НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
PUMP FOR GAS-LIQUID MIXTURE TRANSFER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к оборудованию для добычи нефти с высокой концентрацией газа, и может быть использовано для поверхностной перекачки газожидкостной смеси.
Известен лопастной насос для перекачивания газожидкостной смеси, состоящий из двух пакетов ступеней рабочих колес и направляющих аппаратов различного вида (патент РФ №2471089, МПК F04D 1/06, 13/10, 31/00, опубл. 27.12.2012). В первом пакете ступеней направляющие аппараты выполнены с дополнительными лопастями на внутренней поверхности корпуса, в отличие от второго пакета, где использованы обычные направляющие аппараты с гладкой внутренней поверхностью корпуса. Однако лопасти на внутренней поверхности корпуса направляющего аппарата лишь локально уменьшают гидравлические потери в зоне перехода рабочее колесо - направляющий аппарат и не влияют на течение газожидкостной смеси в проточных каналах рабочего колеса и направляющего аппарата. Поэтому достичь существенного увеличения предельного газосодержания в смеси при работе такого насоса не удается.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран многоступенчатый «конический» лопастной насос для перекачки газожидкостной смеси, состоящий из корпусов, внутри которых помещены пакеты насосных ступеней различных типов, с разными номинальными подачами, состоящие из неподвижных направляющих аппаратов и рабочих колес, насаженных на вал и вращающихся вместе с ним. Ступени с большими номинальными подачами помещены на входном участке насоса, далее по направлению к выходу установлены ступени на меньшие подачи в убывающем порядке их номинальных значений (Свидетельство на ПМ №7459 РФ, МПК F04D 13/00, опубл. 16.08.1998).
вх
вх
Считается, что ступени большой производительности пропускают относительно большие объемы нерастворенного газа, постепенно сжимая газ и подавая на следующий пакет ступеней меньшей производительности газожидкостную смесь с меньшей концентрацией свободного газа, тем самым обеспечивая более устойчивую работу «конической» насосной секции с газом по сравнению с обычным центробежным насосом. Однако в скважинных условиях (при давлении на входе P порядка 30-50 атм) первые ступени не могут сжать газ, т.к. развиваемое ими давление много меньше P. Только после того, как газожидкостная смесь доведена до состояния квазиоднородной эмульсии, каждая последующая ступень насоса может внести свой вклад в повышение давления секции. Поэтому основным недостатком описанного насоса является его низкий напор при перекачивании газожидкостной смеси с высокой концентрацией свободного газа, что обусловлено низкой эффективностью диспергации смеси во входном пакете ступеней насоса.
Задачей предлагаемого изобретения является создание погружного насоса для перекачки газожидкостных смесей, способного эффективно работать и развивать высокий напор в широком диапазоне концентраций нерастворенного газа в смеси.
Поставленная цель достигается тем, что в насосе для работы на газожидкостной смеси, состоящем из корпуса, внутри которого размещены пакеты ступеней различного типа, содержащие направляющие аппараты и рабочие колеса, насаженные на вал и вращающиеся вместе с ним, согласно изобретению в первом на входе в насос пакете размещают осевые ступени, каждая из которых содержит направляющий аппарат и рабочее колесо со спиральными лопастями, следующий пакет ступеней представляет собой диспергатор, состоящий из статоров-втулок и роторов-винтов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, далее последовательно размещены пакет переходных ступеней и пакеты со ступенями основного насоса центробежного типа, при этом ширина проточных каналов переходных ступеней близка к ширине проточных каналов ступеней основного насоса.
В качестве переходных ступеней могут быть использованы центробежные ступени, в которых рабочие колеса выполнены без нижнего диска или бездисковыми.
Кроме того, рабочие колеса в пакете осевых ступеней могут быть выполнены с диспергирующими отверстиями в спиральных лопастях.
