СЕПАРАЦИОННЫЙ БАРАБАН ГАЗОСЕПАРАТОРА ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Техническое решение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при добыче нефти с высоким содержанием газа посредством скважинных центробежных и винтовых электронасосов с газосепараторами.
2
Известны газожидкостные сепараторы, описанные в частности в авторском свидетельстве SU 54439 А, 31.12.1939, американских патентах US 4,877,424 А, 31.10.1989, US 4,900,335 A, 13.02.1990, US 5,182,031 A, 26.01.1993, US 5,019,136 A, 28.05.1991, US 3,944,406 A, 16.03.1976 и др., содержащие сепарационный барабан, включающий в себя ступицу, предназначенную для закрепления барабана на валу газосепаратора без возможности вращения и радиально ориентированные лопасти, расположенные на наружной поверхности ступицы. При этом лопасти загнуты назад против направлении вращения барабана таким образом, что угол выхода лопастей (угол между средней линией профиля лопасти в точке пересечения средней линией с выходной кромкой лопасти и прямой, проходящей перпендикулярно радиусу ступицы через упомянутую точку пересечения, которая представляет собой направление вектора окружной скорости (см. β на Фиг.2)) составляет меньше
90°, что обеспечивает относительно низкие чем у лопастей другой формы энергозатраты при использовании устройства не только для сепарации, но и для перекачки жидкости, т.е. одновременно в качестве и осевого насоса, и газосепаратора, а также повышает устойчивость работы устройства как насоса (уменьшает вероятность срыва потока на выходе лопастей). Диаметральный габарит сепарационной камеры в указанных аналогах практически не ограничен, поэтому за счет увеличения высоты лопастей барабана можно обеспечивать требуемое давление в сепарационной камере при относительно более низкой чем у лопастей другой формы соотношении между давлением, создаваемым в сепарационной камере, и диаметром лопастей барабана (при одинаковой скорости вращения вала). Однако, при заданном диаметре лопастей и скорости вращения вала, именно разная величина давления, создаваемого в объеме жидкости сепарационными барабанами с лопастями различной формы, обеспечивает относительную большую или меньшую интенсивность сепарации газа. Таким образом, использование сепарационных элементов с загнутыми назад лопастями в погружных центробежных насосных установках, диаметральный габарит которых жестко органичен, нецелесообразно.
В патенте US 3,944,406 А описаны также дополнительные лопасти (поз.5 фиг.3), которые выполнены загнутыми вперед (угол выхода больше 90°) и предназначенные для вторичной сепарации пены на выходе основных сепарирующих центробежных колес, однако дополнительные лопасти выполняют в описанном устройстве только вспомогательную функцию и в связи с этим их радиальные размеры превышают соответствующие размеры основных сепарирующих
лопастей, что не позволяет реализовать в указанном устройстве главные преимущества загнутых вперед лопастей.
В патенте US 3,203,354 А, 31.04.1965 описан газожидкостной сепаратор с сепарационным барабаном, включающим в себя обечайку, предназначенную для закрепления в корпусе с возможностью вращения и соединенную с валом газосепаратора, а также радиально ориентированные лопасти, расположенные на внутренней поверхности обечайки, угол выхода которых больше 90°.
Основным недостатком описанного аналога является сложность изготовления обечайки с внутренними лопастями, а также сложная конструкция привода обечайки, что делает неоправданным использование такого сепарационного барабана при крупносерийном изготовлении газосепараторов скважинных погружных насосных установок для добычи нефти.
2
Наиболее близким аналогом (прототипом) является сепарационный барабан газосепаратора погружной скважинной насосной установки для добычи нефти, описанный в патенте US 6,723,158 А, 20.04.2004, патенте RU 2232302 C1, 10.07.2004 и др., включающий в себя ступицу, предназначенную для закрепления барабана на валу газосепаратора без возможности вращения, прямые радиально ориентированные лопасти, расположенные перпендикулярно наружной поверхности ступицы таким образом, что величина угла β между средней линией профиля лопасти в точке пересечения средней линии с верхней кромкой лопасти и прямой, проходящей перпендикулярно
радиусу через упомянутую точку пересечения, измеренного в направлении вращения барабана при работе газосепаратора, равна 90°.
