УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ

Настоящее предполагаемое изобретение относится к устройствам для нагнетания газожидкостных смесей с применением нагнетателей возвратно-поступательного действия, преимущественно для бурения, освоения и эксплуатации нефтегазовых скважин.
Известно устройство для нагнетателя газожидкостной смеси поршневым насосом, содержащим рабочий цилиндр со всасывающим и нагнетательными клапанами, поршень, размещаемый в рабочей камере, дополнительную цилиндрическую камеру, сообщенную с рабочей, причем в полость дополнительной камеры через стенку введен трубопровод, соединенный с источником газа и снабженный на конце впускным клапаном, а также трубопровод подачи жидкости в рабочую камеру (от независимого источника). К концу такта всасывания в дополнительной камере находится объем образовавшейся в ней газожидкостной смеси, поджимаемой снизу жидкости. При выполнении наосом такта нагнетания жидкость из рабочего цилиндра вытесняется поршнем в дополнительную камеру, где газожидкостная смесь сжимается до давления нагнетания, при котором открывается нагнетательный клапан и газожидкостная смесь поступает к потребителю. Далее работа устройства повторяется (авт. св. СССР №714044, кл. F 04 B 23/10, 1980 г.). Недостатком известного устройства является то, что впуск газа в дополнительную камеру через введенный в нее трубопровод приводит к значительному «барботажу» вблизи поверхности раздела жидкой и газовой сред и к появлению у указанной поверхности значительного по толщине слоя неспокойной жидкости, пронизанного «языками» газа. В этом слое идет интенсивное растворение газа и в ряде случаев прорыв «языков» газа в рабочую камеру насоса, что нарушает нормальную работу последнего.
За прототип предлагаемого технического решения может быть принято устройство для нагнетания газожидкостной смеси по пат. РФ №2145677, кл. F 04 B 15/00, 1998 г. Характерной особенностью этого устройства является то, что устройство для ввода газа в рабочую камеру в виде трубчатого коллектора, снабженное впускным клапаном, размещено вне указанной камеры, причем последний сообщен с этой
камерой с помощью горизонтального канала в ее стенке. Продольная ось этого канала не совпадает с диаметром камеры. Канал оснащен успокоителем, обеспечивающим струйное истечение газа со скоростями ниже скорости звука.
Это техническое решение, обеспечивая снижение барботажа в рабочей камере при подаче в нее газа, имеет и ряд недостатков, из которых главными являются:
1) успокоитель, обладая; существенным сопротивлением, затрудняет подачу газа в камеру, тем самым увеличивает коэффициент потерь в клапане и снижает эффективность установки в целом;
2) успокоитель формирует направленную струю, которая, отражаясь от стенок камеры, активно воздействует на поверхность жидкостного поршня - гидрозатвора, нарушая его целостность;
3) успокоитель формирует перед клапаном непроточный для гидрозатвора объем, увеличивая мертвый объем в камере установки, который снижает производительность, достигаемую степень повышения давления, и формирует обратный момент на валу установки, что весьма неблагоприятно сказывается на ее эксплуатации.
В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предполагаемое изобретение является устранения указанных недостатков и создание такого устройства для нагнетания газожидкостных смесей, конструкция которого обеспечивала бы разрушение струи всасываемого газа для снижения воздействия отраженной струи на поверхность жидкости, образующей в камере гидрозатвор, и при этом не ухудшить прочие характеристики работы устройства.
сеч
Для решения поставленной задачи устройство для нагнетания газожидкостных смесей включает нагнетатель возвратно-поступательного действия, рабочую камеру, сообщенную с нагнетателем, устройство для ввода в эту камеру жидкости, устройство для ввода в нее газа, снабженное впускным газовым клапаном тарельчатого типа и нагнетательный клапан для подачи газожидкостной смеси потребителю. При этом впускной газовый клапан выполнен с кольцевым насадком, закрепленным на седле. Этот насадок может иметь в поперечном сечении круглую форму, причем его диаметр сечения (d) составляет:
где
h - высота подъема тарели клапана;
α - угол наклона нижней конической поверхности тарели к горизонтали;
уд
а расстояние между выходным срезом щели и центром сечения насадки (l) составляет
Кольцевой насадок может также иметь в сечении форму правильного многоугольника. Насадок может быть скреплен с седлом клапана с помощью нескольких перемычек или сплошной перегородкой.
Возможность осуществления настоящего предполагаемого изобретения доказывается успешным использованием в отечественной и зарубежной практике устройств для нагнетания газожидкостных смесей с применением нагнетателей в виде поршневых насосов, разработанных и реализованных в ряде отечественных установок при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого устройства отражены в формуле изобретения. Они необходимы и достаточны для осуществления предполагаемого изобретения, т.к. обеспечивают решение поставленной технической задачи - разрушение струи всасываемого газа для снижения ее воздействия на поверхность жидкости в рабочей камере, образующей в камере гидрозатвор, без ухудшения характеристик работы устройства.
В дальнейшем настоящее предполагаемое изобретение поясняется примером его выполнения, схематически изображенном на прилагаемых чертежах, на которых
Фиг.1 - схематическое изображение устройства для нагнетания газожидкостных смесей в соответствии с настоящим предполагаемым изобретением (продольный разрез);
Фиг.2 - конструкция узла впускного газового клапана устройства, показанного на фиг.1, поясняющего его работу (в увеличенном масштабе);
Фиг.3 - узел впускного газового клапана, показанного на фиг.1 и 2, с креплением кольцевого насадка на седле с помощью нескольких перемычек.
