ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
SUBMERSIBLE PUMPING UNIT

Заявляемое изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при бесштанговой добыче из скважин нефти среднего и глубокого залегания в виде мультифазной и многокомпонентной текучей среды, а именно пластовой нефтесодержащей жидкости (ПНЖ) с высокими газовым, водным, а также другими инородными, в том числе абразивными, факторами.
Список сокращений, принятых в описании:
БНО - бокс наземного оборудования;
ВМ - входной модуль;
КТ - кольцевая труба;
МП - механические примеси;
НА - лопаточный направляющий аппарат;
НКТ - насосно-компрессорная труба;
OK - обсадная колонна;
ПН - погружной насос;
ПНЖ - пластовая нефтесодержащая жидкость;
ПНУ - погружная насосная установка;
ПЭД - погружной электродвигатель;
РК - лопастное рабочее колесо;
РТ - рабочее тело (ПНЖ после ее протекания через сепаратор);
СБ - сепарационный барабан;
ТО ОН - трехрядный одноступенчатый осевой насос;
ТМ ОН - трехрядный многоступенчатый осевой насос;
УО - устройство отвода.
ФММ - функциональный многоступенчатый модуль;
ЭК - силовой электрокабель.
Известны погружные насосные установки (ПНУ), подробно изложенные в энциклопедии и включающие последовательно скомпонованные во внутреннем пространстве обсадной колонны (ОК) сверху-вниз, т.е. от устья до забоя, колонну насосно-компрессорной трубы (НКТ) с силовым электрокабелем (ЭК) с токопроводящими жилами круглого поперечного сечения, погружной насос (ПН) в виде модульных секций собственно многоступенчатого лопастного насоса с центробежными, центробежно-вихревыми или диагональными ступенями и входной (по отношению к ПН) модуль (ВМ) в виде диспергатора и/или сепаратора. Далее следует погружной электродвигатель (ПЭД) с установленными перед и/или за ним протекторами (гидрозащитами), дополнительный сепаратор с накопителем механических примесей (МП) внутри ОК при их повышенном содержании в ПНЖ. На корпусных деталях ПН и ПЭД закреплен электрокабельный удлинитель обычно с плоскими токопроводящими жилами, жестко соединенный с ЭК и муфтой кабельного ввода электропитания в ПЭД (См. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. - Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с.12-23, 60-71, 283-302, 383-385, 485-488).
Данные ПНУ имеют следующие основные недостатки:
- Расположение ПН над ПЭД ухудшает антикавитационные показатели ВМ, а также может явиться причиной повреждения изоляции ЭК, особенно при монтаже и ремонтном демонтаже ПНУ из-за возможных его контактов с внутренней поверхностью ОК. Закачивание в пласт воды под напором для повышения пластового давления и обеспечения тем самым бескавитационной работы ПНУ снижает ее общий среднеэксплуатационный КПД за весь период функционирования скважины.
- Использование установленных за ПЭД сепаратора и накопителя МП, в т.ч. с абразивными свойствами, из-за существенно ограниченного объема последнего малоэффективно: ресурс нормального функционирования этих устройств даже для нижней оценки содержания МП в ПНЖ 0,1 г/л не превышает 5% от обычно устанавливаемого ресурса ПНУ (≈3 года), или 20% от межремонтного периода работы ПНУ (≈500 часов).
- В ВМ отсутствует отделение от ПНЖ пластовой воды с минеральными солями и другими коррозионно-активными химическими соединениями, процентное содержание которых в ПНЖ достигает 10% и более процентов [там же] с соответствующим уровнем снижения фактического объемного КПД ПНУ, а также прочих фракций и компонент, включая ионы и коагулянты, с аномальными плотностями, отличающимися от плотности добываемой нефти.
- В газосепараторах ВМ традиционного исполнения, содержащих установленные на валу перед (по отношению к меридианному потоку) сепарационным барабаном (СБ) шнековое и кавернообразующее лопастные колеса, на частичных подачах и при увеличенном газовом факторе из-за недостаточного подпора, создаваемого данными рабочими органами, на входах в шнек и СБ наблюдаются образования периферийных попятных движений меридианного потока и газовых пробок (соответственно) с последующим повышенным абразивным износом корпуса шнека, а также возможным запиранием межлопаточных каналов барабана [там же].
- Предложения для защиты корпуса сепараторов от абразивного износа и возможного последующего его перерезания, в которых предлагается соответственно: на внутренней поверхности неподвижной защитной гильзы корпуса выполнять спиральные пазы для создания своего рода протекторных защитных вихревых дорожек; использовать многоступенчатую совокупность осевых ступеней с лопастями рабочего колеса (РК) и лопатками направляющего аппарата (НА) спирального типа; выполнять сепарационный узел в виде шнека с переменным значением среднего в радиальном направлении шага - являются решениями пассивного действия и, следовательно, ограниченной эффективности [RU №327866, RU №2368812, RU №2379500].
s
s
s
- Диспергаторы, в которых для приведения РТ к состоянию близкому к гомогенному с сохранением, тем самым, в ПН зависимостей выходных показателей от объемной подачи таких же как при работе на однофазном и однокомпонентном РТ, используется известный принцип «конического насоса», т.е. применяются блоки ступеней от осевых к центробежным с соответственно уменьшающимся коэффициентом быстроходности n, характеризуются существенно увеличенными осевыми размерами (См. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. - Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с.12-23, 60-71, 283-302, 383-385, 485-488). В случае применения в диспергирующих устройствах лабиринтного насоса, имеющего низкую быстроходность n, а также насосных ступеней с более высокими n, но с совокупностями отверстий в ведущем диске и на лопастях РК в зоне их входных участков, снижающими осевые силы и создающими эффект диспергации за счет образующихся и перемешивающих поток вихреобразований, имеют место значительно увеличенные гидравлические, а в последнем случае - и объемные потери.
- Возможности повышения напора отдельно взятой ступени традиционного исполнения в виде совокупности двух, установленных последовательно рабочих органов - РК и НА осевого, диагонального или центробежного типов при фиксированных радиальных и осевых габаритах, а также оборотах ротора практически исчерпаны. В дополнение отметим, что для наиболее широко применяемых в ПН центробежных ступеней устанавливается достаточно жесткое ограничение по объемному газосодержанию в ПНЖ на входе в собственно погружной насос, обычно не более 25%.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является ПНУ, которая содержит соосно во внутреннем пространстве ОК с закрытым дном, имеющей в забойной части радиальные отверстия для приема ПНЖ, колонну НКТ, ЭК с токопроводящими жилами не плоского, обычно круглого, поперечного сечения, неподвижно закрепленный на внешней поверхности НКТ, муфту кабельного ввода, ПН в виде секционного многоступенчатого лопастного насоса с центробежновихревыми ступенями и входного модуля ВМ в виде сепаратора, с подпорным шнековым и кавернообразующим колесами на его входе, решетками плоских лопаток с цилиндрическими втулками в сепарационном барабане и с устройством отвода (УО) легких примесей в виде разделителя с системой радиальных и системой осевых каналов герметично изолированных, и диспергатора, выполненного в виде лабиринтно-винтового насоса, в едином корпусе, ПЭД, моноблочный протектор (RU №2232301, прототип).
Технической задачей изобретения является повышение надежности, долговечности и энергетической эффективности ПНУ при добыче нефти с высокими газовым, водным, абразивным и коррозионным факторами.
Техническим результатом изобретения, обеспечивающим решение поставленной технической задачи, является обеспечение поступления в устройства наземного оборудования более очищенной от инородных примесей нефтесодержащей жидкости, обеспечение бескавитационной работы ВМ ПН при их повышенной напорности и энергетической эффективности.
Сущность изобретения состоит в том, что погружная насосная установка содержит последовательно соединенные погружной насос, протектор и электродвигатель с корпусами для размещения под колонной напорно-компрессорной трубы во внутреннем пространстве обсадой колонны, причем погружной насос выполнен в виде многоступенчатого лопастного насоса с входным модулем, включающим сепаратор с подпорными колесами на его входе, решетки лопаток в сепарационном барабане, устройство отвода легких примесей в виде разделителя с системой герметично изолированных каналов и диспергатор, установка снабжена кольцевой трубой для установки с радиальным зазором в насосно-компрессорной трубе, погружной электродвигатель снабжен фланцем, выполненным с возможностью непосредственного жесткого и герметичного крепления к нижнему основанию насосно-компрессорной трубы над протектором и погружным насосом, а последний размещен со стороны протектора, противоположной упомянутому фланцу погружного электродвигателя, при этом кольцевая труба выполнена с возможностью установки в ней протектора и погружного электродвигателя с образованием вокруг их корпусов переводного канала для поступления рабочего тела от погружного насоса в насосно-компрессорную трубу.
Предпочтительно:
- кольцевая труба выполнена с возможностью установки в обсадной колонне с нормированным радиальным зазором и жесткого герметичного соединения по краям с корпусами погружных насоса, протектора и электродвигателя, и с торцом насосно-компрессорной трубы.
