ВИХРЕВОЙ ГАЗОСЕПАРАТОР
VORTEX GAS SECTOR

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным газосепараторам, предназначенным для отделения газа от пластовой жидкости, и может применяться при добыче нефти с большими значениями газового фактора.
Известен вихревой газосепаратор [Патент на полезную модель №161892 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 19.04.2016], содержащий корпус, входной модуль, вращающийся вал, длинный геликоидальный шнек, заключенный в защитную гильзу, головку-разделитель и вихревую камеру, сформированную между торцами шнека и головки-разделителя.
Известен также вихревой газосепаратор производства Schlumberger (www.slb.com/~/media/Files/artificial_lift/product_sheets/vortex_gas_separator_ps.pdf), включающий входной модуль с отверстиями, корпус с защитной гильзой, вращающийся вал, на котором последовательно насажены длинный шнек с изменяющейся по ходу потока конфигурацией лопасти и осевое колесо, а также вихревую камеру, выполненную между осевым колесом и разделительным устройством, установленным на выходе сепаратора. Защитная гильза размещена на всей длине шнека. Шнек используется в качестве напорного блока, осевое колесо является генератором интенсивной закрутки потока.
Описанные вихревые сепараторы имеют общие недостатки. При высоких скоростях потока газожидкостной смеси (больших подачах) внутри длинного шнека неизбежно зарождаются вихри, приводящие к частичному перемешиванию первоначально разделенных компонентов смеси, что приводит к снижению эффективности сепарации и напорной способности шнека. Кроме того, длинный ротор, вращающийся на валу, имеет высокую потребляемую мощность, что снижает класс энергоэффективности устройства в целом.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является вихревой газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус с защитной гильзой, входной модуль, осевое рабочее колесо и направляющий аппарат, насаженные на вал и образующие напорную ступень, шнек, головку-разделитель, вихревую камеру, выполненную между шнеком и головкой-разделителем, и закручивающее осевое колесо, размещенное на валу внутри вихревой камеры перед головкой-разделителем [Патент №2547854РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 10.04.2015]. Шнек жестко запрессован в защитную гильзу, закрепленную на корпусе, и снабжен центральным отверстием, через которое пропущен вращающийся вал. Защитная гильза размещена между направляющим аппаратом и головкой-разделителем. Вихревая камера выполнена в кольцевой полости между гильзой и валом, а ее длина не превышает длину шнека.
Наличие неподвижного шнека для принудительной закрутки потока задает повышенные требования по напору, развиваемому напорной ступенью, поскольку шнек в данной конструкции является дополнительным пассивным элементом, сопротивлением для потока. Таким образом, недостатком устройства является низкий напор, узкий рабочий диапазон подач, наличие в составе газосепаратора технологически сложных в изготовлении узлов (в частности, шнек, запрессованный в гильзу), повышающих стоимость изделия в целом.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого по конструктивному устройству, технологичного в изготовлении газосепаратора, работающего в широком диапазоне подач и имеющего высокие сепарационные свойства, в том числе при больших скоростях потока.
Указанный технический результат получен за счет того, что в вихревом газосепараторе, содержащем корпус с защитной гильзой, входной модуль, вращающийся вал с осевым закручивающим колесом, напорный блок, состоящий из насаженного на вал рабочего осевого колеса и направляющего аппарата, вихревую камеру и головку-разделитель, согласно изобретению, осевое закручивающее колесо установлено между направляющим аппаратом и вихревой камерой, при этом рабочее осевое и закручивающее колесо выполнены совпадающими по конфигурации и представляют собой цилиндрическую или коническую втулку с центральным отверстием под вал, на которой закреплены от двух до четырех лопастей, имеющих форму отрезка спирали переменного шага, совершающей не более одного оборота вокруг оси.
Использование рабочего осевого колеса позволяет закрутить поток газожидкостной смеси перед вихревой камерой, что способствует интенсификации процесса сепарации газа в свободном вихре. Кроме того, выполнение лопастей осевого колеса в виде отрезка спирали переменного шага снижает риск вихреобразования в проточных каналах колеса.
Установка закручивающего колеса между направляющим аппаратом и вихревой камерой, имеющего меньшую по сравнению с длинным шнеком устройства-аналога осевую длину, снижает расход потребляемой мощности и, усиливая закрутку потока, способствует улучшению сепарации. Совпадение конфигурации колес обеспечивает согласование потоков на стыках направляющего аппарата с обоими рабочими колесами, позволяет избежать нежелательного вихреобразования и потери энергии. Кроме того, упрощается и удешевляется процесс изготовления и сборки устройства в целом.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фигуре изображен общий вид вихревого газосепаратора.
Вихревой газосепаратор содержит входной модуль 1, цилиндрический корпус 2, напорный блок, состоящий из осевого рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 4, а также закручивающее осевое колесо 5. Закручивающее 5 и рабочее 3 осевые колеса состоят из винтовой лопасти 6, закрепленной на цилиндрической или конической втулке 7. Оба колеса 3 и 5 насажены на вал 8. Вихревая камера 9, расположенная между закручивающим колесом 5 и головкой-разделителем 10, окружена защитной гильзой 11, размещенной в корпусе 2 по всей длине между направляющим аппаратом 4 напорного блока и головкой-разделителем 10.
Головка-разделитель 10, установленная после вихревой камеры 9, предназначена для выброса газа в затрубное пространство. Вихревая камера 9, находящаяся выше осевого закручивающего колеса 5, представляет собой кольцевую полость между гильзой 11 и валом 8 и служит для увеличения коэффициента сепарации.
Вихревой газосепаратор работает следующим образом.
При включении установки газожидкостная смесь поступает через проточные каналы входного модуля 1 в осевое рабочее колесо 3, в котором происходит передача энергии от вращающихся винтовых лопастей 6 потоку. Затем газожидкостная смесь попадает в проточные каналы направляющего аппарата 4, в которых радиальная составляющая скорости потока преобразуется в осевую. Осевой поток из направляющего аппарата 4 поступает на вход осевого закручивающего колеса 5, где вновь раскручивается винтовыми лопастями 6. В поле центробежных сил происходит частичная сепарация газа от жидкости, продолжающаяся в вихревой камере 9, с переносом жидкой фазы к периферии и вытеснением газовой фазы к центру. После вихревой камеры 9 с помощью головки-разделителя 10 отсепарированный газ из центра газосепаратора сбрасывается через выкидные отверстия в затрубное пространство скважины, а дегазированная жидкость с периферии подается на вход первой секции основного добывающего насоса.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет отсепарировать газ от жидкости при высоких значениях скорости потока, а сама предлагаемая конструкция является максимально простой и технологичной.