, который соединен с кольцевым каналом 11 между внутренним диаметром цилиндрического корпуса 9 и наружным диаметром полого цилиндрического патрубка 10.
Входной канал (каналы) 12, выполненный в муфте 8, соединяет затрубное пространство с кольцевым каналом в муфте 13 и направляет входящий поток по спирали.
В муфте 8 выполнен входной канал 12, соединяющий затрубное пространство с кольцевым каналом 13 муфты 8, ось которого направлена под углом к плоскости горизонта, и к плоскости, проходящей через ось муфты 8, направляя входящий поток по спирали.
Входные каналы 12, соединяющие затрубное пространство с кольцевым каналом 13 муфты, изготовлены в муфте 8, таким образом, что расстояние между - входными каналами и шнеком составляет не более одного диаметра шнека. Подвод мультифазного потока в сепаратор осуществляют по дугообразной траектории, за счет этого осуществляется предварительная сепарация перед поступлением в шнек, входные каналы, соединяющие затрубное пространство с кольцевым каналом муфты, изготовлены в муфте, таким образом, что расстояние между входными каналами и шнеком составляет не более одного диаметра шнека. При большем расстоянии за счет диспергирования, перемешивания, снижается эффект предварительной сепарации, также возрастают гидравлические потери, которые пропорциональны длине канала, возрастает стоимость изделия.
Площадь проточной части входных каналов 12 более чем на двадцать процентов превышает площадь проточной части спиральных каналов 15 полого шнека 14.
В варианте конструктивного исполнения может быть установлен дополнительный разделитель, при этом оба разделителя должны иметь чашеобразную форму, и быть установлены вогнутыми частями на встречу друг другу.
Сверху и снизу разделителя 6 установлены защитные центраторы 7, предотвращающие повреждение герметизирующего разделительного элемента при спуске и подъеме сепаратора.
В варианте конструктивного исполнения на входе в отводящий канал 21 может быть установлен отводящий шнек 19.
В варианте конструктивного исполнения на входе во входные отверстия 3 лопастного насоса 2 может быть установлен гравитационный сепаратор 22, например, чашечного типа.
Погружная установка лопастного насоса со скважинным сепаратором механических примесей - укрупнителем газовой фазы работает следующим образом.
Пластовая жидкость с механическими примесями поступает в кольцевой канал 11 через входной канал (каналы) 12. Входной канал 12 направляет поток пластовой жидкости по радиусу. За счет центробежной силы происходит сепарация механических (абразивных) частиц, которые собираются на периферии кольцевого канала 11, и пузырьков свободного газа, которые собираются и укрупняются в центре. За счет предварительной закрутки происходит предварительная сепарация твердых и газообразных частиц.
На выходе из полого шнека 14 в вихревой камере 16 происходит окончание сепарации. Твердые частицы за счет центробежных сил собираются у периферии вихревой камеры 16. Твердые частицы смещаются вниз к конусообразной части камеры 17 и далее оседают в отстойнике 18. Очищенная от механических примесей газожидкостная смесь поступает в полый цилиндрический патрубок 10 и далее движется вверх. Пройдя через отводящий шнек 19, поток получает дополнительное вращение, при этом происходит укрупнение пузырьков газовой фазы. Газожидкостная смесь с крупными пузырьками газа на входе в лопастной насос 2 движется сверху вниз, проходя через гравитационный сепаратор 22, установленный перед входными отверстиями насоса 3. При этом укрупненные в сепараторе пузырьки газа движутся вверх мимо насоса.