Сепаратор механических примесей
SEPARATOR OF MECHANICAL IMPURITIES

Техническое решение относится к устройствам для сепарации механических примесей из продукции нефтяных и артезианских скважин и может быть использовано для защиты погружного насосного оборудования, работающего в пескопроявляющих скважинах.
Известен сепаратор погружного скважинного насоса для жидкости, описанный в авторском свидетельстве SU 1308754 А1, 07.05.1987, содержащий корпус с приемным отверстием, а также соосные внешний и внутренний патрубки, расположенные внутри корпуса и ориентированные осевом направлении. Верхние концы патрубков гидравлически изолированы от приемного отверстия. На наружной поверхности внешнего патрубка выполнена винтовая лопасть, образующая винтовой канал, вход которого гидравлически связан с приемным отверстием, а выход через полость внутреннего патрубка связан приемом насоса. Ниже патрубков расположен делитель потока, предназначенный для отделения мехпримесей, сосредотачивающихся в периферийной части выходящего из винтового канала потока, от преимущественно жидкостной фазы, находящейся в центральной части потока, а также для отвода мехпримесей к шламосборнику.
Недостатками устройства являются сложность конструкции и низкая эффективность.
Из наиболее близких, первым аналогом (прототипом) является скважинная гидроциклонная насосная установка (далее, «сепаратор грубой очистки») описанная в патенте RU 2148708 от 05.10.2000, содержащая цилиндрический корпус с входными отверстиями и соединительными элементами в верхней и нижней части, установленный в нем сепарирующий узел, выполненный в виде полого шнека с профилированными спиралями и усеченным конусом, расположенным концентрично корпусу, внутри которого закреплен сливной патрубок для отвода жидкости и заглушенный снизу отстойник для сбора механических примесей.
Общим недостатком описанных выше устройств является существенное снижение их эффективности при размере механических примесей менее 100 мкм.
Этот недостаток устранен во втором аналоге (прототипе) сепараторе механических примесей для жидкости (далее, «сепаратор тонкой очистки») патент RU 2559277 от 09.06.2014, включающим цилиндрический корпус с соединительными элементами в верхней и нижней частях, установленный в нем сепарирующий узел со сливным патрубком для отвода жидкости и патрубком разгрузки, при этом цилиндрический корпус состоит из головки с приемными тангенциальными отверстиями, обоймы и переходника, нижняя часть головки со вставкой, размещенной внутри обоймы, составляют гидроциклон, а внутренние цилиндрические расточки в нижней части головки и конусообразные отверстия внутри вставки образуют, по меньшей мере, две гидроциклонные камеры, причем верхние выходные концы сливных патрубков гидроциклонных камер расположены выше приемных тангенциальных отверстий, гидравлически изолированы от них и через общую полость связаны с приемом насоса, а каждая гидроциклонная камера выполнена с единственным тангенциальным отверстием.
Недостатком этого аналога является ухудшение эффективности его работы при наличии в откачиваемой среде фракций механических примесей более 100 мкм.
Общим недостатком обоих аналогов является то, что эффективная их работа возможна только в ограниченном диапазоне размеров механических примесей.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в усовершенствовании конструкции сепаратора путем применения обоих аналогов, которые в совокупности обеспечивают наиболее оптимальные условия для эффективного отделения из перекачиваемой жидкости механических примесей (в том числе проппантов) в широком диапазоне размеров частиц.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в обеспечении эффективного отделения из перекачиваемой жидкости механических примесей в широком диапазоне размеров частиц, а также в повышении надежности и долговечности погружного скважинного насоса без существенного усложнения сепарирующего устройства.
