Центробежный абразивостойкий газосепаратор
CENTRIFUGAL ABRASION RESISTANT GAS SEPARATOR

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным газосепараторам, предназначенным для отделения газа от пластовой жидкости, и может применяться при осложнении добычи выносом абразивных частиц.
Известен погружной газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус, вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, сепарационный узел в виде шнека с переменным шагом и узел отвода отсепарированного газа [Патент на ПМ №190456 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 01.07.2019].
В этой конструкции газосепаратора в пространстве между шнеком и входным модулем происходит радиальный износ защитной гильзы, обусловленный наличием вихрей и высокими окружными скоростями потока в этой зоне по сравнению с остальной длиной гильзы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является центробежный абразивостойкий газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус, входной модуль с отверстиями для прохода жидкости, вращающийся вал с насаженным на него ротором, защитную гильзу, входную решетку в виде неподвижного направляющего аппарата с сужающимися на выходе проходными каналами и головку-разделитель с каналами для прохода отсепарированной жидкости и отводами для выхода отсепарированного газа в затрубное пространство [Патент на ПМ №2696040 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 30.07.2019]. Направляющий аппарат выполнен в виде втулки с закрепленными на ней радиальными лопастями, при этом между лопастями, боковой поверхностью втулки и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса сформированы проходные каналы, поперечное сечение которых на выходе потока из направляющего аппарата заужено за счет расширения втулки и/или лопастей кверху.
В конструкции описанного выше газосепаратора также происходит радиальный износ корпуса и защитной гильзы, но с меньшей интенсивностью благодаря сужению проходных каналов на выходе из направляющего аппарата, за счет чего поток газожидкостной смеси выходит из него с увеличенной скоростью и уносит тяжелые частицы механических примесей, снижая вероятность контакта примесей и гильзы в отсутствие локальных завихрений потока. Однако полностью избежать износа гильзы не удается, так как выходящий поток направлен на периферию, т.е. на внутреннюю поверхность гильзы, и движется вместе с примесями вдоль нее.
Задачей настоящего изобретения является разработка абразивостойкого газосепаратора с вращающимся ротором, обладающего высокой конструкционной надежностью и ресурсом элементов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в центробежном абразивостойком газосепараторе, содержащем корпус, входной модуль, входную решетку с сужающимися на выходе проходными каналами, защитную гильзу, вал с насаженным на него ротором и головку-разделитель с отводами для сброса отсепарированного газа в затрубное пространство, согласно изобретению, сужающиеся проходные каналы образованы за счет утолщения внешней стенки входной решетки и на выходе смещены в сторону вала. Входная решетка снабжена по периферии выступом, плавно скругленным с переходом на защитную гильзу, при этом ротор в области выступа выполнен с подрезанным по конусу входным участком лопастей.
Проходные каналы для равномерного распределения потока в радиальном направлении имеют скругленное поперечное сечение и могут быть выполнены в виде эллипса, круга или равнобедренной трапеции со скругленными вершинами.
В некоторых вариантах исполнения ротор газосепаратора может быть представлен в виде шнека или осевого рабочего колеса. При использовании осевого рабочего колеса необходима установка направляющего аппарата для преобразования радиальной составляющей скорости в осевую и, как следствие, повышения напорной характеристики установки.
Смещение на выходе сужающихся проходных каналов в сторону вала изменяет направление выходящего потока газожидкостной смеси, отдаляя его от стенки защитной гильзы, что препятствует локальному скоплению абразивных частиц, содержащихся в газожидкостной смеси, и уменьшает их взаимодействие с гильзой. Это снижает гидроабразивный износ в связи с его распределением по всей длине защитной гильзы, независимо от величины подачи.
Выполнение входной решетки с выступом по периферии обеспечивает плавный переход выходящего потока на внутреннюю стенку защитной гильзы за счет равномерного уменьшения толщины выступа с созданием в области ротора с защитной гильзой единой сглаженной поверхности.
Из-за утолщения наружной стенки входной решетки на переходе между входной решеткой и ротором, входной участок лопастей ротора подрезан по конусу для формирования постоянного зазора между торцами лопастей и внешней стенкой входной решетки во избежание их касания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид центробежного абразивостойкого газосепаратора, на фиг. 2 изображен вход входной решетки, на фиг. 3 - выход входной решетки, на фиг. 4 - сечение входной решетки, на фиг. 5, 6 - внешний вид ротора с подрезанными лопатками.
Центробежный абразивостойкий газосепаратор (фиг. 1) содержит входной модуль 1 с отверстиями для прохода жидкости, цилиндрический корпус 2, защитную гильзу 3, неподвижную входную решетку 4, головку-разделитель 5 с отводами для сброса отсепарированного газа в затрубное пространство, вал 6 с насаженным на него ротором 7, направляющий аппарат 9. В качестве ротора 7 использовано осевое рабочее колесо с лопастями 8. В случае использования в качестве ротора шнека необходимость в применении направляющего аппарата отпадает.
Входная решетка 4 выполнена с проходными каналами 10, имеющими поперечное сечение в виде равнобедренной трапеции со скругленными вершинами (фиг. 2-3). В некоторых вариантах исполнения поперечное сечение может быть выполнено в виде круга или эллипса. Проходные каналы 10 ориентированы вдоль вала 6 и концентрично сужаются в направлении выхода за счет утолщения внешней стенки 11 входной решетки 4 в сторону вала 6. За счет этого выходное отверстие канала 10 в отличие от прототипа оказывается смещенным в сторону вала 6 (фиг. 2, 3, 4).
По периферии входной решетки 4 выполнен выступ 12, сопряженный с выходом проходных каналов 10. Выступ 12 имеет скругление, обеспечивающее плавный переход на защитную гильзу 3. На входном участке осевого рабочего колеса или шнека лопасти 8 подрезаны по конусу для образования зазора с внешней стенкой выступа 12 (фиг. 5, 6).
При использовании в качестве ротора 7 осевого рабочего колеса с направляющим аппаратом 9, дополнительно устанавливается вторая ступень сепарации 13.
Центробежный абразивостойкий газосепаратор работает следующим образом.
При включении установки вал 6 приводится во вращение, поток ГЖС поступает через отверстия входного модуля 1 и движется в проходные каналы 10 входной решетки 4, имеющие концентрическое сужение, где увеличивает свою скорость и выводится вблизи вала 6.
Выходящий из входной решетки 4 поток попадает на центральную часть ротора 7, где линейные скорости ниже, чем на периферии, поэтому основная часть абразивных частиц из-за малого воздействия на них центробежной силы, перемещается по ротору 7 в осевом направлении, не контактируя с защитной гильзой 3. Часть выходящего потока перемещается вдоль выступа 12 решетки 4, где благодаря плавному переходу на защитную гильзу 3, будет отсутствовать зона образования вихрей.
При вращении ротора 7 происходит центробежная сепарация смеси на жидкую и газовую фазу. При наличии направляющего аппарата 9, поток попадает в него, увеличивает свою скорость в осевом направлении и поступает на вышерасположенную вторую ступень сепарации 13. Газовая фаза и часть абразивных частиц через головку-разделитель 5 выводится в затрубное пространство, а жидкая фаза с периферии подается на прием добывающего насоса.
При выключении установки абразивные частицы под силой собственного веса благодаря отсутствию зон, в которых может происходить накопление частиц, перемещаются через всю установку.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет повысить ресурс работы защитной гильзы за счет существенного уменьшения количества контактирующих с ней абразивных частиц и, как следствие, увеличивает ресурс установки в целом в широком диапазоне подач.