- за приемной камерой сепаратора установлен подпорный нагнетатель, выполненный как трехрядный одноступенчатый в каждом ряде осевой насос в виде одноступенчатого усеченного шнека с рабочим колесом и направляющим аппаратом в качестве ступени внутреннего ряда, напорной осевой ступени из рабочего колеса и направляющего аппарата среднего ряда и ступени из двух последовательно действующих рабочих колес внешнего ряда, сепарационный барабан, состыкованный с подпорным нагнетателем, состоит из двух, или двух секций, развитых в осевом направлении однорядных, периодических решеток пропеллерного типа из трех-пяти цилиндрических лопастей, причем первая по отношению к входному блоку решетка, или секция решеток, снабжена втулочным ободом конической формы с диаметром основания, равным диаметру обода рабочих колес ступени внешнего ряда подпорного нагнетателя, и с углом конусности не более 12°, а вторая решетка, или секция решеток, имеет цилиндрическую втулку и окрестность выходных кромок лопастей, или лопастей последней решетки в секции, расположенную в меридианной плоскости, либо плавно отходящую от нее по направлению вращения сепарационного барабана на угол не более 75°, при этом лопасти последующей решетки смещены относительно лопастей предыдущей в окружном направлении на половину шага, устройство отвода примесей перед разделителем выполнено в виде двух осевых, установленных один над другим направляющих аппаратов, диспергатор выполнен в виде трехрядного многоступенчатого осевого насоса с числом ступеней в каждом ряде не менее четырех.
- погружной насос выполнен в виде секционного многоступенчатого лопастного насоса с центробежновихревыми ступенями и с расположенным с ним в одном корпусе входным модулем с сепаратором, выполненным с подпорным шнековым и кавернообразующим колесами на его входе, решетками плоских лопаток с цилиндрическими втулками в сепарационном барабане и с устройством отвода легких примесей в виде разделителя с системой радиальных и системой осевых герметично изолированных каналов, и с диспергатором, выполненного в виде лабиринтно-винтового насоса.
- силовой электрокабель выполнен с токопроводящими жилами неплоского поперечного сечения, неподвижно закреплен на внешней поверхности напорно-компрессорной трубы, снабжен дополнительной защитной диэлектрической оболочкой и установлен соосно внутри насосно-компрессорной трубы, а погружной электродвигатель снабжен муфтой кабельного вода.
- нижняя часть сепаратора за приемной камерой снабжена самоустанавливающимся коническим концевиком с углом конусности не более 14° и сферическим оголовком, между коническим концевиком и сеткой грубой очистки пластовой нефтесодержащей жидкости в приемной камере входного блока сепаратора на участке с диаметром, равным наружному радиальному габариту входного модуля, и с осевой протяженностью не менее 0,7 от этого диаметра, выполнено посадочное с радиальным зазором 0,15-0,2 мм сочленение корпуса приемной камеры с внутренней поверхностью местного утолщения внутрь забойной части обсадной колонны, в котором выполнены осевые пазы для приема пластовой нефтесодержащей жидкости входным модулем, закрытое дно обсадной колонны снабжено упруго деформируемой в осевом направлении в пределах не более 5-7 мм внутренней эластичной опорой, наземная опора в виде устьевого фланца соосной подвески погружной насосной установки в обсадной колонне снабжена силовым приводом регулирования штатного положения погружной насосной установки в обсадной колонне по высоте в установленном регламентом диапазоне дистанцирования установки от дна обсадной колонны, устройство отвода сепаратора выполнено в виде установленных один под другим трех направляющих аппаратов и с системами двух радиальных и одной осевой перекрещивающихся отверстий, первые по движению меридианного потока радиальные отверстия выполнены на цилиндрическом посадочном с зазором участке герметичного сочленения корпуса входного модуля с внутренней поверхностью местного утолщения внутрь забойной части обсадной колонны, осевой протяженностью не менее 0,9 от диаметра посадочного участка, ответные сквозные радиальные отверстия конфузорной формы изготовлены и в данном утолщении забойной части обсадной колонны с их выходом в заобсадное пространство, от верхней по направлению движения меридианного потока точки этого посадочного участка на радиальном интервале разности диаметров корпуса входного модуля и внутренней поверхности обсадной колонны, фиксированных для конкретной группы погружной насосной установки, внутренняя поверхность обсадной колонны выполнена в виде расширяющегося конуса с углом наклона ее образующей к осевому направлению не более 5-7°, вторые радиальные каналы смещены относительно первых по направлению меридианного потока, герметично изолированы от первых, а также от внутренних полостей диспергатора и имеют выход в затрубное пространство.
- на периферийных торцах лопастей двух или двух секций периодических пропеллерных решеток сепарационного барабана жестко закреплены периодические бипланные системы пластин, или профилей, толщиной не менее 2 мм, смещенные через период на половину осевого шага, с радиальной шириной не менее 3,5-4,0% от диаметра сепарационного барабана, с углом наклона к окружному направлению не менее арктангенса отношения удвоенной скорости меридианного потока при наименьшей подаче к переносной скорости и с густотой решеток не менее 1,8-2,0, при этом на первой решетке, или последней решетке первой секции, закреплено не менее двух бипланных периодических систем пластин, или профилей, в ее выходной части, а на второй решетке, либо второй секции решеток - не менее пяти с равномерным их размещением в осевом направлении.
- секции секционного многоступенчатого погружного насоса выполнены в виде жестко, разъемно соединенных друг с другом и герметично изолированных от затрубного пространства трехрядных функциональных многоступенчатых модулей с общим валом и с осевыми ступенями не более пяти в каждом ряде, образованными последовательно размещенными рабочими колесами - не менее двух и следующими за ними не менее одного направляющими аппаратами, при этом число рабочих колес в ступени превышает количество направляющих аппаратов на заданную величину, а углы наклона к окружному направлению входных и выходных кромок лопастей каждого последующего рабочего колеса в ступени и лопаток каждого последующего направляющего аппарата в ступени превосходят на заданные величины значения этих углов для предыдущего рабочего колеса и предыдущего направляющего аппарата, причем близрасположенные решетки лопастей рабочих колес и близрасположенные решетки лопаток направляющих аппаратов смещены друг относительно друга на определенную часть, предпочтительно на половину углового шага в окружном направлении, ступени функционального многоступенчатого модуля соосно, жестко, разъемно и герметично стыкованы друг с другом и со своими торцевыми патрубками резьбовым законтренным соединением при наличии посадочного без зазора участка в каждом стыковочном узле, а торцевые межрядные, а также межступенные уплотнения выполнены бесконтактными в виде миниатюрных лабиринтно-винтовых насосов с развиваемым ими противодействующим давлением при нулевой подаче, равным или близким к значению перепада давления на уплотняемой щели.
Существо изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена схема компоновки ПНУ в ОК по первому варианту исполнения установки - слева, а по второму и третьему исполнениям - справа от продольной (здесь - вертикальной) оси симметрии, на фиг.2 - блок стыковки КТ с торцевыми узлами ПН и протектора, на фиг.3 - сечение 1-1 по фиг.2, на фиг.4 - вид фиг.2 по стрелке А на один из радиальных каналов перевода рабочего тела от ПН в переводной канал, на фиг.5 - блок стыковки КТ с торцевыми узлами ПЭД и НКТ по первому исполнению установки, на фиг.6 - разрез II-II по фиг.5, на фиг.7 - вид по стрелке Б на фиг.5, на фиг.8 - вид фиг.5 по стрелке В на один из радиальных каналов перевода рабочего тела от переводного канала во внутреннюю полость НКТ, на фиг.9 - блок стыковки КТ с торцевыми узлами ПЭД и НКТ по второму исполнению установки, фиг.10 - разрез III-III по фиг.9, на фиг.11 представлена упрощенная физическая модель воздействия ВМ на РТ, на фиг.12 - конструкция ВМ по первому исполнению установки, на фиг.13 - сечение IV-IV по фиг.12. Для третьего исполнения объекта изобретения на фиг.14 изображены фрагменты забойного участка ОК и сопряженная с ним по посадке нижняя часть входного блока сепаратора мультидействия, на фиг.15 - вид фиг.14 по стрелке Г, на фиг.16 показано посадочное сопряжение забойного участка ОК с устройством отвода УО из ПНЖ фаз и компононент с аномальными плотностями, на фиг.17 - разрез V-V по фиг.16, на фиг.18 - исполнительный двигатель в виде гидроцилиндра автоматического регулирования расстояния концевика сепаратора от дна ОК. Для четвертого исполнения изобретения на фиг.19 изображен фрагментарный вид фиг.12 по стрелке Д на развертку периодических бипланных систем пластин или профилей для выходной части решетки лопастей СБ с конической втулкой, а на фиг.20 частичный вид по фиг.19 по стрелке Е. На фиг.21 представлен продольный разрез по фрагменту ступени (центральная часть разреза) трехрядного ФММ, а также разрезы верхнего и нижнего торцевых участков ФММ (левая и правая части чертежа соответственно на фиг.21), на фиг.22, 23 - качественные виды элементов развертки на плоскость решеток профилей лопастей РК и решеток профилей лопаток НА для двух последовательно по направлению меридианного потока расположенных РК и НА соответственно в их сечении цилиндрической поверхностью фиксированного радиуса. Продольные разрезы фиг.11, 12, 14, 16, 21 повернуты на 90° против часовой стрелки, а направление движений ПНЖ и РТ показано стрелками.