Основным недостатком прототипа также является неоптимальное с точки зрения задачи сепарации газа соотношение диаметра лопастей сепарационного барабана и давления, создаваемого в полости газосепаратора при заданной скорости вращения вала, обусловленное формой лопастей барабана, имеющих строго радиальный выход. В патенте RU 2232302 описано также кавернообразующее осевое колесо с задней (напорной) кромкой, загнутой назад против направления вращения барабана, что обеспечивает укрупнение газовых пузырьков на входе в сепаратор, однако воздействие такого колеса на поток само по себе не обеспечивает разделения потоков жидкой и газовой фаз.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, состоит в создании сепарационного барабана газосепаратора погружной скважинной насосной установки для добычи нефти, обеспечивающей возможность добычи нефти с содержанием газа до 50-70% об.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении допустимой величины содержания газа на входе погружной скважинной насосной установки для добычи нефти за счет эффективности сепарации газа без увеличения диаметрального габарита газосепаратора и скорости вращения вала.
Сепарационный барабан газосепаратора погружной скважинной насосной установки для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного
выше технического результата, включает в себя ступицу, предназначенную для закрепления барабана на валу газосепаратора, и ориентированные в осевом направлении лопасти, расположенные на наружной поверхности ступицы. При этом в отличии от прототипа, по меньшей мере, часть лопастей выполнены загнутыми вперед, по меньшей мере, вдоль части длины верхней кромки лопасти.
2
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, величина угла β между касательной к средней линией профиля лопасти в точке пересечения средней линии с верхней кромкой лопасти и прямой, проходящей перпендикулярно радиусу ступицы через упомянутую точку пересечения, измеренного в направлении вращения барабана при работе газосепаратора, превышает 90° и при этом не превышает 180°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, лопасти выполнены прямыми таким образом, что средняя линия профиля лопасти представляет собой отрезок прямой.
1
1
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, касательная к средней линия профиля лопасти в точке пересечения средней линии и окружности, соответствующей внешнему диаметру ступицы, наклонена под углом β относительно касательной к указанной окружности, проведенной через упомянутую точку пересечения, отложенным в направлении вращения барабана при работе газосепаратора, причем угол β превышает 90° и при этом не превышает 180°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, лопасти выполнены изогнутыми таким образом, что средняя линия профиля лопасти, по крайней мере, на части своей длины имеет кривизну с центром, расположенным с той стороны лопасти, в направлении которой происходит вращение барабана при работе газосепаратора.
1
1
При этом, в частном случае реализации полезной модели, касательная к средней линия профиля лопасти в точке пересечения средней линии и окружности, соответствующей внешнему диаметру ступицы, наклонена под углом β относительно касательной к указанной окружности, проведенной через упомянутую точку пересечения, отложенным в направлении вращения барабана при работе газосепаратора, причем угол β превышает 0° и при этом не превышает 90°.
1
1
При этом, в частном случае реализации полезной модели, касательная к средней линия профиля лопасти в точке пересечения средней линии и окружности, соответствующей внешнему диаметру ступицы, наклонена под углом β относительно касательной к указанной окружности, проведенной через упомянутую точку пересечения, отложенным в направлении вращения барабана при работе газосепаратора, причем угол β превышает 90° и при этом не превышает 180°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, лопасти загнуты вперед на протяжении всей длины верхней кромки лопасти.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, выходная часть лопасти выполнена с осевым пазом для размещения входного элемента
2
разделителя потока, при этом на части длины, соответствующей длине указанного паза, лопасть расположена радиально по отношению к наружной поверхности ступицы таким образом, что величина угла β составляет 90° и загнута назад в продольном сечении таким образом, что угол γ между касательной к средней линии продольного сечения лопасти в точке пересечения с задней кромкой лопасти и продольной осью ступицы, отложенный в направлении вращения барабана, превышает 0° и при этом не превышает 90°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, габаритная высота лопастей обеспечивает возможность размещения сепарационного барабана в корпусе газосепаратора с образованием зазора между верхней кромкой лопастей и внутренней поверхностью корпуса, а длина лопастей больше или равна их высоте.
В процессе работы газосепаратора в сепарационной камере создается избыточное давление так как лопасти сепарационного барабана воздействуют на газожидкостную смесь аналогично лопастям центробежного насоса. Энергия, передаваемая смеси с помощью загнутых вперед лопастей, больше, чем энергия передаваемая прямыми или загнутыми назад лопастями, при этом давление в сепарационной камере, создаваемое барабаном с загнутыми вперед лопастями также будет наибольшим, несмотря на меньшую эффективность преобразования передаваемой смеси энергии в давление (доля энергии, переходящей непосредственно в потенциальную энергию (давление) при
воздействии на газожидкостную смесь в межлопаточных каналах, меньше доли энергии, превращающейся в кинетическую энергию потока, которая преобразующуюся в потенциальную энергию только при взаимодействии с неподвижными стенками сепарационной камеры).
