ВЫСОКООБОРОТНЫЙ ПОГРУЖНОЙ МУЛЬТИФАЗНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, а именно, к мультифазным высокооборотным погружным центробежным насосным установкам для нефтедобычи в скважинах с высоким содержанием попутного газа.
L
L
В последнее десятилетие мировая нефтегазовая промышленность вложила значительные средства в развитие мультифазных насосных технологий. Это связано, в частности, с необходимостью более эффективной нефтедобычи на скважинах, находящихся на заключительной стадии эксплуатации, разработки скважин с более высоким газосодержанием и.т.п. При повышенном газосодержании на входе центробежного погружного нефтедобывающего насоса: снижаются напорная, мощностная и КПД характеристики, возникают колебания развиваемого насосом давления, повышается уровень вибрации и соответственно снижается наработка насоса, в проточном канале насоса образуются газовые пробки, приводящие к срыву подачи насоса. В обычном центробежном многоступенчатом погружном насосе, если он принимает от 2-х до 4-х % газовой фракции (в пластовой жидкости), начинает происходить падение напора, а когда газовая фракция растет до 15-20%, насос прекращает работу. Ухудшение расходо-напорных характеристик во многом определяется сепарационными процессами в каналах рабочего колеса. В насосе жидкость ускоряется вращающимися лопатками импеллера и кинетическая энергия преобразуется в энергию давления, когда поток в жидкости разворачивается со спрямляющими лопатками. Срыв работы связан с образованием газовой полости, охватывающей всасывающую сторону лопатки рабочего колеса. Показателем способности насоса справляться с жидкостью с высоким газосодержанием является мультифазная напорная эффективность Ер, которая определяется отношением между напором при жидкостной однофазной насосной прокачке H и напором со связанным мультифазным потоком Hph. Hph=EpxH. Hph зависит от давления на входе Рвх, β=Qg/(Qg+Ql) - отношения объема воздушного пространства к общему объему мультифазной смеси, где Qg, Ql - скорости прокачки газа и жидкости соответственно
3
(м/сек). Повысить мультифазную напорную эффективность насоса можно с помощью газостабилизирующего модуля.
Известен насос с газостабилизирующим насосным модулем (см. стр.292-293 Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Ш.Р.Агеев, Е.Е.Григорян, Г.П.Макиенко, Пермь-2007, 648 с.), состоящий из последовательно расположенных шнека и ступеней диагонального типа. Указанная система растворяет и диспергирует свободный газ. Недостаток конструкции в том, что она не может работать в условиях высокого газосодержания (более 33%). в пластовой жидкости.
Известен насос с газостабилизирующим модулем-диспергатором (патент RU 2232301, 10.07.2004). Модуль содержит ротор винт и статор-втулку, являющимися частью лабиринтно-винтового насоса. Наружная цилиндрическая поверхность винта и внутренняя цилиндрическая поверхность втулки содержат многозаходные, противоположно направленные нарезки специального профиля. В результате обмена количествами движения между жидкостями обтекающими винт и обтекающей втулку происходит передача энергии от винта окружающей жидкости. Относительное положение выступов нарезок втулки и винта периодически изменяется, что ведет к значительным градиентам скорости потока жидкости, с соответствующей диспергацией газовых пузырей. Насос может работать при газосодержании до 50%-65% без срыва подачи. Такая система может эффективно диспергировать газовые пузыри, однако при его работе возможен нежелательный эффект при работе модуля в связке с высокооборотным центробежным насосом, связанный с эффектом обратного дрейфа газовой фазы, который в случае достаточно больших газовых пузырей, попадающих на вход лабиринтно-винтового насоса, может вести к падению эффективности газостабилизирующего модуля.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является мультифазный насос центробежный погружной насос (15.04.2003, патент США US 6547514, fig 3, 4 col 3, 4) состоящий из последовательно соединенных электродвигателя, гидрозащиты, мультифазного модуля с гелико-аксиальной секцией с валом, на котором размещена по меньшей мере одна гелико-аксиальная ступень, причем вход мультифазного модуля предназначен для приема пластовой жидкости, центробежный насос с мультифазным модулем, содержащий корпус, в котором размещен вал с радиальной опорой, на котором закреплена гелико-аксиальная секция, содержащая по меньше мере одну насосную ступень. Насосная ступень включает гелико-аксиальное рабочее колесо и статор, спрямляющий линии тока пластовой жидкости, поступающей с соответствующего гелико-аксиального рабочего колеса. В модуле есть канал для сквозного протока жидкости через модуль, входное отверстие для протока пластовой
жидкости в модуль, расположенное в нижней части модуля, выходное отверстие в верхней части модуля для приема обработанной модулем пластовой жидкости в центробежный насос. Такой модуль обеспечивает высокое давление жидкости в условиях повышающегося содержания газа на входе модуля, растворяя газ в жидкости и соответственно предотвращая возникновение газовых пробок в рабочих колесах основного насосного модуля, присоединенного по ходу движения жидкости к мультифазному. В насосах с низким дебитом такая система обладает недостаточной эффективностью при высоком газосодержании.