ПНУ по первому исполнению объекта изобретения во внутреннем пространстве ОК 1 от устья к забою содержит (см. фиг.1, слева от продольной оси) НКТ 2 с устьевым фланцем 3 фиксации установки в продольном направлении, размещенным в боксе наземного оборудования (БНО), ЭК 4, жестко, разъемно и облегающим образом закрепленным на внешней поверхности трубы 2, а также неподвижно и герметично соединенным с ПЭД 5 через муфту кабельного ввода 6, протектор (гидрозащиту ПЭД) 7, КТ 8, образующую между своей внутренней поверхностью и корпусами ПЭД 5 и протектора 7 переводной канал 9 поступления рабочего тела от ПН 10 в НКТ 2 посредством блоков герметичной стыковки 11, 12 КТ 8 с ПН 10 и протектором 7, а также с ПЭД 5 и НКТ 2, соответственно, ВМ 13 сепарации ПНЖ и последующего диспергирования рабочего тела с радиальными каналами 14 отвода газа в затрубное пространство 15 (см. изогнутую стрелку) и с входным блоком 16, забойную часть 17 OK 1 с радиальными отверстиями 18 приема ПНЖ и с закрытым дном 19, опирающимся на подошву 20 нефтесодержащего пласта.
ПНУ по второму и третьему исполнениям объекта изобретения во внутреннем пространстве ОК 1 от устья к забою содержит (см. фиг.1, справа от продольной оси) НКТ 2 с устьевым фланцем 3 фиксации установки в продольном направлении, размещенном в БНО, ЭК 4, который, в отличие от первого исполнения ПНУ, снабжен защитной дополнительной диэлектрической оболочкой и установлен соосно внутри НКТ 2, а также неподвижно и герметично соединен с ПЭД 5 через муфту кабельного ввода 6, протектор 7, КТ 8, образующую между своей внутренней поверхностью и корпусами ПЭД 5 и протектора 7 переводной канал 9 поступления РТ от ПН 10 в НКТ 2 посредством блоков герметичной стыковки 11, 12 КТ 8 с ПН 10 и протектором 7, а также с ПЭД 5 и НКТ 2 соответственно, ВМ 13 сепарации ПНЖ и последующего диспергирования РТ с радиальными каналами 14 отвода газа в затрубное пространство 15 и с входным блоком 16, забойную часть 17 OK 1 с радиальными отверстиями 18 приема ПНЖ и с закрытым дном 19, опирающимся на подошву 20 нефтесодержащего пласта, кроме того, в отличие от первого исполнения, систему регулирования продольного положения ПНУ с исполнительным двигателем 21 (показан фрагмент штока гидроцилиндра), радиальные каналы 22 (см. прямые расходящиеся стрелки) в модуле 13 и колонне 1 отвода тяжелых фракций и компонент ПНЖ в заобсадное пространство, осевые каналы 23 в забойной части 17 колонны 1 подачи ПНЖ в блок 16 (см. прямую вертикальную стрелку), самоустанавливающийся конический концевик 24 модуля 13.
Блок 11 разъемного и герметичного соединения КТ 8, установленной с необходимым зазором в ОК 1, с торцевыми узлами насоса 10 и протектора 7 содержит (см. фиг.2-4) приваренный к трубе 8 концевик 26 с пазами 27 для протекания РТ в переводной канал 9, кольцевой проставок 28 с радиальными отверстиями 29 поступления РТ от насоса 10 в концевик 26 и далее в канал 9, уплотнения 30 поверхностей крепления торца корпуса насоса 10 с деталью 26 и узлов затяжки шпилек 31.
Блок 12 разъемного и герметичного соединения КТ 8, установленной, как и в блоке 11, с необходимым зазором в ОК 1, с торцевыми узлами электродвигателя 5 и трубы 2 по первому исполнению объекта изобретения содержит (см. фиг.5-8) кольцевую втулку 32, скрепленную резьбовым соединением 33 с КТ 8 и имеющую окна 34 перевода рабочего тела РТ из канала 9 в транзитную камеру 35, нижнюю торцевую часть НКТ 2, снабженную верхним фланцем 36 с профилированным отверстием для пропуска ЭК 4 и основанием 37, плотно установленным на верхнем торце ПЭД 5, с окнами 38 выпуска РТ из камеры 35 во внутреннюю полость трубы 2, винты 39 (здесь четыре), справа от продольной оси, и винты 40, слева от продольной оси, с самостопорящимися гайками 41 жесткого крепления НКТ 2 и фланца 42 муфты кабельного ввода 6 к ПЭД 5, систему уплотнений 43, обеспечивающих необходимую герметизацию стыковки используемых в блоке 12 соединений: деталей 8 и 32, узлов затяжки винтов 39 и 40, ЭК 4 с фланцем 36 и верхним торцем ПЭД 5. На фиг.6 позициями 44 и 45 отмечены концевые контуры основания 37 трубы 2 и фланца 42 муфты 6; на фиг.7 для упрощения изображения ЭК 4 и винты 39,40 условно не показаны.
Блок 12 разъемного герметичного соединения КТ 8 с торцевыми узлами ПЭД 5 и НКТ 2 по второму исполнению установки содержит (см. фиг.9, 10) детали и компоновки элементов конструкций с номерами позиций, одинаковыми с позициями на фиг.5-8, но в связи с соосным расположением ЭК 4, с дополнительной защитной диэлектрической оболочкой 46, в НКТ 2 выполненными осесимметричными в продольном направлении. На участке НКТ 2 над ее верхним фланцем 36 с осевой протяженностью, несколько превышающей длину винтов 39, конфигурация трубы 2 имеет волнообразную форму 47.
Физическая модель воздействия ВМ 13 на ПНЖ (а после сепаратора - РТ) включает (см. фиг.11): схематично изображенные СБ 48 с лопастными камерами 49 и 50, имеющими соответственно коническую 51 и цилиндрическую 52 внутренние обводы, вращающиеся вместе с валом 62, УО 53 легких фракций и компонент (в основном - нерастворенного газа) 54 ПНЖ в затрубное пространство 15 через радиальные каналы 14 - для первого исполнения ПНУ, а также тяжелых фракций и компонент 55 ПНЖ через радиальные каналы 22 в заобсадное, т.е. внешнее по отношению к ОК 1, пространство - по третьему исполнению ПНУ; диспергатор 56; камеру отвода 57 квазигомогенного РТ из ВМ 13.
Конструкция ВМ 13 по первому исполнению изобретения выполнена состоящей из четырех частей (фиг.12, 13): входного блока 16, сепарационного барабана (СБ) 48, устройства отвода (УО) 53, образующих собственно сепаратор, и диспергатора 56, размещенных в едином корпусе 58 с разъемными левым фланцем 59, приемной камерой 60 и с роторными деталями, приводимыми во вращение через шпоночное соединение 61 от также единого вала 62.
Входной блок 16, помимо приемной камеры 60 с сеткой грубой очистки 63 ПНЖ и корпусом 76, содержит торцевую крышку 64, радиальный подшипник скольжения 65, отверстия 66 поступления ПНЖ в трехрядный одноступенчатый в каждом ряде осевой подпорный нагнетатель в виде ТО ОН 67а, б, в.
СБ 48 содержит пропеллерную и периодическую решетку, или секцию решеток, цилиндрических лопастей 68 с конической втулкой 69, решетку, или секцию решеток, лопастей 70 с кольцевой цилиндрической втулкой 71, защитные гильзы 72, 73.
УО 53 содержит разделитель 75 с двумя, установленными один над другим, НА 74а, б и с системой перекрещивающихся отверстий 14, 77, радиальный 78 и осевой (упорный) 79 подшипники скольжения.
Диспергатор 56 содержит трехрядный многоступенчатый осевой насос ТМ ОН 80а, б, в, радиальный 81 и осевой (упорный) 82 подшипники скольжения, отводящую камеру с осевыми ребрами 57.
Резьбовые соединения корпуса 58, например, 83, герметизированы уплотнениями 84, 85.
Для третьего исполнения объекта изобретения конструкция ПНУ дополнена следующими элементами (см. фиг.1, справа от продольной оси симметрии, фиг.14-18). Нижняя часть входного блока 16 сепаратора ВМ 13 снабжена коническим концевиком 24, разъемно закрепленном на корпусе 76 приемной камеры 60 и заканчивающимся сферическим оголовком 86. Соответствующая забойная часть 17 OK 1 снабжена эластичной опорой 25, посадочной поверхностью 87 сопряжения местного утолщения внутрь 88 участка 17 OK 1 с корпусом приемной камеры 76 и осевыми каналами 23 на этом участке. УО содержит сдвоенный разделитель 75 с тремя, установленными один на другим, НА: внутренним 74а с радиальным подшипником скольжения 78, средним 74б, внешним 74в и с системами двух радиальных 22, 14 и одной осевой 77 каналов. На осевом отрезке, охватывающем каналы 22, имеющие в ОК 1 конфузорную форму, корпус 58 ВМ 13 и местное утолщение внутрь 89 ОК 1 герметично сопряжены посадочной поверхностью 90. От левой (по фиг.16) границы поверхности 90, но справа от каналов 14, внутренний обвод 91 ОК 1 выполнен конически расширяющимся с образованием затрубного пространства 15. Гидроцилиндр со штоком 21 (см. фиг.18), помимо элементов и деталей, показанных на фиг.1, содержит поршень 92, корпус 93 с верхним фланцем 94 и нижним 95, опирающимся, в свою очередь, на фланец 96 ОК 1 с его размещением на фундаментной наземной плите 97, крышку 98, штуцеры 99 подвода и отвода гидроприводной жидкости из верхней 100 и нижней 101 полостей гидроцилиндра 21, крепежные узлы 102, уплотнения 103, показанные зачерненными малыми прямоугольниками, каналы 104 отвода газа из затрубного пространства 15.
