АБРАЗИВОСТОЙКИЙ ГАЗОСЕПАРАТОР
ABRASION RESISTANT GAS SEPARATOR

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при добыче нефти с высоким содержанием газа и абразивных частиц.
Известны центробежные газосепараторы, состоящие из цилиндрического корпуса и вала, на котором последовательно по направлению потока расположены винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан с радиальными лопастями [1].
Такие сепараторы не могут длительное время работать в абразивосодержащих жидкостях. Обычно отказ наступает из-за гидроабразивного разрушения корпуса в области, соответствующей выходу из шнека, с последующим расчленением газосепаратора.
Для повышения надежности центробежных газосепараторов применяют защитное покрытие на корпусе [2] или защитную гильзу, которая имеет форму тонкостенного цилиндра и располагается между вращающимися элементами газосепаратора и корпусом [3]. Однако гидроабразивная стойкость применяемых покрытий и материалов гильз недостаточна для того, чтобы предотвратить разрушение газосепараторов, работающих длительное время [4, 5].
Настоящее изобретение направлено на создание конструкции газосепаратора, способного длительное время безаварийно работать в жидкости, содержащей абразивные частицы.
Указанный технический результат достигается тем, что газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, напорный узел, сепарационный узел и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство, отличается тем, что его напорный узел выполнен в виде как минимум одной осевой ступени, состоящей из рабочего колеса в форме втулки с лопастями и направляющего аппарата, при этом в рабочем колесе угол между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, выполнен увеличивающимся в 1,2-4,0 раза в направлении от входа потока к выходу, длина проточных каналов рабочего колеса, измеренная вдоль его наружной цилиндрической поверхности, составляет 1-4 диаметра колеса, количество лопастей не превышает 4, отношение диаметра втулки к диаметру колеса равно 0,4-0,9, а меридиональное сечение колеса выполнено сужающимся от входа к выходу с углом конфузорности не более 15°.
Число лопастей и длина проточных каналов направляющего аппарата ступени подобраны с возможностью создания осевого направления потока на выходе, при этом проточная часть направляющего аппарата в меридиональном сечении от входа к выходу расширена с углом диффузорности не более 15°.
Перед напорным узлом, в узле ввода, может быть дополнительно расположен направляющий аппарат, имеющий конфузорное сужение в меридиональном сечении с углом конфузорности не более 15°. Наличие такого аппарата затрудняет формирование вихря на входе в рабочее колесо, особенно при малых подачах.
Увеличение надежности газосепаратора предлагаемой конструкции достигается за счет того, что осевое колесо имеет существенно меньшую высоту, чем традиционный шнек. Поэтому за время движения абразивных частиц через колесо центробежные силы не успевают прижать их к корпусу газосепаратора и вызвать его абразивный износ. В направляющем аппарате поток быстро теряет осевую закрутку, воздействие центробежных сил на абразивные частицы уменьшается, и корпус в области направляющего аппарата также не испытывает износа. Второй причиной увеличения абразивной стойкости газосепаратора является низкая интенсивность вихря на входе в первое рабочее колесо благодаря использованию в узле ввода направляющего аппарата. Проведенные нами исследования показали, что вихри на входе в рабочее колесо интенсифицируют гидроабразивный износ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема расположения узлов газосепаратора, на фиг.2 - направляющий аппарат узла ввода, на фиг.3 - рабочее колесо напорного узла, на фиг.4 - направляющий аппарат напорного узла газосепаратора.
Предлагаемый газосепаратор состоит из узла ввода, напорного, сепарационного узлов и узла отвода отсепарированного газа (фиг.1), которые насажены на вал и размещены внутри цилиндрического корпуса. Направляющий аппарат узла ввода содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого размещена втулка 2 с радиальными лопатками 3. Втулка 2 выполнена в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием 4 в сторону направления потока (фиг.2).
Каждая осевая ступень напорного узла включает в себя рабочее колесо 5 и направляющий аппарат 6. Рабочее колесо 5 выполнено в виде цилиндрической втулки 7, на боковой поверхности которой на равном расстоянии друг от друга установлены винтовые лопасти 8 (фиг.3). Длина проточных каналов рабочего колеса 5, измеренная вдоль наружной цилиндрической поверхности 9, может составлять от одного до 4-х диаметров рабочего колеса. Меридиональное сечение колеса 5 от входа к выходу сужается с узлом конфузорности не более 15°. Количество лопастей 8 может варьироваться в пределах 1-4, при этом угол их закрутки зависит от длины цилиндрической втулки 7. Направляющий аппарат 6 имеет цилиндрический корпус 10 и оснащен лопастями 11 (фиг.4), размещенными на боковой поверхности втулки 12. Лопасти 11 могут иметь двойную кривизну. Проточный канал в меридиональном сечении от входа к выходу расширяется с узлом диффузорности не более 15°.
Устройство работает следующим образом.
Поток газожидкостной смеси, содержащий абразивные частицы, поступает в направляющий аппарат узла ввода, который за счет конфузорного сужения проточного канала подавляет образование вихря на входе в первое рабочее колесо напорного узла. В сформировавшемся потоке частицы распределены примерно равномерно по объему и не вызывают абразивного износа корпуса газосепаратора на входе в рабочее колесо напорного узла. Рабочее колесо имеет существенно меньшую длину, чем традиционный шнек, поэтому за время движения абразивных частиц через колесо центробежные силы не успевают отбросить их к корпусу. Корпус в области рабочего колеса не испытывает абразивного износа. В направляющем аппарате напорного узла поток быстро теряет осевую закрутку, центробежные силы, действующие на абразивные частицы, уменьшаются, и корпус в области направляющего аппарата также не испытывает износа.
Расчеты и стендовые испытания показали, что данная конструкция имеет надежность, по крайней мере, в 4-5 раз большую, чем известные газосепараторы, работающие в аналогичных условиях.
Источники информации
1. Оборудование для добычи нефти и газа / В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров. - М.: ГУП Изд-во нефть и газ» РГУ нефти и газаим. И.М.Губкина, 2002. Ч.1. С.449.
2. Патент Франции №2310214, F04D 7/08, 1977.
3. Патент США №5516360, В10D 19/00, 1996.
4. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий B.C., Маркелов Д.В. Эксплуатация скважин, оборудованных высокопроизводительными УЭЦН с газосепараторами // Бурение и нефть. 2005. №2. С.10-13.
5. Дроздов А.Н., Деньгаев А.В., Вербицкий B.C. Установки погружных насосов с газосепараторами для эксплуатации скважин с высоким газовым фактором // Территория нефтегаз. 2005. №6. С.12-20.