Абразивостойкий роторный газосепаратор
ABRASIVE-RESISTANT ROTARY GAS SEPARATOR

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным газосепараторам, предназначенным для отделения газа от пластовой жидкости, и может быть применено при осложнении добычи выносом абразивных частиц.
Известен газовый сепаратор, содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены: узел ввода, напорный узел, сепарационный узел и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство [патент №2379500 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 03.03.2008]. Сепарационный узел выполнен в виде шнека с переменным шагом, лопасть которого образует с осью вращения в меридианном сечении постоянный или монотонно уменьшающийся от входа к выходу угол в диапазоне от 90 до 30°. Защита корпуса сепаратора от гидроабразивного износа обеспечивается за счет лопастей шнека, наклоненных к втулке, которые являются препятствием для абразива при его движении к периферии в поле центробежных сил.
Однако в конструкции описанного сепаратора существует слабый элемент - зона внезапного расширения потока при переходе от узла ввода с проточными каналами в виде отверстий круглого сечения, расположенных по одной окружности, к кольцевой полости перед лопастями ротора напорного узла. Замедление скорости течения в этой зоне наряду с образованием статического вихря, особенно на подачах, значительно меньших номинальной, приводит к локальному накоплению абразивных частиц и износу корпуса.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является роторный газосепаратор [патент №2616331 РФ, МПК F04D 13/10, Е21В 43/38, опубл. 14.04.2017], содержащий основание с отверстиями для прохода жидкости и приемной сеткой, ротор в виде шнека постоянного шага, закрепленного на вращающемся валу, защитную гильзу, сепарационные барабаны и головку-разделитель, причем защитная гильза выполняется составной из двух частей - на входе в шнек гильза может иметь конфузорно-диффузорную форму для малых подач ГЖС в сравнении с номинальной подачей шнека, либо цилиндрическую форму для подач, близких к номинальной подаче шнека. В случае конфузорно-диффузорной вставки в гильзу шнек по внешнему диаметру также обтачивается на конус, повторяя форму диффузора гильзы. Описанная модификация выполнена для снижения противотоков на входе в шнек и предотвращения износа внутренней поверхности корпуса газосепаратора в этой зоне.
В указанной конструкции изменение структуры потока внутри шнека путем заужения его проходного сечения на некотором расстоянии от входа позволит увеличить скорость потока в зоне заужения, однако не предотвратит накопление твердых частиц тяжелых примесей в зонах с малой скоростью потока, а именно - непосредственно в зоне ступенчатого расширения при переходе потока из отверстий основания на входные кромки лопастей шнека. При применении цилиндрической формы гильзы зона замедления потока на переходе из отверстий основания в кольцевую камеру перед шнеком также остается неизменной, а значит накапливает в себе примеси. Следовательно, в любом из вариантов конструкционная надежность сепаратора останется низкой при его эксплуатации в условиях выноса абразива.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка абразивостойкого газосепаратора с вращающимся ротором, обладающего высокой конструкционной надежностью элементов устройства во всем рабочем диапазоне подач.
Указанный технический результат получен за счет того, что в абразивостойком роторном газосепараторе, содержащем корпус, основание с отверстиями для прохода жидкости, вращающийся вал с насаженным на него ротором, защитную гильзу и головку-разделитель, согласно изобретению, между ротором и основанием установлена входная решетка, представляющая собой неподвижный направляющий аппарат в виде втулки с закрепленными на ней лопастями, причем проходное сечение входной решетки на выходе потока заужено, а его площадь не превышает общую площадь поперечного сечения всех отверстий основания.
Возможны несколько вариантов конструкций входной решетки, обеспечивающих заужение площади проходного сечения на выходе из решетки по сравнению с площадью проходного сечения на входе. Например, использование конической втулки с увеличивающимся по ходу движения потока диаметром и лопастями постоянной толщины, или цилиндрической втулки с лопастями, утолщающимися от входной кромки к выходной, либо комбинации утолщающейся втулки с утолщающимися лопастями.
В качестве ротора может использоваться любая конфигурация лопастей, закрепленных на втулке и вращающихся вместе с валом - шнек постоянного или переменного шага любой длины, осевое колесо и др.
Применение входной решетки с уменьшающейся по направлению потока площадью проточных каналов приводит к увеличению скорости газожидкостной смеси в этой зоне, благодаря чему тяжелые частицы механических примесей при условии отсутствия локальных завихрений уносятся основным потоком, не повреждая корпус устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид абразивостойкого роторного газосепаратора, на фиг. 2 - вариант исполнения входной решетки с конической втулкой и лопастью постоянной ширины, на фиг. 3 - вариант исполнения входной решетки с цилиндрической втулкой и лопастью, имеющей утолщение от входной кромки к выходной.
Абразивостойкий роторный газосепаратор (фиг. 1) содержит основание 1 с отверстиями для прохода жидкости 2, входную решетку 3, цилиндрический корпус 4, вал 5 с насаженным на него ротором 6, головку-разделитель 7 с каналами для прохода отсепарированной жидкости и отводами для вывода отделенного газа в затрубное пространство. Защитная гильза 8, установленная в зоне ротора 6, предохраняет корпус 4 от гидроабразивного разрушения. Входная решетка 3 представляет собой неподвижный направляющий аппарат в виде втулки 9 с закрепленными на ней лопастями 10 (фиг. 1-3). По одному из вариантов исполнения входная решетка 3 может иметь втулку 9 конической формы, (фиг. 1, 2), диаметр которой увеличивается по направлению потока, создавая постепенное заужение проточных каналов. При этом лопасти 10 выполнены с постоянной толщиной. По другому варианту исполнения входная решетка 3 может быть образована цилиндрической втулкой 9 с закрепленными на ней лопастями 10, толщина которых увеличивается от входной кромки к выходной (фиг. 3). Кроме описанных вариантов, специалисту очевидны любые их комбинации, приводящие к заужению проточного канала внутри входной решетки 3 для ускорения потока перед входом на ротор. При любом варианте исполнения входной решетки 3 площадь поперечного сечения проточного канала на выходе не должна превышать общую площадь поперечного сечения всех отверстий 2 основания 1 с тем, чтобы избежать заметного замедления скорости потока на входе в ротор 6 по сравнению со скоростью течения внутри отверстий 2.
Абразивостойкий роторный газосепаратор работает следующим образом.
В процессе работы газосепаратора поток газожидкостной смеси через отверстия 2 основания 1 поступает во входную решетку 3, где происходит постепенное увеличение скорости потока за счет сужения проходного сечения по мере продвижения потока. Газожидкостная смесь, движущаяся с высокой скоростью, увлекает за собой тяжелые частицы механических примесей, предотвращая их накопление в зоне перехода потока из неподвижной лопастной системы входной решетки 3 во вращающуюся лопастную систему ротора 6. Далее смесь попадает в поле центробежных сил, вызванных вращающимися на валу 5 лопастями ротора 6, где происходит ее разделение на фазы разной плотности - наиболее плотная фаза - вода и механические примеси - переносится к периферии устройства, наименее плотная - газ - к центру. Далее с помощью головки-разделителя 7 газ из центральной части сепаратора отводится в затруб, а оставшаяся жидкость подается на вход первой насосной секции. Для дополнительной защиты корпуса от абразивного износа на уровне ротора применяется особая конфигурация лопастей ротора, описанная в патентах РФ №№2379500, 2547854.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет отсепарировать газ от жидкости и предотвратить скопление твердых частиц примесей на входе в устройство и, соответственно, увеличить его ресурс.