Для четвертого исполнения ПНУ конструкция пропеллерных решеток, или секций решеток 68, 70 лопастных камер 49, 50 (см. фиг.12) СБ 48 ВМ 13 дополнительно снабжена на их периферийных торцах 105 периодическими бипланными системами, которые содержат (см. фиг.19, 20) пластины или профили (см. фиг.19, пунктирные округления пластин) 106, неподвижно и жестко установленные в торцевых пазах 107 решеток 68, 70 лопастей СБ 48.
По пятому исполнению изобретения секции ПН 10 выполнены в виде жестко, разъемно и герметично состыкованных модулей ФММ, при этом каждый ФММ содержит (см. фиг.21) вращающиеся вместе с валом 62 посредством шпоночных соединений 61 гильзы 108, 109, 110, жестко и неразъемно объединенные между собой посредством двух или более периодических решеток лопастей 111а, б, в РК в ступенях внутреннего, среднего и внешнего ряда соответственно, одну или более периодические решетки лопаток 112а, б, в НА, жестко и неразъемно объединенные посредством втулок 113а, б, в друг с другом и с корпусами ступеней ФММ 114, стыкуемыми друг с другом в количестве не более 5, из условия необходимой жесткости конструкции ФММ, резьбовыми соединениями 115, зафиксированными контровочными шурупами 116, и с участком 117 посадочного герметичного сопряжения напряженного типа, например, H7/k6, для повышенной точности их взаимного центрирования, нижние 118, 119 и верхние 120, 121 бесконтактные уплотнения, осерадиальные подшипники скольжения 122, упорное и устанавливаемое на валу 62 с натягом разрезное кольцо 123, поджимную гайку 124, участки 125, 126 реверса потока РТ с вращающимися технологическими, по преимуществу безнапорными, «скребковыми» решетками лопастей 127, 128 соответственно, входной 129 торцевой патрубок ФММ и выходной 130, в котором кольцевые участки 131 составляют корпус трехрядного НА 112 с последними лопаточными в ФММ системами 112а и 112в внутреннего и внешнего рядов, и первой - лопаточной системой 112б среднего ряда, штифты 132 жесткого и разъемного соединения втулки 133 последнего НА 112б ступени среднего ряда с корпусной деталью 134 первой ступени ФММ, уплотнения 135 герметичной изоляции внутренних полостей ФММ от затрубного пространства, входной НА 136, выходной осесимметричный канал 137.
а
б
в
ПНУ по первому исполнению работает следующим образом. При включенном ЭК 4 от источников электропитания устройств БНО, неподвижно закрепленном на наружной поверхности НКТ 2, посредством муфты кабельного ввода 6 приводится в действие ПЭД 5, который, в свою очередь, через протектор 7 приводит в действие ПН 10 (см. фиг.1). В забойной части 17 OK 1 с закрытым дном 19, опирающимся на подошву 20, через радиальные отверстия 18 происходит всасывание ПНЖ (непосредственно пластового рабочего тела) во входной блок 16 ВМ 13 (см. фиг.12). В блоке 16 ПНЖ через сетку грубой очистки 63 и отверстия 66 приемной камеры 60 с корпусом 76, радиальным подшипником 65 и торцевой крышкой 64 поступает в подпорный нагнетатель, выполненный в виде трехрядного одноступенчатого в каждом ряде осевого насоса ТО ОН 67 [6]. В первом (внутреннем) ряде, ступень которого 67а, состоящая из последовательно действующих РК и НА, выполнена как усеченный шнек, создается подпор Н, необходимый (при низком пластовом давлении) для бескавитационной работы внутренней ступени 67б с развитием ею напора Н. Наружная ступень ТО ОН 67в, состоящая из двух последовательно действующих РК, создает наибольшее приращение напора Н на входе в сепарационный барабан 48 (см. фиг.11), потребное для устойчивого функционирования ВМ 13.
Приведем оценки для напоров, создаваемых ступенями 67а, б, в ТО ОН. Исходя из уравнения Бернулли для абсолютного движения малосжимаемой (здесь и далее) текучей среды, условие бескавитационной работы внутренней (низконапорной) ступени 67а выражается неравенством
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mi>a</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo><</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>р</mi><mrow><mi>н</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mi>a</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>−</mo><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
a
пл
нп
пл
а
пл-а
<mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
где ν - абсолютная скорость на входе в ступень 67а,
- плотность ПНЖ на входе в ВМ 13, р, р - давления на верхней границе жидкой фазы в пласте и насыщенных паров газа над ней при известной температуре пласта, z, z - высотные положения пласта и входа в ступень 67а, отсчитываемые, например, от подошвы 20 пласта, h - гидропотери на расстоянии от отверстий 18 в забойной части 17 OK 1 до входных кромок лопастей РК данной ступени, g - ускорение свободного падения.
Давление на входе в РК средней ступени 67б определяется выражением
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>H</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>−</mo><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
пл-б1
пл-а
а-б1
h=h+h,
б1
б1
б1
пл-б1
где р, ν, z - давление, абсолютная скорость и высота положения входных кромок лопастей РК ступени 67б, h - гидропотери от входа в ступень 67а до входа в 67б. С другой стороны, при использовании уравнения Бернулли в относительном движения имеем
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>н</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>−</mo><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
ркб
б
б
H=σH,
ркб
б
б
где Н и σ - параметр и коэффициент кавитации РК, а Н - напор ступени 67б. Отсюда полезный напор ступени 67а, обеспечивающий бескавитационную работу РК ступени 67б, должен удовлетворять неравенству
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>sup</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>></mo><mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>н</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo><mi>inf</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo></mrow></mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sup</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>.</mo><mi>inf</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>              </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
пл.inf
sup
пл.inf
нп
б1
пл.inf
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sup</mi></mrow></msub></mrow>
Здесь р - наименьшее пластовое давление,
- наибольшее значение параметра кавитации РК ступени 67б, обычно имеющее место при форсированных подачах Q. В наиболее неблагоприятном случае р=р и z=z имеем
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>sup</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>></mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sup</mi></mrow></msub><mtext>                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
a
б
в
н
sup
a
б
в
a
б
в
г
a
б
в
п
б
sup
ркб
sup
a
а
а
б1
а
-3
3
-1
-1
-5
2
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>−</mo><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mi>а</mi></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mi>а</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow>
Напоры Н, Н, Н, развиваемые ступенями 67а, б, в, определяются как разности гидромеханических энергий в абсолютном движении потока на выходе и входе в данные ступени с учетом гидравлических потерь в этих рабочих органах. Приведем в качестве конкретного примера для выбранной ранее группы ПНУ 5А с диаметром корпуса ПН D=103 мм нижеследующие оценки. При наибольшей подаче Q=1,45·10мс, угловой скорости вращения вала 62 ω=305 с, средних диаметрах ступеней D=40 мм, D=68 мм, D=82 мм, радиальной ширине проточных частей b=18,5 мм, b=4,5 мм, b=3,5 мм, гидравлическом КПД η=0,58 и нулевых циркуляциях потока на входе в ступени с учетом сдвоенных РК внешней ступени, получим следующие прогнозные значения напоров для каждого ряда: H=0,8 м, Н=2,5 м, Н=5,6 м. Таким образом, результирующий напор на входе в сепарационный барабан при наибольшей подаче оценивается величиной Н=8,9 м. Расчетное значение коэффициента кавитации РК среднего ряда σ(Q)=0,25, так что (Н)=0,625 м. Следовательно, условие (3) для ступени 67б выполняется. Далее, для ПНЖ с обычно имеющем место коэффициентом кинематической вязкости ν>1,5·10 м/с и принятых ранее геометрических и режимных параметров ТО ОН 67 абсолютная скорость на входе в РК ступени 67а равна ν≈0,625 м/с. При этом число Рейнольдса для потока в эквивалентной трубе будет не более, чем в 1,5 раза превосходить его критическое значение и допустимо на рассматриваемом участке проточной части ТО ОН 67 оценить коэффициент гидравлического сопротивления λ по эмпирической формуле Блазиуса. В результате получим λ≈0,03 и величина гидропотерь
Тогда, оставляя в силе условия, приводящие к неравенству (3), и с учетом значения разности (z-z)=0,05 м, следующей из конструкции входного блока 16 ВМ 13, убеждаемся, что неравенство (1) также удовлетворяется.
<mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>></mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mo><</mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>→</mo></mover><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
σ
1л
2л
л
пр
Из входного блока 16 ПНЖ, имеющая плотность
, под напором Н поступает на вход в камеру 49 СБ 48 (см. фиг.11, 12) с защитной гильзой 72, пропеллерной периодической решеткой, или секцией решеток, цилиндрических лопастей 68, внутренний конический обвод 51 которой в виде втулки 69, неподвижно закрепленной на валу 62 шпоночным соединением 61 и сужающимся к нему под углом, равным примерно 12°. В этой камере происходит первый этап сепарации ПНЖ за счет положительной алгебраической суммы центробежной и радиальной составляющей кориолисовой сил инерции, с перемещением фракций и компонент 55 с плотностями
к периферии и примесей 54 с плотностями
- к втулке. Здесь
- средняя плотность текучей среды в ядре потока с уменьшенными факторами аномальных по плотности примесей. Угол β наклона входных кромок лопастей решетки или первой решетки секции 68 с конической втулкой 69 к направлению -
равен или мало отличается от соответствующего гидравлического угла β выхода потока из второго РК ступени 67в ТО ОН 67. Обозначено:
- вектора переносной, угловой скоростей, вектор - радиус, × - символ векторного произведения. Угол β скелетной поверхности лопастей 68 монотонно увеличивается к выходу, приближаясь на выходных кромках к 90°, т.е. располагаясь в меридианной плоскости, чем определяется воздействие лопастей 68 на жидкость насосного типа в окрестности периферии и турбинного - вблизи втулки. Действительно, в периферийной зоне камеры 49 напор Н, создаваемый лопастями 68, равен
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>ω</mi><mi>g</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>п</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>u</mi><mn>2</mn><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>п</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
u1
1
m1
1г
1
п
п
v=u-vctgβ, u≈u=ωr,
u
m
п2
п1
2г
u2
п
п1
п2
где v, v - окружная и меридианная (расходная) составляющие абсолютной скорости. Здесь и далее нижнее индексы «п, в» и «1, 2», а также «г» означают: периферия, втулка и вход, выход соответственно, а также слово - гидравлический. Поскольку r≈r и β=90°, то ν≈u и с точностью до пренебрежимо малой разности (z-z) получим
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mi>ω</mi><mi>g</mi></mfrac><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>β</mi><mrow><mn>1</mn><mi>г</mi></mrow></msub><mo>></mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><msub><mi>p</mi><mrow><mi>п</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>р</mi><mrow><mi>п</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>0,5</mn><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>п</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>п</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>></mo><mn>0,</mn><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где w - модуль относительной скорости.
Соотношение (4) отвечает воздействию лопастей 68 на поток в этой области камеры 49 насосного типа с положительным осевым градиентом давления [8].
Для привтулочной зоны имеем
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>ω</mi><mi>g</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>u</mi><mn>2.</mn><mi>в</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1.</mn><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
в1
u1.в
п1
u1.п
п
u1.п
Можно положить, что моменты скорости rν=rν=rν. Тогда после простых преобразований получим
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>g</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>u</mi><mi>п</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>п</mi></msub><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>β</mi><mrow><mn>1</mn><mi>г</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
п
в2
m1
п
г1
и для практически имеющих место соотношений r/r≈2÷3, v≈0,1÷0,2u, β≈20°÷30° найдем значения верхней и нижней оценки для рассматриваемого напора
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,2</mn><mo>÷</mo><mn>0,7</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>п</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>g</mi></mfrac><mo><</mo><mn>0.</mn><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
вт
Неравенство (5) соответствует действию привтулочной зоны камеры 49 на поток турбинного типа. Для геометрических и режимных параметров ВМ 13, принятых ранее, получим Н=-(3,0÷10,5) м.
гв
Для оценки градиента давления воспользуемся уравнением Бернулли в относительном движении с учетом гидравлических потерь h и запишем равенство
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
или
<mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac><msub><mi>р</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mi>g</mi><mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
С использованием предыдущих соотношений между геометрическими и гидравлическими параметрами камеры 49 найдем
<mrow><mfrac><mi>ρ</mi><mrow><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo><</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>w</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow><mo>+</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>г</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>></mo><mn>0</mn></mrow>
,
,
Отсюда непосредственно следует, что
<mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>в</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>р</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                                                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
вт
Следовательно, согласно (6) в данной области течения, главным образом - газа, реализуется в отличие от периферийной зоны течение с отрицательным градиентом давления в осевом направлении. При этом часть удельной механической энергии, определяемая величиной Н по соотношению (5), оказывается компенсационной, т.е. добавляется к энергии ротора ПЭД 5.
u
u
При дальнейшем протекании РТ уже в камере 50 с защитной гильзой 73, пропеллерной периодической решеткой или секции решеток цилиндрических лопастей 70, внутренней обвод которой 52 выполнен в виде цилиндрической кольцевой втулки 71 и соединен с валом 62 аналогично втулке 69, завершается этап сепарации фракций и компонент в ПНЖ с аномальной плотностью, описанный в целом ранее. Однако здесь имеет место то отличие, что лопасти 70 решетки, или лопасти 70 последней решетки секции в камере 50 могут плавно отходить от меридианной плоскости по направлению вращения СБ на угол, по преимуществу не превышающий 75°, с созданием в потоке дополнительно к центробежной силе инерции - однонаправлено с ней кориолисовой силы инерции, равной -2ρωw, с вкладом, составляющим примерно 20% от центробежной силы инерции. Здесь w - окружная составляющая относительной скорости потока. Тем самым интенсифицируется процесс сепарации. С другой стороны, при значительном содержании в ПНЖ механических примесей повышенной твердости возникает опасность ускоренного абразивного износа корпусных деталей. Для снижения проявлений данного негативного фактора внутренняя поверхность корпуса 58 в зоне сепарации закрыта абразивностойкими защитными гильзами 72, 73.
<mrow><mi>ρ</mi><mo><</mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>≥</mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><mi>ρ</mi><mo><</mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>></mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
Из камеры 50 распределенная по плотности, согласно условию ρ(r)<ρ(r+Δr), Δr>0, ПНЖ поступает в УО 53 (см. фиг.11-13). При этом по первому варианту изобретения в разделителе 75 посредством двух НА 74 осуществляется восстановление давления легких составляющих ПНЖ с
(втулочный НА 74а) и рабочего тела
(периферийный НА 74б). Здесь
- плотность ПНЖ на входе в УО 53. Затем часть газа, а в более общем представлении - часть фракций и компонент ПНЖ с плотностями
, через радиальные отверстия 14 в разделителе 75, с опорным 78 и упорным 79 подшипниками, и в корпусе 58 отводятся в затрубное пространство 15. Для третьего варианта исполнения ПНУ помимо отмеченного действия УО 53 через отверстия 22 в ОК 1, корпусе 58 ВМ 13 и первом разделителе 75 (см. далее комментарии по фиг.16) осуществляется частичный отвод примесей с
в заобсадное пространство. Радиальное положение и ширина каждого НА 74 выбираются исходя из конкретных эксплуатационных условий, в частности, из уровня газового фактора в ПНЖ.
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>^</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>></mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>^</mo></mover>
s
s
sa
sб
sв
u
Оставшаяся неоднородная по составу и пространственному распределению часть РТ через осевые отверстия 77 (см. фиг.13) направляется в диспергатор 56. Основным устройством диспергатора 56 является ТМ ОН 80а, б, в, выполняющий две функции: повышение напора РТ перед его входом в ПН 10 и осуществление собственно процесса образования смеси, близкой к гомогенному состоянию с плотностью
за счет двойного воздействия на поток. Первый фактор воздействия - использование эффекта так называемого «конического насоса» [1]. Сущность данного эффекта состоит в опытно установленном факте повышения степени дисперсности РТ при его протекании через блоки многоступенчатых насосов с последовательно уменьшающимся коэффициентом быстроходности n ступени каждой секции. Данное условие реализуется в ТМ ОН 80, в котором происходит течение от внутреннего ряда ступени 80а к среднему 80б и в завершении - к внешнему 80в с понижающимся значением коэффициента n ступеней от ряда 80а через ряд 80б к ряду 80в. Так, для принятых ранее, в качестве примера геометрических и режимных параметров ПНУ расчетные величины коэффициента быстроходности ТМ ОН 80 диспергатора 56 составили n=420, n=240, n=150. Второй фактор воздействия, активизирующий процессы «перемешивания» оставшихся в РТ после сепарации и частичного удаления примесей, состоит в следующем. При протекании РТ по рядам ступеней алгебраическая сумма проекций на радиальное направление центробежной и кориолисовой сил инерции в зависимости от режима работы ПНУ может быть для всех рядов как положительной, так и отрицательной. В первом случае результирующая радиальная составляющая этих сил инерции направлена по вектору
, и по величине, как правило, уменьшается от внутреннего ряда к внешнему [6]. Поэтому в РК ступеней внутреннего ряда слой примеси с
концентрируется как и в СБ в периферийной части потока, но после первого поворота на 180° и втекания в ступени второго ряда этот слой оказывается в привтулочной зоне с тенденцией перемещения по
, т.е. к периферии. За вторым поворотом потока на -180° отмеченный переход повторяется, но уже с меньшей интенсивностью. При отрицательной сумме ранее оговоренных сил развитие вторичных движений происходит в обратном порядке, но также активизирует процесс диспергирования РТ. Данные вторичные течения не сопровождаются резкими деформациями потока, а следовательно, и значительными гидравлическими потерями. Из ТМ ОН 80 диспергатора 56 квазигомогенное РТ с плотностью
через отводящую камеру с осевыми ребрами 57, введенными в конструкцию для снижения остаточной окружной составляющей ν абсолютной скорости за последним 80в до приемного малого уровня, и включающую опорный 81 и упорный 82 подшипники, а также фланец 59 разъемного скрепления ВМ 13 с ПН 10, поступает на вход в проточную часть собственно секционного насосного модуля ПН 10.
В модульных секциях многоступенчатого насоса ПН 10 механическая энергия вращения его ротора в доле, определяемой полным КПД этого насоса, преобразуется в гидромеханическую энергию, которая, в удельном выражении через отнесение к единице веса РТ, равна напору ПНУ. Этот напор должен быть достаточным для устойчивого и надежного трансфера РТ в приемные устройства БНО.