Цель настоящей полезной модели - обеспечить достижение технических результатов - повышение мультифазной напорной эффективности Ер центробежного погружного скважинного насоса, увеличение времени непрерывной работы насоса в скважинах с нестабильными параметрами (резкие колебания газосодержания, газовые пробки) и низким давлением пластового флюида на приеме насоса, расширение допустимого диапазона работы насоса по газосодержанию.
Для достижения указанных технических результатов в известный погружной мультифазный электронасос, состоящий из последовательно соединенных электродвигателя, гидрозащиты, мультифазного модуля с валом, на котором размещена, по меньшей мере, одна гелико-аксиальная ступень, центробежного насоса, вход мультифазного модуля предназначен для приема пластовой жидкости введен электродвигатель, который выполнен частотно-регулируемым вентильного типа с конструктивно присоединенным теплообменником, расположенным ниже электродвигателя, а центробежный насос выполнен высокооборотным со ступенями, содержащими направляющие аппараты радиального типа, мультифазный модуль дополнительно снабжен по меньшей мере одной размещенной последовательно на валу с гелико-аксиальной ступенью лабиринтно-винтовой ступенью, выполненной в виде многозаходного винтового ротора и охватывающей его втулкой с обратной многозаходной винтовой нарезкой, причем профили соответствующих винтовых канавок ротора и статора обеспечивают компремирование и диспергацию мультифазного потока пластовой жидкости, при этом модуль снабжен торцевой опорой, выполненной из износостойкого материала и подпятник которой расположен на задней стороне поверхности статора гелико-аксиальной ступени.
Основные элементы конструкции рассмотрены на фиг.1, на котором показана мультифазная насосная погружная высокооборотная установка в скважине и фиг.2, раскрывающий конструкцию мультифазного модуля.
Мультифазный модуль представляет собой согласованное сочетание гелико-аксиальной секции (или ряда таких ступеней) с диспергирующим элементом - лабиринтно-винтовым насосом (в его составе ступени (или ступень), содержащим по меньшей мере одну статор-втулку 11 и ротор 10, расположенный внутри статора-втулки, причем на поверхности сопряжения статора-втулки и роторов выполнены выступы и впадины - см. фиг.2). Такое сочетание обеспечивает эффективную работы мультифазного модуля в составе высокооборотного насоса в скважинах с низким дебитом. Схема размещения мультифазного модуля и общая конструкция показана на рис.1. В устье скважины 1 начало насосно-компресорной колонны 2, которая гидравлически соединена с основным высокооборотным насосом 3 с центробежными ступенями с направляющими аппаратами радиального типа. К нему подсоединен мультифазный насосный модуль 4, производящий обработку пластовой жидкости для подачи ее в основной насос 3. В состав погружной части насоса входит также гидрозащита 5 погружного вентильного электродвигателя 7 с конструктивно выделенным теплообменником 6. На фиг.2 показаны составные части мультифазного насосного модуля 4 - ротор гелико-аксиальной ступени (зафиксированный на валу) гелико-аксиальной секции 8 и статор ступени гелико-аксиальной секции 9, диспергирующий и спрямляющий поток, поступающий с соответствующего гелико-аксиального ротора 8. Такие ступени образуют гелико-аксиальную секцию мультифазного модуля. Количество гелико-аксиальных ступеней в секции определяется требуемым уровня компрессии. В составе лабиринтно-винтовой секции ступени (на фиг.2 показана одна), каждая из которых имеет в составе статор-втулку с винтовыми канавками 10 и цилиндрический ротор с винтовыми канавками 11. Мультифазный модуль содержит радиально-торцевую опору, расположенную в верхней части модуля, выше лабиринтно-винтовой секции по ходу движения жидкости (на фиг. не показаны). Опора выполняется из износостойкого материала, обеспечивающего долговечность опоры в случае использования высокооборотного центробежного насоса. Торцевые опоры присутствуют также в зоне контакта статора гелико-аксиальной ступени и следующего гелико-аксиального колеса. Торцевая опора представляет собой радиальную вставку, выполненную из износостойкого материала. Торцевая опора из изностойкого материала выполнена также в зоне трибоконтакта торцевой передней
поверхности лабиринтно-винтового насоса и задней торцевой части статора гелико-аксиального колеса.