ΔP
ΔP
ΔF
ЦБ
Так как давление у стенок сепарационной камеры представляет собой суммарное давление во всех слоях газожидкостной смеси, вдоль радиуса сепарационной камеры образуется градиент давления. В результате на противоположных сторонах газового пузырька возникает перепад давления, величина которого зависит от величины градиента давления и диаметра пузырька. Соответственно, на пузырек действуют две противоположно направленные силы, результирующая которых F, направлена к оси потока газожидкостной смеси (см. Фиг.1). Величина F зависит от величины градиента давления и диаметра пузырька. F превышает действующую на пузырек центробежную силу F вследствие малой плотности (массы) газового пузырька и пузырек перемещается к оси потока, при этом наиболее эффективно сепарируются самые крупные пузырьки газа.
Выполнение лопастей сепарационного барабана загнутыми вперед в направлении вращения барабана обеспечивает наибольшее значение радиального градиента давления в сепарационной полости газосепаратора при заданном диаметральном габарите и скорости вращения барабана по сравнению с загнутыми назад лопастями и радиальными лопастями, традиционно используемыми при изготовлении серийных газосепараторов. В следствие большего
ΔP
градиента давления в сепарационнои камере на пузырьки газа действует большая сила F и они более интенсивно перемещаются к оси потока, что повышает эффективность сепарации газа и позволяет повысить допустимое содержание газа на входе насосной установки до 50-70%.
С точки зрения использования заявленного сепарационного барабана в погружной скважинной насосной установке для добычи нефти особенно важно то, что описанный эффект достигается без увеличения высоты лопасти или скорости вращения вала, т.к. диаметральный габарит насосной установки жестко органичен, а скорость вращения вала определяется характеристиками серийных погружных электродвигателей.
Затраты энергии на вращение вала газосепаратора при использовании загнутых вперед лопастей больше, чем для лопастей другой формы, однако этот рост энергозатрат пренебрежимо мал по сравнению с существенным ростом степени сепарации газа.
Описанным выше образом могут быть выполнены все лопасти барабана или часть из них в зависимости от конкретных условий эксплуатации и требуемого соотношения сепарирующих и перекачивающих характеристик барабана, а также особенностями используемой технологии изготовления барабана, при этом лопасти могут быть загнуты вперед по всей длине или только на части длины верхней кромки, что также определяется конкретными условиями эксплуатации и особенностями используемой технологии изготовления барабана.
Лопасти могут быть выполнены как прямыми, так и изогнутыми, при этом прямые лопасти более технологичны, однако при равных габаритных размерах барабана набольшую эффективность обеспечивают изогнутые лопасти.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием сепарационного барабана газосепаратора погружной скважинной насосной установки для добычи нефти, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На фиг.1 изображена схема распределения сил, действующих на газовый пузырек.
На фиг.2 изображена лопасть сепарационного барабана на виде сбоку.
На фиг.3 изображен сепарационный барабан на виде сверху.
1
2
Сепарационный барабан 1 газосепаратора погружной скважинной насосной установки для добычи нефти включает в себя ступицу 2 и радиально ориентированные лопасти 3, расположенные на наружной поверхности ступицы параллельно продольной оси OO барабана.
В центральном отверстии 4 ступицы выполнен один или несколько шлицевых пазов 5 для закрепления барабана на валу газосепаратора (на чертежах не показан). Сепарационный барабан размещают внутри сепарационной камеры, образованный участком стенки корпуса газосепаратора за шнеком
(нагнетающим рабочим колесом осевого типа) или направляющей решеткой перед разделителем по ходу движения газожидкостной смеси (на чертежах не показаны). В предпочтительном варианте исполнения направляющая решетка должна быть выполнена с лопастями, форма которых обеспечивает минимальное сопротивление потоку газожидкостной смеси, выходящему из шнека (рабочего колеса), и при этом препятствовать обратным токам из сепарационной камеры снижающим давление в сепарационной камере.
Диаметральный габарит D лопастей 3 ограничен внутренним диаметром корпуса газосепаратора, а верхние кромки лопастей расположены с минимальным зазором относительно внутренней стеки корпуса. Осевая длина лопастей 3 выбирается таким образом, чтобы обеспечить время прохождения потока через сепарационную камеру, необходимое для достижения требуемой степени отделения газа от жидкости (время нахождения газожидкостной смеси в сепарационной камере определяется длиной сепарационного барабана и подачей насоса, т.е. расходом жидкости через сепарационную камеру).
Количество лопастей может колебаться в пределах от двух до восьми в зависимости от требуемой степени отделения газа и расхода газожидкостной смеси, при этом большее количество лопастей позволяет обеспечить большую степень отделения газа, но уменьшает проходное сечение газосепаратора.