Сепаратор механических примесей Терпунова, включающий сепаратор грубой очистки, содержащий цилиндрический корпус с верхним и нижним соединительными элементами, в нижнем из которых имеются входные отверстия, установленный в нем сепарирующий узел, выполненный в виде полого шнека с профилированными спиралями и усеченным конусом, расположенным концентрично корпусу, внутри которого закреплен сливной патрубок для жидкости, разгрузочный патрубок и заглушенный снизу шламосборник для сбора механических примесей, и сепаратор тонкой очистки, содержащий цилиндрический корпус, верхний и нижний соединительные элементы, в нижнем из которых имеются выходные отверстия, а также разгрузочный патрубок, при этом цилиндрический корпус состоит из головки с приемными тангенциальными отверстиями, обоймы и переходника, нижняя часть головки со вставкой, размещенной внутри обоймы, составляют гидроциклон, а внутренние цилиндрические расточки в нижней части головки и конусообразные отверстия внутри вставки образуют, по меньшей мере, две гидроциклонные камеры, причем верхние выходные концы сливных патрубков гидроциклонных камер расположены выше приемных тангенциальных отверстий, гидравлически изолированы и через общую полость связаны с приемом насоса, а каждая гидроциклонная камера выполнена с единственным тангенциальным отверстием, причем на соединительных элементах сепаратора тонкой очистки установлены верхний и нижний разобщители, герметизирующие кольцевую полость затрубного пространства, а сепаратор грубой очистки, соединенный с нижним разобщителем с помощью своего верхнего соединительного элемента, внутри которого на резьбе установлен делитель потока, имеет в расточках верхнего и нижнего соединительных элементов цилиндрический кожух, образующий внутреннюю кольцевую полость, причем приемное отверстие сепаратора грубой очистки гидравлически связано с затрубным пространством через входное отверстие в кожухе, герметизируемое с помощью проставки, а делитель потока своими радиальными каналами соединяет разгрузочный патрубок сепаратора тонкой очистки через внутреннюю кольцевую полость и входные отверстия нижнего соединительного элемента с разгрузочным патрубком сепаратора грубой очистки и периферийными каналами - сливной патрубок сепаратора грубой очистки через выходные отверстия нижнего соединительного элемента сепаратора тонкой очистки с кольцевой полостью затрубного пространства.
Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием сепаратора механических примесей Терпунова, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг. 1 - сепаратор механических примесей.
Погружной скважинный насосный агрегат (фиг. 1), включает в себя погружной скважинный насос, погружной электродвигатель с гидрозащитой (на фиг. 1 - не показаны) и сепаратор механических примесей который включает сепараторы тонкой 1 и грубой 2 очистки, верхний 3 и нижний 4 разобщители, а также шламосборник 5, предназначенный для накопления отделенных в сепараторе механических примесей.
Разобщители 3 и 4 герметизируют кольцевую полость затрубного пространства скважины между сепаратором тонкой очистки 1 и сепаратором грубой очистки 2.
Сепаратор тонкой очистки 1 включает в себя корпус, состоящий из головки 6 с приемными тангенциальными отверстиями 7, обоймы 8 и соединительные элементы - верхний 9 и нижний 10.
Нижняя часть головки 6 со вставкой 11, размещенной внутри обоймы 8, составляют гидроциклон. При этом, внутренние цилиндрические расточки в нижней части головки 6 и конусообразные отверстия внутри вставки 11 образуют, по меньшей мере, две малые гидроциклонные камеры 12. В отверстиях диска 13 установлены сливные патрубки 14, ориентированные в осевом направлении, при этом верхние (выходные) гидравлически изолированные концы сливных патрубков 14 расположены выше приемных тангенциальных отверстий 7. На нижнем соединительном элементе 10, имеющем выходные отверстия 15, закреплен разгрузочный патрубок 16.
Сепаратор грубой очистки 2 включает цилиндрический корпус 17 с верхним 18 и нижним 19 соединительными элементами, установленный в нем сепарирующий узел (гидроциклон), выполненный в виде полого шнека с профилированными спиралями и усеченным конусом 20, расположенным концентрично корпусу 17, внутри которого закреплен сливной патрубок 21 для выхода отсепарированной жидкости. На нижнем соединительном элементе 19, имеющем входные отверстия 22, закреплен разгрузочный патрубок 23.
Сепаратор грубой очистки 2 через верхний соединительный элемент 18 с закрепленным в нем на резьбе делителем потока 24 соединен с нижним разобщителем 4 и имеет цилиндрический кожух 25, установленный в расточках верхнего 18 и нижнего 19 соединительных элементов. Кожух 25 образует внутреннюю кольцевую полость 26 с корпусом сепаратора грубой очистки 2, при этом гидравлическая связь приемного отверстия 27 последнего с затрубным пространством осуществляется через входное отверстие в кожухе 28 с помощью герметизирующей проставки 29.