Насос с мультифазным модулем работает следующим образом. Скважинная жидкость с затрубного пространства поступает на вход мультифазного модуля 4 расположенного между приемом насоса и основным центробежным погружным насосом 3. Жидкость поступает в гелико-аксиальную ступень, сначала на ротор гелико-аксиальной ступени гелико-аксиальная секции 8, а затем на статор ступени 9. Специально рассчитанная геометрия - гелико-аксиальная структура осевой ступени обеспечивает заданный прирост давления жидкости, гомогенизирует флюид (пластовую жидкость) - смешивая газ и жидкость (переводя газ в растворенное состояние). Гелико-аксиальное колесо способно работать при высоком газосодержании без срыва подачи и обеспечивает компрессию, снижающую объемную долю газовой фракции. Кроме того на решетке статора 9 происходит предварительная диспергация флюида. После прохождение гелико-аксиальной секции процесс обработки жидкости происходит в лабиринтно-винтовой секции, которая согласована (по производительности, геометрическим параметрам потока и.т.п) с параметрами гелико-аксиальной секции модуля. В лабиринтно-винтовой секции происходит интенсификация процесса диспергирования мультифазной смеси - в ней происходит измельчение оставшихся газовых пузырей и окончательная подготовка однородной суспензии. Кроме того, газожидкостная смесь подвергается интенсивному измельчению и компремированию. Эти процессы происходят более эффективно, когда выступы и впадины на поверхностях сопряжения статоров-втулок и роторов выполнены в виде нарезок типа винтовых канавок, имеющих форму меридианного сечения. В этом случае одновременно с интенсивным дроблением пузырьков газа растет давление приводящее к снижению объемной доли свободного газа в пластовой жидкости. Обработанная мультифазным модулем - скомпрессированная и диспергированная жидкость (гомогенная смесь) поступает на прием основного центробежного насоса. Далее основным насосом осуществляется перекачка пластовой жидкости через насосно-компрессорную трубу к устью скважины.
Особенно отметим значимость частотно-регулируемых приводов, использованных в насосах с мультифазным модулем. В целом меняя частоту вращения, можно управлять параметрами мультифазной среды (степень гомогененности, распределение размеров газовых включений), поступающей на вход основного насоса, и соответственно параметрами мультифазной напорной эффективности насоса и положением критической точки (входного газосодержания) при котором происходит срыв подачи насоса. Например, при увеличении количества оборотов может наблюдаться эффект компрессии
мультифазной среды, благоприятствующий прокачке мультифазной среды. Он будет явно выражен, прежде всего, в специально сконструированных мультифазных модулях, в которых степень компрессии может эффективно регулироваться управляемым частотным приводом. Частотно-управляемый вентильный привод погружного центробежного насоса полностью подходит для решения задачи управления насосом с мультифазным модулем. Принудительный теплообменник позволяет электродвигателю снижает вероятность перегрева двигателя в высокооборотном насосе (частота вращения вала более 6000 об/мин). Стендовые эксперименты с мультифазным насосом показали рост Ер - мультифазной напорной эффективности, способность насоса справляться с пластовой жидкостью с более высокой загазованностью на приеме насоса и более низким давлением на приеме насоса, чем обычные центробежные насосы с газосепаратором.