Поскольку уровень дисперсности газожидкостной смеси, необходимый для устойчивой работы насосных ступеней, напрямую связан шириной проточного канала - чем уже канал, тем выше должна быть степень дисперсности поступающей смеси, - то использование четырех различных блоков ступеней: напорного, диспергирующего, переходного и основного, размещенных в указанном порядке с уменьшающейся шириной проточных каналов, когда максимально широкие каналы в ступенях осевого типа переходят в узкие каналы ступеней основного центробежного насоса, позволяет последовательно в каждом из пакетов усиливать степень диспергации газовых пузырей в смеси, передавать ее в следующий пакет ступеней с минимальными потерями и достичь такого уровня дисперсности, который необходим для устойчивой работы основного насоса, когда повышение давления происходит во всех его ступенях.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом насоса. Насос для перекачки газожидкостной смеси содержит последовательно расположенные пакеты ступеней различных типов, насаженные на вал 1 с возможностью вращения. На входе в насос размещен пакет I осевых ступеней, состоящий из рабочих колес 2 и направляющих аппаратов 3 осевого типа, представляющий собой напорный блок. Рабочие колеса 2 имеют спиральные лопасти, на входных кромках которых могут быть выполнены сквозные отверстия для предварительной диспергации потока смеси, как описано в патенте РФ №2428588. Над напорным блоком размещен следующий пакет II - диспергатор в виде диспергирующих ступеней, состоящих из роторов-винтов 4 и статоров-втулок 5, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины. Проточные каналы в ступенях пакета II заметно ýже, чем в предыдущем, что позволяет добиться более мелкой диспергации газовых пузырьков в смеси. Далее размещен пакет III переходных ступеней, в качестве которых могут использоваться ступени с центробежным рабочим колесом без нижнего диска 6 и центробежным направляющим аппаратом 7, в соответствии с патентом на ПМ №133215 РФ, либо ступени с бездисковым рабочим колесом. За ним следует пакет IV ступеней основного насоса центробежного типа. Переходные ступени в пакете III и ступени основного насоса пакета IV выполнены с одинаковой шириной проточных каналов.
Насос работает следующим образом.
Газожидкостная смесь через узел подвода поступает в рабочее колесо пакета I, в котором сжимается и диспергируется в каждой из его осевых ступеней. В результате объем газа уменьшается, происходит увеличение его упругости и измельчение газовых пузырьков, что повышает устойчивость работы следующей ступени. Спиральная форма лопастей осевых ступеней позволяет избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырьков, что исключает возможность образования неподвижных газовых пробок и срыва подачи. Наличие отверстий на лопастях рабочего колеса 2 способствует дополнительному измельчению газовых пузырьков, попадающих в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью. Далее поток поступает в направляющий аппарат 3, неподвижные лопасти которого спрофилированы так, чтобы минимизировать потери энергии на их обтекание и одновременно максимально погасить закрутку потока перед входом в следующую ступень, конструкция которой полностью повторяет предыдущую. Количество ступеней пакета I подбирается таким, чтобы создать прокачку потока смеси через пакет II.
После прохождения через напорный блок газожидкостная смесь под давлением подается на ступени диспергатора II, где подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами роторов-винтов 4 и статоров-втулок 5, происходит дополнительное повышение давления в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размера газовых пузырьков, а также к уменьшению объемного содержания газа в смеси.
Далее смесь с измельченными газовыми пузырьками поступает в пакет III переходных ступеней, где на открытых кромках рабочего колеса 6 продолжает диспергироваться до уровня, необходимого для удовлетворительной работы основного насоса. В результате в ступени основного насоса поступает хорошо диспергированная однородная газожидкостная смесь, обеспечивающая устойчивую работу и повышение давления в каждой ступени основного насоса.
Предлагаемая конструкция имеет явные преимущества по сравнению с традиционными компоновками, состоящими из предвключенного модуля и основного насоса. Обычно предвключенное устройство собирается в виде отдельного модуля, устанавливаемого перед нижней секцией основного насоса. В этом случае эмульсия, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в основной насос через межсекционный промежуток, имеющий некоторую протяженность и вращающиеся детали в виде вала и соединительных муфт, закручивающих поток. Закрутка потока в безлопаточном канале вызывает разделение компонентов газожидкостной смеси на фазы, способствует укрупнению газовых пузырьков и ухудшению дисперсности, частично возвращая состояние, в котором находилась смесь до прохождения предвключенного устройства. В лучшем случае это приводит к снижению устойчивости работы установки в целом, в худшем - к срыву подачи. Поэтому отсутствие дополнительных стыковочных межсекционных соединений между пакетами специализированных ступеней повышает эффективность диспергации газожидкостной смеси и приводит в итоге к сохранению и повышению напора насосной секции.