Делитель потока 24 своими радиальными каналами «А» соединяет разгрузочный патрубок 16 сепаратора тонкой очистки 1 через внутреннюю кольцевую полость 26 и входные отверстия 22 нижнего соединительного элемента 19 с разгрузочным патрубком 23 сепаратора грубой очистки 2, а периферийными каналами «Б» - сливной патрубок 21 сепаратора грубой очистки 2 через выходные отверстия 15 нижнего соединительного элемента 10 сепаратора тонкой очистки 1 с кольцевой полостью затрубного пространства.
Шламосборник 5 включает расчетное количество соединенных между собой насосно-компрессорных труб (НКТ) с заглушкой 30 на нижнем конце. Заглушка 30 препятствует выносу механических примесей в скважину и обеспечивает поступление рабочей жидкости только через приемные отверстия.
Для исключения возврата разгрузочной жидкости в гидроциклонные камеры на шламосборнике 5 предусматриваются выходные окна 31, а разгрузочный патрубок 23 сепаратора грубой очистки 2 располагается концентрично в полости шламосборника 5. При этом сечение разгрузочного патрубка 23 рассчитывается таким образом, чтобы скорость восходящей жидкости, проходящей через кольцевое пространство и выходные окна 31, не превышала скорости осаждения механических примесей.
Сепаратор механических примесей (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Рабочая жидкость под давлением поступает из скважины через входное отверстие 28 в кожухе 25, герметизируемое проставкой 29, в приемное отверстие 27 сепаратора грубой очистки 2, затем направляется в канал, образованный спиралями шнека сливного патрубка 21, где приобретает вращательно-поступательное движение и в дальнейшем под действием центробежных сил движется тангенциально относительно стенки цилиндрической части гидроциклона.
Более тяжелые и крупные частицы механических примесей размером более 100 мкм отбрасываются центробежной силой к внутренней поверхности гидроциклона и, спускаясь по ней, разгружаются через разгрузочное отверстие усеченного конуса 20 и разгрузочный патрубок 23 в шламосборник 5 (см. фиг. 1).
Основная часть рабочей жидкости с мелкодисперсными частицами (менее 100 мкм) через отверстие сливного патрубка 21 и периферийные каналы Б делителя потока 24, пройдя нижний разобщитель 4, поступают в полость внутри нижнего соединительного элемента 10 сепаратора тонкой очистки 1 и через выходные отверстия 15 - в кольцевое затрубное пространство, герметизируемое разобщителями 3 и 4. Отсюда рабочая жидкость благодаря работе погружного насоса через приемные отверстия 7 поступает в гидроциклонные камеры сепаратора тонкой очистки 1.
Твердые частицы (менее 100 мкм) под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам гидроциклонных камер 12 и сосредотачиваются в основном во внешнем нисходящем потоке, а восходящий отсепарированный поток, уносится через сливные патрубки 14 и верхний разобщитель 3 на прием насоса.
Разгрузочная жидкость с мелкодисперсными механическими примесями через разгрузочные отверстия гидроциклонных камер 12, разгрузочный патрубок 16 и радиальные каналы А делителя потока 24 попадают в кольцевую полость 26 и далее - через входные отверстия 22 в разгрузочный патрубок 23, где смешиваясь с крупными частицами (более 100 мкм) направляются в шламосборник 5. Здесь твердые частицы оседают в нижней части, а избыточная жидкость, потерявшая первоначальную скорость, через окна 31 выводится в затрубное пространство.
Расчет конструктивных параметров гидроциклонных камер сепараторов грубой и тонкой очистки производятся по зависимостям [4], в соответствии с которыми, величина размеров эффективно сепарируемых частиц зависит от конструктивных параметров гидроциклона и, в первую очередь, от диаметра его цилиндрической части.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
1. А.С. SU 1308754 А1, 07.05.1987.
2. Патент RU 2148708 А1, 05.10.2000.
3. Патент RU 2559277 С1, 09.06.2014.
4. Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности, М., "Недра", 1981.