Фиг.4 - конструкция узла впускного газового клапана устройства, показанного на фиг.1, с кольцевым насадком, имеющим в сечении форму правильного многоугольника (в увеличенном масштабе);
Фиг.5 - узел впускного газового клапана устройства, показанного на фиг.1, с креплением кольцевого насадка к седлу с помощью сплошной перегородки.
Заявляемое устройство для нагнетания газожидкостных смесей (фиг.1) включает нагнетатель возвратно-поступательного действия 1 и рабочую камеру 2, сообщенную с нагнетателем. Рабочая камера 2 имеет устройство 3 для ввода жидкости
в нее и устройство 4 для ввода газа; снабженное впускным газовым клапаном 5 тарельчатого типа. Рабочая камера 2 снабжена нагнетательным клапаном 6 для подачи газожидкостной смеси потребителю. Впускной газовый клапан 5 выполнен с кольцевым насадком 7, закрепленном на седле 8 с помощью нескольких перемычек 9 (фиг.3).
сеч
Кольцевой насадок имеет в поперечном сечении круглую форму, причем диаметр его сечения (d) составляет
где
h - высота подъема тарели клапана;
α - угол наклона нижней конической поверхности тарели к горизонтали;
уд
а расстояние между выходным срезом щели и центром сечения насадки (l) составляет
Кольцевой насадок может также иметь в сечении форму правильного многоугольника 10 (фиг.4). Преимущества такого решения будут объяснены ниже. Он может быть скреплен с седлом клапана сплошной перегородкой 11 (фиг.5).
Работа устройства осуществляется следующим образом. При выполнении нагнетателем 1 такта всасывания он перемещается между уровнями верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ) - фиг.1. В это время через устройство 3 в рабочую камеру 2 подается жидкость, образующая гидрозатвор 12 и через всасывающий клапан 5 газ. К концу такта всасывания в рабочей камере 2 находится объем, складывающийся из поступившего газа проточной части гидрозатвора и постоянной части гидрозатвора 12.
При такте нагнетания нагнетатель 1 движется между уровнями НМТ и ВМТ, гидрозатвор 12 перемещается вверх, сжимая поступивший в рабочую камеру 2 газ, после чего при открытии клапана 6 осуществляется нагнетание газа и проточной части гидрозатвора, образующих в нагнетательном трубопроводе газожидкостную смесь, подаваемую потребителю.
При открытии клапана в щели между седлом и тарелью формируется кольцевое (двумерное) струйное течение, истекающее в затопленное пространство, формируемое основным объемом камеры. Плотный и относительно холодный поток дожимаемого газа движется при скоростях, соответствующих безразмерному числу Маха М=0,04-0,12 (см. М.И.Френкель Поршневые компрессоры. 2-е изд. перераб. и доп.
М.Л., «Машгиз» 1960 г: стр.231). Обтекая кольцевой насадок 7, поток газа формирует периодические вихри, т.н. дорожку Кармана, которые распадаются на мелкие апериодические вихри (фиг.2), формирующие область перемешивания затопленной струи и, как следствие, осуществляется эффективное снижение линейных скоростей движения газа (Бай Ши-и «Турбулентное течение жидкостей и газов». Москва, «Иностранная литература», 1961 г., стр.157).
Это позволяет снизить скорость струи всасываемого газа, а значит и скорости отраженных струй газа, тем самым уменьшив кинетическое воздействие на поверхность гидрозатвора.
Кольцевой насадок 7 эффективно разрушает струйное течение во всем диапазоне чисел М (маха) и Re (Рейнольдса), разделяя струю на отдельные вихри малой интенсивности, не препятствует работе клапана, не изменяет его характеристик, и не создает непроточных объемов в камере.
Для эффективности работы диаметр сечения кольцевого насадка должен быть сопоставим с поперечным размером струи всасываемого газа (Бай Ши-и, стр.156). Кроме того, кольцевой насадок не должен препятствовать втеканию всасываемого газа. При малом удалении насадка от щели клапана насадок геометрически перекрывает проходное сечение и нарушает работу клапана. При большом удалении насадок оказывается в дальней области перемешивания и эффективность его работы снижается (Бай Ши-и, стр.156).
Эти требования определяют линейные размеры, характеризующие конструкцию кольцевого насадка:
где
сеч
d - диаметр сечения кольцевого насадка, или поперечный линейный размер многоугольного насадка;
h - высота подъема тарели клапана;
α - угол наклона нижней конической поверхности тарели к горизонтали
уд
l - расстояние удаления центра сечения кольцевого насадка от среза клапанной щели.
Кольцевой насадок, будучи многоугольным 10 (фиг.4), формирует более активные вихри (Бай Ши-и, там же), о чем свидетельствует современный опыт
приборостроения, в котором нашли применение именно такие формирователи вихрей (см. «Вихревой расходомер модели DY. Руководство пользователя», Челябинск, «Эталон Прибор», 2003 г., стр.8-6). Более активные вихри позволяют эффективнее решать поставленную техническую задачу.
Для повышения эффективности защиты поверхности гидрозатвора от струй всасываемого газа кольцевой насадок с седлом клапана всасывания может быть соединен сплошной перегородкой 11. Эта мера приведет к тому, что поток всасываемого газа будет направлен в верхнюю часть камеры, а вихреобразование и разрушение струи будут обеспечены верхней частью кольцевого насадка (фиг.5).