2
2
Лопасти 3 выполнены загнутыми вперед, то есть величина выходного угла β между касательной а к средней линии 6 профиля лопасти в точке А
2
2
пересечения средней линии с верхней кромкой ВС лопасти 3 и прямой b, проходящей перпендикулярно радиусу ступцы через упомянутую точку пересечения, измеренного в направлении вращения барабана (иначе, угол между отрицательным направлением окружной скорости и касательной к средней линии профиля лопасти), превышает 90°. Величина угла β не должна превышать 180°, т.к. при больших значениях угла резко возрастают затраты энергии, связанные с поворотом потока, движущегося вдоль напорной поверхности лопасти. Оптимальная величина угла β составляет около 135°.
Лопасти 3 могут быть выполнены прямыми или изогнутыми.
2
1
1
1
2
1
Прямые лопасти выполнены таким образом, что средняя линия 6 представляет собой отрезок прямой, при этом для получения упомянутого выше угла выхода лопасти (β) касательная с к средней линии в точке A пересечения средней линии и окружности, соответствующей внешнему диаметру ступицы (т.е. в корневом сечении лопасти), должна быть наклонена под углом β относительно касательной d к указанной окружности, проведенной через упомянутую точку A, отложенном в направлении вращения барабана, величина которого превышает 90° и определяется из геометрических построений для заданного угла β (при этом угол β не может превышать 180°).
Изогнутые лопасти выполнены таким образом, что средняя линия 6 имеет кривизну с центром, расположенным с той стороны лопасти, в направлении которой происходит вращение барабана (см. Фиг.2). В некоторых случая технологически более удобно изготавливать лопасти с изгибом на части длины
1
1
средней линия профиля (например, на половине длины, измеренной со стороны верхнего конца лопасти), однако предпочтительным является выполнение лопасти с равномерным изгибом на всем протяжении средней линии. Изогнутые лопасти могут быть выполнены с углом установки (β) меньше 90°, что обеспечивает исключение гидравлических ударов при взаимодействии жидкости с лопастью вблизи ее корневого сечения, однако барабан, лопасти которого установлены под углом β превышающим 90° проще в изготовлении.
Выбор прямой или изогнутой формы лопастей определяется особенностями используемой технологии изготовления барабана, при этом наибольшую эффективность воздействия на поток обеспечивают плавно изогнутые по радиусу лопасти.
2
Выходная часть 7 каждой лопасти выполнена с осевым пазом 8 (см. Фиг.3) для размещения входного элемента разделителя потока (на чертеже не показан). Так как в выходной части лопасти сепарации газожидкостной смеси уже не происходит она спрофилирована таким образом, чтобы более эффективно выполнять функцию осевого насоса, т.е. перемещать потоки газа и жидкости в соответствующих каналах разделителя. Выходная часть лопасти расположена радиально по отношению к наружной поверхности ступицы таким образом, что величина угла β составляет 90°. При этом выходная часть лопасти загнута назад (против направления вращения барабана) в продольном сечении лопасти таким образом, что угол γ между касательной e к средней линии продольного сечения лопасти в точке пересечения с задней
1
2
кромкой лопасти и продольной осью ОO ступицы, отложенный в направлении вращения барабана, превышает 0° и при этом не превышает 90°. В результате более интенсивного отвода газа из центральной части сепарационной камеры увеличивается радиальный градиент давления, а откачивание жидкости из периферийной зоны сепарационной камеры позволяет снизить обратные токи жидкости.
Устройство работает следующим образом.
В процессе работы газосепаратора нефтеводогазовая смесь с помощью шнека (нагнетающего рабочего колеса осевого типа) через направляющую решетку подается в сепарационную камеру с вращающимся барабаном 1. В сепарационной камере образуется вращающееся кольцо газожидкостной смеси, опирающееся своим нижним концом на неподвижную направляющую решетку или торец шнека (нагнетающего рабочего колеса) с нижней стороны, и упирающийся в разделитель с верхней стороны. В указанном кольце газожидкостной смеси образуется радиальный градиент давления, выталкивающий пузырьки газа в центральную зону сепарационной камеры, при этом загнутые вперед лопасти сепарационного барабана обеспечивают создание максимального градиента давления при заданном диаметральном габарите и скорости вращения вала, что существенно влияет на эффективность сепарации смеси, так как с увеличением радиального градиента давления в кольце газожидкостной смеси степень отделения газа от жидкости возрастает.
Потоки жидкости и газа поступают в разделитель, входной элемент которого ориентирован с осевом направлении и заходит в пазы 8. Выходная
часть 7 барабана выполняет функцию осевого насоса, перекачивая уже разделенные потоки газа и жидкости по соответствующим каналам разделителя.