Из ПН 10 РТ поступает в установленный соосно по отношению к ОК 1 блок 11 герметичной стыковки КТ 8 с насосом 10 и протектором 7 (см. фиг.1-4). При этом передача механической энергии вращения от ротора протектора 7 к ротору ПН 10 происходит через шлицевое соединение их валов 62 (см. фиг.2). Направление движения РТ в блоке 11 показано на фиг.2 изогнутыми стрелками. Видно, что из канала, образованного внешними поверхностями деталей 62 и внутренними неподвижными цилиндрическими поверхностями деталей 26, 8 с узлами затяжки 31 и уплотнениями 30 через окна 29 в проставке 28, а также пазы 27 в концевике 26, РТ направляется в переводной канал 9 между корпусом протектора 7 и внутренней поверхностью КТ 8. Ясно, что все детали и полости протекания рабочего тела данного блока, как и последующих стыковочных узлов при трансфере РТ, должны удовлетворять условиями прочности, герметичности соединений, рекомендуемых скоростей потоков.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
2
При необходимости увеличения толщины КТ 8, например, из требования повышения прочности, в случаях скважин для пластов сверхглубокого залегания (свыше 3000 м), а также зазора между ОК 1 с фиксированными радиальными размерами и КТ 8, или площади проходного сечения канала 9, может быть несколько уменьшен диаметр D ПЭД 5 и протектора 7 при соответствующем удлинении осевой протяженности L электродвигателя 5. Отмеченное следует из условия пропорциональности мощности электродвигателей N квадрату D и L в первой степени, т.е. N~LD . Например, для рассматривавшихся ранее параметров ПНУ группы 5А с внутренним диаметром ОК 1, равным 130 мм, D=103 мм примем увеличение толщины КТ 8 с 4 до 4,5 мм, зазор между ОК 1 и КТ 8 с 6 мм до 8 мм и толщины кольцевого сечения в переводном канале с 3,5 мм до 4,0 мм. Такие изменения соответствуют необходимости уменьшения диаметра D ПЭД 5 от 103 мм до 97 мм. Тогда при неизменной мощности установки и исходя из условия LD =const потребуется увеличить осевую длину ПЭД 5 не более чем на 13%.
Дальнейшее протекание РТ происходит в том же канале 9 по внутренней цилиндрической поверхности, образованной корпусом ПЭД 5, до блока 12 герметичной стыковки КТ 8 с электродвигателем 5 и НКТ 2 (см. фиг.1, 5-8). В блоке 12 по первому исполнению изобретения, размещенным соосно в ОК 1 с требуемым зазором 15, РТ, направление течения которого, как и ранее, показано искривленными стрелками (см. фиг.5), из канала 9 через окна 34 во втулке 32, транзитную камеру 35 и окна 38 в основании 37 трубы 2 поступает в НКТ 2. В зоне блока 12 НКТ 2 снабжена верхним фланцем 36 ее плотной, разъемной и герметичной стыковки с верхнем торцем ПЭД 5 винтами 39, 40 через основание 37, концевые кромки которого имеют расположение и форму 44, допускающими прохождение ЭК 4 через основание 37 НКТ 2. Позицией 43 отмечены места уплотнения для герметичной изоляции соединений ЭК 4 с ПЭД 5, затрубного пространства 15 от переводного канала 9 и внутренней полости НКТ 2. Во фланце 36 выполнено профилированное окно (см. фиг.7, внутреннюю поверхность уплотнения 43), а во втулке 32 соответствующая выемка (см. фиг.5, слева, на втулке 32 вертикальную штриховую линию, и фиг.6, втулку 32, слева) для пропуска ЭК 4 и его плотного, разъемного и герметичного закрепления винтами 40 с самостопорящимися гайками 41 через фланец 42 с концевыми кромками 45 муфты кабельного ввода 6 на верхнем торце ПЭД 5. Отмеченная выемка является также элементом стопорения резьбового соединения 33 втулки 32 и КТ 8. Вне блока 12 ЭК 4 чечевидной формы, для сокращения радиальных габаритов соединения, плотно прилегает к НКТ 2, путем крепления к ней, например, хомутами (см. фиг.1) и под фланцем 3 НКТ 2 выводится в БНО.
На завершающей стадии трансфера РТ по НКТ 2, минуя ее устьевой фланец 3, поступает в приемные устройства БНО.
Для второго исполнения ПНУ (см. фиг.1, 9, 10) ЭК 4 с защитной оболочкой 46 размещен соосно в НКТ 2. Поэтому в блоке 11 фланец 36, втулка 32, основание 37, фланец 42 муфты 6, транзитная камера 35 (выделена на фиг.10 концентричными штриховыми окружностями) полностью осесимметричны. Винтами 39, резьбовым законтренным соединением 33 деталей 32 и 8, и системой уплотнений 43 обеспечивается плотное, разъемное и герметичное сочленение всех деталей и узлов, входящих в данный блок. Как отмечалось, волнообразная форма 47 стенок НКТ 2 от фланца 36 и вверх на расстоянии, несколько превышающим длину винтов 39, вызвана условием возможности установки этих крепежных деталей. Трансфер РТ в блоке 12 и далее в кольцевом канале между внутренней поверхностью НКТ 2 и внутренней оболочкой 46 кабеля 4 аналогичен описанному ранее. ЭК 4 выводится в БНО непосредственно через фланец 3 трубы 2. Размещение ЭК 4 в НКТ 2 требует увеличения ее внутреннего диаметра примерно на 25-30%.
В третьем исполнении установки функциональные и конструкторские изменения вносятся в забойную часть ОК 1, устройство ВМ 13 и устьевую часть НКТ 2 (см. фиг.1, 14-18).
При помещении ПНУ в скважину конический концевик 24, закрепленный на корпусе 76 приемной камеры 60 входного блока 16 (см. фиг.14) сепаратора ВМ 13, которая сопряжена ходовой (с зазором) посадочной поверхностью 87 с местным утолщением внутрь 88 забойной части 17 ОК 1, для обеспечения необходимой соосности ВМ 13 и ОК 1 в забойной зоне, концевик 24 своим сферическим оголовком 86 входит в упругий контакт с эластичной опорой 25 закрытого дна 19 ОК 1. В утолщении 88 выполнены пазы 23 для протекания ПНЖ в камеру 60. Монтажные работы должны проводиться с обеспечением мер защиты затрубной части ОК 1 от попадания в нее скважинного грунта. В результате отмеченных действий концевик 24 оказывается сдвинутым относительно поверхности 87 на ОК 1 (вправо на фиг.14) - на некоторую фиксированную величину Δ. Система автоматического регулирования, которая выполнена, как готовое изделие, например, в виде гидравлического следящего привода, размещенного в БНО, через устьевой фланец 3, разъемно соединенный со штоком 21 гидроцилиндра, известного принципа действия и включающего оговоренные ранее собственные детали и детали сопряжения с опорами, отмеченные позициями 92-104 (см. фиг.18), смещает ПНУ (на фиг.1 - вверх) в требуемое эксплуатационное положение с образованием установленного регламентом зазора Δ между оголовком 86 и эластичной опорой 25.
<mrow><mi>ρ</mi><mo><</mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>></mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>^</mo></mover>
После запуска установки ПНЖ через отверстия 18 и пазы 23 в забойной части 19 OK 1 поступает в приемную камеру 60. Дальнейшее протекание ПНЖ по третьему варианту изобретения аналогично рассмотренному в первом и втором вариантах исполнения установки за одним, но принципиально важным, исключением, заключающемся в возможности в течение всего установленного ресурсом времени работы частично удалять из ПНЖ не только примеси с плотностями
, главным образом - газ, но и примеси с плотностями
по преимуществу - воду, и абразивные включения (см. фиг.11). Указанный процесс происходит в сдвоенном разделителе 75 УО 53 (см. фиг.16). Во внутреннем кольцевом канале первой части устройства 75 осевой НА 74a, втулка которого жестко связана с радиальным подшипником скольжения 78, восстанавливает давление и через радиальные отверстия 14 во второй части 75 переводит часть легких примесей в затрубное пространство 15. Наружная поверхность 15 на этом участке в целях облегчения устанавливания концевика 24 в забойной части 19 OK 1 выполнена конической с малым ≈5÷7° углом раскрытия. НА 74б в среднем кольцевом канале также повышает давление и переводит отсепарированное РТ с пространственно неоднородной плотностью
, но пониженными газовым, водным и абразивным факторами, через осевые отврестия 77 второй части 75 в диспергатор 56. Верхний кольцевой канал в первой части 75 с НА 74в направляет под повышенным, как отмечалось ранее, давлением и струеобразно (см. расходящиеся прямые стрелки на фиг.16) часть особо плотных примесей и попутную воду в заобсадное пространство через герметично изолированные от внутренних полостей ОК 1 и радиальных отверстий 14 радиальные отверстия 22, выполненные в деталях 75, 58, 1 с посадочной поверхностью 90 между поверхностями 58 корпуса сепаратора и местного утолщения внутрь 89 забойного участка 17 ОК 1.
p
m
u
m
u
u,r
к,r
u
u,r
к,r
u
u
u,r
к,r
u
inf
г
<mrow><mover accent="true"><mi>ν</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>w</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ν</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>w</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>u</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>⇀</mo></mover><mo>×</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>→</mo></mover><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>⇀</mo></mover><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>w</mi><mo>→</mo></mover>
2
В четвертом варианте исполнения ПНУ установка на периферийных торцах 105 решеток, или секций решеток 68, 70 лопастей в камерах 49, 50 барабана 48 ВМ 13 периодических бипланных систем пластин, или профилей (см. на фиг.19 скругления их входных кромок с тыльной стороны, показанные пунктиром) 106, смещенных относительно друг друга на половину осевого шага l и жестко закрепленных в торцевых пазах 107 этих решеток (см. фиг.12, 19, 20), предотвращает либо существенно снижает абразивный износ и тем более разрушение защитных гильз 72, 73. Принцип действия решеток 68, 70, размещенных в малой внутренней окрестности гильз 72, 73, поясняется треугольником скоростей на фиг.19 слева для правого со стороны устья вращения ротора ВМ 13 с угловой частотой ω и при расчетной подаче Q ПН 10. Введены обозначения:
,
, ν, w - векторы абсолютной, относительной и переносной (на периферии) скоростей; ν, w - меридианная составляющая
и окружная составляющая
. Известно, что во вращающихся континуальных средах, помимо инерционных сил локального и конвективного ускорений, возникают еще два вида сил инерции - центробежная, от центростремительного ускорения, равная двойному векторному произведению
, и от кориолисова ускорения, равная векторному произведению
(силы отнесены к единице массы). В данном случае, для проекций этих сил на радиальное направление соответственно имеем F=ωr=ωu, F=2ωw. Отсюда ясно, что F - всегда положительна, т.е. направлена по
, а знак (sgn) F зависит от знака w. Для разных знаков этих скоростей sgn(w)=-sgn(u) результирующее радиальное усилие, т.е. алгебраическая сумма сил (F+F) может быть уменьшена и в частном случае номинального режима течения при w=-0,5u - сведена к нулю. Тогда в расчетном режиме, в данном случае при наименьшей подачи Q, для угла β наклона пластин, или профилей к окружному направлению при допущении равенства этого угла соответствующему гидравлическому углу β между
и
имеем
<mrow><mi>β</mi><mo>≈</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mo>.</mo><mi>inf</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>u</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>          </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
inf
sup
Например, для использованных ранее в качестве иллюстраций к излагаемым положениям тестовых параметров ПНУ при Q=0,5Q из (7) следует
<mrow><msub><mi>u</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mn>12</mn><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mo>.</mo><mi>inf</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,25</mn><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
так что β≈2,4°.
Здесь нижний индекс n - отмечает периферийную зону потока. Очевидно, что применяемый для изготовления рассмотренных решеток пластин, или профилей, материал должен быть абразивостойким.
По пятому исполнению ПНУ (см. фиг.21-23) РТ из отводящей камеры диспергатора 56 через входной торцевой патрубок 129 (на фиг.21 - справа), резьбовым соединением 115, законтренным шурупами 116, соосно по посадочной (без зазора) поверхности 117 и герметично уплотнением 135 стыкованный с корпусом 134 нижнего торцевого узла и первой ступени ФММ, и входной НА 136, стабилизирующий поток и обеспечивающий бесциркуляционное течение на своем выходе, направляется в ступени внутреннего ряда первого из ФММ в их секции. Эти ступени образованы совокупностями лопастных решеток РК 111a не менее двух и лопаточных решеток НА 112а не менее одной. При выходе РТ НА 112а последней ступени ФММ внутреннего ряда с лопаточной решеткой, размещенной в корпусе 131 выходного торцевого патрубка 130, т.е. на участке 125, осуществляется реверс потока с обтеканием им безнапорной решетки 127 с лопастями, жестко соединенными с вращающейся гильзой 109 при неподвижном внешнем ободе в виде части поверхности тороидальной формы, выполненной в корпусной детали 131. После прохождения РТ средней решетки НА 112б выходного торцевого патрубка 130, жестко размещенной в корпусной детали 131, осуществляется гидродинамическое обтекание рабочих органов, по преимуществу до пяти ступней, второго ряда, т.е. РК 111б и НА 112б, с достижением им реверсного участка 126 и протеканием через безнапорную вращающуюся решетку 128. Назначение решеток 127, 128 состоит в предотвращении отложений высоковязких компонент, типа парафина, смол и т.п., с заращиванием ими зон реверса РТ. При этом внешний обод участка 126 образован соответствующей внутренней тороидальной поверхностью втулки 133 последнего НА 112б среднего ряда, жестко состыкованной с корпусом 134 штифтами 132. Происходящее далее гидродинамическое обтекание ступеней из лопастных решеток РК 111в не менее двух и лопаточных решеток НА 112в не менее одной внешнего ряда завершается практически бесциркуляционным выходом РТ через осесимметричный канал 137 из данного ФММ с последующим его втеканием в следующий ФММ при соосном, жестком, разъемном и герметичном с уплотнением 135 и посадочным по поверхности 117 сочленении этих модулей торцевыми патрубками 129, 130. Как следует из рассмотрения фиг.21, для проточной части вне торцевых участках применен пакетный принцип размещения рабочих органов ступеней ФММ, при котором передние и задние (по отношению к направлению меридианного потока) кромки гильз 108-110 решеток 111а, б, в и втулок 113а, б, в решеток 112а, б, в соответствующих ступеней во всех трех рядах расположены в фиксированных плоскостях, ортогональных оси вращения. Гильзы 108-110 и лопастные решетки РК 111a, б, в образуют единую вращающуюся деталь, передающую крутящий момент через шпоночное соединение 61 на вал 62. Аналогично втулки 113а, б, в и лопаточные решетки НА 112а, б, в, в свою очередь, составляют единую деталь с корпусом 114 ступени ФММ. Отсюда следует, что осевые размеры ступеней и их число в рядах по отношению друг к другу одинаковы. Межрядные и межступенные бесконтактные уплотнения 118-121 выполнены в виде миниатюрных лабиринтно-винтовых насосов известного принципа действия с напором при нулевой подаче, рекомендательно равным, либо близким к соответствующему перепаду давления на этих уплотнениях. Из условия жесткости конструкции, а также в целях ограничения перепадов давления, а следовательно межрядных и межлопастных утечек число ступеней в ФММ рекомендательно устанавливать, как отмечалось ранее, не более пяти, состыкованных друг с другом, аналогично торцевым участкам, резьбовыми соединениями 115, законтренными шурупами 116, с посадочными поверхностями без зазора 117 и уплотнениями 135, обеспечивающими соосность, жесткость и герметичность соединений. Каждая ступень ФММ, или через одну-две, и торцевые участки для восприятия осевых и радиальных нестационарных нагрузок и с дополнительной функцией уплотняющего элемента снабжены осерадиальными подшипниками скольжения 122, со свойством эластоупругости, возможностью смазки непосредственно РТ и корпусными деталями, образованными втулками 113а (для торцевых участков - деталями 130 и 136) и гильзами 108. При этом гильзы 108, а следовательно, все РК установлены между разрезным кольцом 123 и поджимной гайкой 124 по известной плавающей схеме с малым межступенным осевым зазором, равным 0,1-0,15 мм.
a
б1
нп
б1
пл
а
Представленные варианты изобретения решают поставленную техническую задачу. Действительно, расположение ПЭД 5 с протектором 7 над ПН 10 с ВМ 13 и трансфер РТ от ПН 10 через стыковочный узел 11, по переводному каналу 9, а далее через стыковочный узел 12 в НКТ 2 позволяет существенно повысить антикавитационные свойства ВМ 13, а также исключить, либо значительно снизить энергозатраты на увеличение пластового давления путем подачи в пласт под напором воды. При этом также повышается общий среднеэксплуатационный КПД ПНУ. Данный вывод следует из того факта, что высотные положения z и z входа в первую, т.е. шнековую, ступень 67а и вторую ступень 67б ТО ОН входного блока 16 ВМ 13, фигурирующие в выражениях (1,2) для условий их бескавитационной работы, имеют значения, уменьшенные на осевые размеры ПЭД 5 и протектора 7. Эти размеры при использовании секционных ПЭД могут достигать значений, превышающих 20 метров. Кроме того, конкретными расчетами показано, что даже в наиболее неблагоприятном случае равенства давления ПНЖ в пласте давлению насыщенных паров р, а также высотных положений z и поверхности z соотношение (1) для допустимого уровня кинетической энергии потока на входе в шнековую ступень выполняется. Следовательно, данная ступень может не кавитировать и создавать подпор Н, удовлетворяющий условиям (2, 3) бескавитационной работы РК ступени 67б.
Закрепление ЭК 4 по первому исполнению объекта изобретения только на наружной поверхности НКТ 2, внешний диаметр которой примерно вдвое меньше наружного диаметра ПЭД 5, а особенно при размещении ЭК 4 внутри НКТ 2 по второму варианту исполнения ПНУ, резко снижает, либо полностью исключает возможность его повреждения при монтаже и эксплуатации ПНУ.
<mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>^</mo></mover>
<mrow><mi>ρ</mi><mo>></mo><mover accent="true"><mi>ρ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
Предложенная в изобретении компоновка позволила реализовать решение согласно третьему варианту для сепаратора ВМ 13, с самоустанавливающимся в забойной части 17 OK 1 коническим концевиком 24, мультидействия с частичным, но в течении всего ресурса работы ПНУ, удалением не только газа и вообще примесей с пониженной по отношению к номинальной
плотностью в затрубное пространство 15, но и тяжелых примесей с
(также частично), в том числе воды, коррозионно-активных солей и абразивных включений, через герметично изолированные от внутренних полостей ВМ 13 и затрубного пространства 15 радиальные отверстия 22 в заобсадное пространство. Данное решение повышает КПД установки, в частности, благодаря устранению из ПНЖ перед диспергатором 56 определенного количества пластовой воды, а также ее ресурс и надежность за счет снижения содержания коррозионного и эрозионного факторов в ВМ 13.
Использование во входном блоке 16 подпорного нагнетателя в виде трехрядного осевого насоса ТО ОН 67 с применением в качестве ступени внутреннего ряда 67а усеченной в радиальном и осевом направлении ступени шнекового типа, а далее - ступени 67б второго (внутреннего) ряда и ступени 67в третьего ряда, состоящей из сдвоенных РК, позволяет, во-первых, избежать либо ослабить интенсивность обратных токов на входе в ступень 67а, характеризующейся повышенной всасывающей способностью, а следовательно, понизить абразивный износ РК данной ступени. Во-вторых, создается увеличенный напор перед барабаном СБ 48, препятствующий развитию газовых пробок при втекании ПНЖ в СБ 48. Далее, исполнение втулки 69 конической формы для решетки лопастей 68 камеры 49 СБ 48 реализует согласно выражениям (4-6) насосный тип воздействия на поток в периферийной зоне камеры 49 с положительным осевым градиентом давления и, наоборот, турбинный с отрицательным осевым градиентом давления для привтулочной области течения (в основном газового потока). Последний фактор создает подсасывающий эффект, также препятствующий образованию застойных зон на входе в камеру 49.
Исполнение диспергатора 56 в виде трехрядного многоступенчатого осевого насоса ТМ ОН 80 повышает его КПД [6], а из-за реализуемого в его проточной части эффекта «конического насоса» и разнонаправленных в рядах ступеней поперечных (радиальных) перемещений слоев РТ с отличающимися плотностями, происходящих под действием радиальных составляющих сил инерции, осуществляется эффективный процесс диспергирования с образованием структуры РТ, близкой к гомогенной.
н
н
н
Размещение ЭК 4 только на внешней поверхности (по первому варианту изобретения) или внутри НКТ 2 (по второму варианту изобретения) доставляет возможность увеличить диаметр D корпуса ПН 10 вплоть до наружного диаметра КТ 8 переводного канала 9 и тем самым качественно увеличить напорность установки. В частности, для группы ПНУ 5А с регламентированным значением диаметра корпуса ПН D=103 мм данный параметр может быть предельно повышен до D=118 мм. Такая коррекция, с учетом квадратичной зависимости напора РК от его диаметра, позволит увеличить напорность ПНУ примерно на 30%.
Установка по четвертому варианту изобретения на периферийных торцах 107 лопастей решеток 68, 70 бипланных периодических систем пластин (или профилей) 106 качественно снижает износ корпуса СБ 48.
<mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>230</mn></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>K</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,22</mn></mrow>
c
c
c
s
sa
sб
sв
н
Применение в качестве секции ПН совокупности функциональных многоступенчатых модулей ФММ со ступенями осевого типа прогнозно позволяет создавать напорность
, т.е. приращение напора ΔH на единице его осевой длины Δl=1, не уступающую, а по преимуществу превышающую, известные предельные значения данного параметра для многоступенчатых секционных насосов с центробежновихревыми ступенями [1], равного, например, для ПНУ группы 5А с указанными ранее геометрическими и режимными факторами
. Данные значения соответствуют эквивалентной осевой протяженности ступени в виде совокупности одного РК и одного НА l=33 мм и напору H=7,6 м. В предлагаемых решениях даже в случае использования в каждом ряде осевых ступеней традиционного вида, т.е. также с одним РК и одним НА, может быть достигнут уровень
практически не отличающий от указанного. Действительно, для той же группы ПНУ и при l, также равной 33 мм, с учетом снижения абразивных свойств РТ, при выполнении установки по третьему варианту изобретения, может не устанавливаться защитная втулка для корпусов ступеней 114, 134 (фиг.21). Тогда среднеинтегральные значения D диаметров РК 118a, б, в равны D=52,5 мм, D=70,5 мм, D=86,5 мм. В результате при также среднем значении коэффициента напора из известного для высоконапорных осевых ступеней диапазона К=0,20÷0,24, т.е. при
, полезный напор ступени в каждом ряде и их суммарный напор будут характеризоваться значениями
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>a</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>H</mi><mrow><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2,55</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>H</mi><mrow><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>3,9</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mi>H</mi><mi>σ</mi></msub><mo>=</mo><mn>7,85</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>.</mo><mtext>           </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
c
c
fσ
c
σ
c
2
3
inf
2
3
fσ
c
σ
2
3
2
3
fσ
c
σ
inf
fσ
inf
sup
fσ
c
inf
fσ
<mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Полученный результат может быть существенно улучшен при использовании пятого варианта изобретения со ступенями ФММ, в которых число РК превышает количество НА. Обоснование целесообразности подобного соотношения в значениях применяемых рабочих органов в ступени состоит в том, что, как показывают расчетно-теоретические исследования [6], решетки лопаток НА для сверхтихоходных осевых ступеней характеризуются значительно меньшим отставанием потока от контура профилей, чем это имеет место в лопастных решетках РК. Пусть для рассматриваемом примера ФММ имеет в каждом ряде 20 рабочих органов с общей осевой протяженностью 10z=330 мм и три варианта ступеней. В первом - выполнение ступеней общепринятое, при этом число ступеней m=10 и полный напор, создаваемый ФММ будет равен Н=mН=78,5 м. Во втором варианте каждая ступень состоит из трех РК и двух НА. Следовательно, для числа ступеней в каждом ряде (очевидно, с их числом, равным трем) имеем m=4. Тогда, полагая, что первые по потоку РК в ступенях рядов развивают приведенные выше напоры (8), а вторые и третьи РК в ступенях - эти напоры с коэффициентами К, К удовлетворяющим неравенствам К<К, К≤1. Следовательно, для полного напора ФММ получим Н=mH(1+К+К). Полагая для определенности К=К=К, получим Н=mН(1+2K), при К=К, H=78,5 м, т.е. К=3/4. Таким образом, повышение напорности будет иметь место при К>3/4. Если К=К=1, т.е. при допущении, что все три РК ступеней в каждом ряде создают напоры (8), найдем Н=4·7,85·3≈94 м. В третьем варианте ступени во всех рядах имеют по четыре РК и одному НА, т.е. число ступеней по-прежнему равно m=4. В этом случае и при прочих равных условиях имеем К=1/2, а при К=1 получим Н=125 м, т.е. напорность
может прогнозно оказаться примерно на 60% выше, чем при общепринятом исполнении осевых ступеней.
Предложенный в изобретении ФММ, состоящий из осевых ступеней, будет функционировать без срыва подачи даже при газосодержении в РТ более 25% [1]. Действительно, в центробежных РК под действием центробежной силы инерции, превалирующей по величине над радиальными проекциями других гидродинамических сил за поворотом потока от осевого к радиальному направлению, газовые образования оттесняются жидкой фазой к входу в РК, что при значительном газосодержании приводит к загромождению зоны втекания и, в конченом счете, срыву подачи. В осевых РК под действием радиально направленных сил инерции газовая фракция, в зависимости от знака их алгебраической суммы, оттесняется либо к втулочной области, либо к периферийной. При этом образующейся газовый слой сравнительно слабо меняется по толщине в осевом направлении и перемещается под действием осевых составляющих гидродинамических сил в межлопастном канале от входа к выходу совместно с жидкой фазой основного потока без срыва подачи.
Таким образом, результат изобретения достигается следующим:
- исключение механических повреждений ЭК обеспечивается либо его жестким закреплением только на НКТ, имеющей диаметральный размер, примерно вдвое меньший наружных диаметров протектора и ПЭД, или его герметичным размещением внутри НКТ;
- увеличение антикавитационных качеств собственно ПН и ВМ с доставлением энергоэффективной работы ПНУ на пониженном пластовом давлении осуществляется за счет их установки в нижней части всей установки, т.е. под протектором и ПНУ, а также использования трехрядного подпорного нагнетателя осевого типа со шнековой ступенью в его внутреннем ряде; при этом организация поступления РТ от ПН в НКТ через цилиндрический, герметично изолированный от ОК, протектор и ПЭД, переводной канал, монтируемый с необходимыми зазорами в затрубном пространстве и охватывающий протектор и ПЭД, оказывается возможной благодаря отмеченным выше решениям для монтажа ЭК;
- устранение явления образования газовых пробок на входе в СБ обеспечивается повышенной напорностью подпорного нагнетателя во входном блоке ВМ и использованием втулки входной части СБ в виде конуса с повышенным подсасывающим эффектом (турбинный тип течения) для привтулочных слоев ПНЖ и дополнительным повышением напора - для периферийной зоны течения (насосный тип течения);
- отвод тяжелых фракций в заобсадное пространство осуществляется в забойной (нижней) части ОК, контактирующей своей наружной поверхностью с пластом газожидкостной нефтесодержащей смесью через радиальные отверстия в УО и ОК специальной конструкции в этой зоне;
- высокий уровень гомогенности РТ достигается путем применения диспергатора, устанавливаемого над сепаратором, в виде трехрядного осевого многоступенчатого насоса со свойством повышенной дисперсии за счет присущих для него свойств «конического насоса» и эффекта интенсивного поперечного перемешивания слоев РТ при протекании жидкости по рядам ступеней данного устройства;
- повышение напорности реализуется применением секций из функциональных многоступенчатых модулей ФММ с числом РК в каждой ступени, превышающим количество НА.
В результате изобретения создана энергетически более эффективная погружная насосная установка с повышенной надежностью и долговечностью.