ПРЕДВКЛЮЧЕННОЕ ГАЗОСТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
TOPPING GAS STABILIZING DEVICE (VARIANTS)

Группа предлагаемых изобретений относится к насосостроению, в частности к бессепарационным предвключенным устройствам для многоступенчатых погружных насосов, и может использоваться для обеспечения устойчивой работы насоса при подъеме из скважин водонефтяных смесей с высоким содержанием нерастворенного газа.
Известно применение в качестве предвключенного устройства для обработки газожидкостной смеси диспергатора лабиринтного типа [Ш.Р. Агеев, Е.Е. Григорян, Г.П. Макиенко. "Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение". Энциклопедический справочник. Пермь, ООО «Прогресс-Мастер», 2007, стр. 288-290]. Рабочими органами такого диспергатора являются статоры-втулки и расположенные внутри роторы-винты. На поверхностях сопряжения статоров и роторов выполнены выступы и впадины в виде нарезок специального профиля. Передача энергии от ротора-винта к жидкости происходит в результате обмена количествами движения жидкости, обтекающей ротор-винт, с жидкостью, обтекающей статор-втулку. Жидкость располагается в ячейках, ограниченных с одной стороны двумя нарезками ротора, и с другой - двумя нарезками статора. Положение выступов нарезок ротора и статора непрерывно изменяется, поэтому возникают значительные градиенты скорости потока газожидкостной смеси, проходящей через такие рабочие органы, и, следовательно, интенсивная диспергация потока смеси.
Недостатком этого устройства является низкая пропускная способность, обусловленная самой конструкцией ступеней (ступени выполнены по типу лабиринтного уплотнения), поэтому такие диспергаторы являются гидродинамическим сопротивлением для системы на больших подачах.
Известна также конструкция предвключенного газостабилизирующего насосного модуля, содержащего последовательно расположенные на одном валу напорный и диспергирующий блоки, причем напорный блок представляет собой пакет осевых ступеней, а диспергирующий - пакет лабиринтных ступеней [патент РФ №2593738 С1, МПК F04D 13/10, опубл. 10.08.2016]. Описанный газостабилизирующий модуль принимает скважинную жидкость, диспергирует (дробит) газовые пузыри, создавая тем самым мультифазную среду, более благоприятную для работы центробежного насоса, чем пластовая жидкость без обработки. Использование этого модуля в составе установки перед центробежным насосом позволяет увеличить напор установки и расширить допустимый диапазон ее работы относительно газосодержания.
Недостатком такого устройства является низкая степень диспергации газожидкостной смеси, а также высокая потребляемая мощность, обусловленная использованием в конструкции массивных лабиринтных ступеней, зачастую превышающая мощность основного добывающего насоса, особенно на повышенных частотах вращения вала (свыше 6000 об/мин).
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция предвключенного газостабилизирующего устройства (мультифазный осевой насос), содержащего цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом осевых ступеней, каждая из которых состоит из рабочего колеса, имеющего втулку с одной-четырьмя спиральными лопастями переменного шага, и направляющего аппарата с лопастями двойной кривизны [патент РФ №2428588 C1, МПК F04D 13/10, опубл. 10.09.2011]. По краю входной кромки спиральных лопастей рабочего колеса выполнены щелевые сквозные отверстия продолговатой формы, расположенные, по меньшей мере, в один ряд. Конфигурация лопастей обеспечивает течение потока с минимальной завихренностью в максимально широком диапазоне подач. За счет сжатия и частичного диспергирования газожидкостной смеси в отверстиях такое предвключенное устройство обеспечивает устойчивую работу основного центробежного насоса.
Недостатком данной конструкции является слабое диспергирование газожидкостной смеси при высокой концентрации газа, приводящее к срыву подачи устройства за счет перекрытия проточных каналов ступени газовыми пробками. Особенно заметным этот эффект становится для предвключенных устройств малого габарита с диаметром корпуса от 55 до 81 мм. Кроме того, использование описанной конструкции на частотах вращения вала от 6000 об/мин также приводит к высокой потребляемой мощности, что вынуждает использовать двигатель большей мощности и увеличивает общую стоимость всей установки.
Задачей настоящего изобретения является создание газостабилизирующего модуля, эффективно диспергирующего газожидкостную смесь в максимально широком диапазоне подач основных насосов при низкой потребляемой мощности и имеющего высокую надежность при работе в компоновке с высокооборотным добывающим насосом.
Указанный технический результат достигается тем, что в предвключенном газостабилизирующим устройстве для обработки газожидкостной смеси, включающем пакет осевых ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо, представляющее собой втулку со спиральными лопастями, и направляющий аппарат с лопатками, согласно изобретению, по поверхности спиральных лопастей рабочего колеса выполнены сквозные отверстия, причем суммарная площадь отверстий составляет 5-40% от площади лопасти.
Отверстия имеют форму со скругленными ребрами - круговую, овальную либо щелевую и могут располагаться по поверхности лопасти как произвольно, так и упорядоченно, например, в шахматном порядке.
Отверстия могут быть размещены по всей поверхности лопасти или могут покрывать часть лопасти, примыкающей к входной или выходной кромке лопасти, а также к втулке.
Наличие отверстий на поверхности лопастей, суммарная площадь которых составляет не менее от 5% от площади лопасти, позволяет предотвратить скопление и закупоривание проточной части устройства газовыми пузырями за счет их интенсивного измельчения и перепуска между межлопастными каналами рабочих колес. Это приводит к получению газожидкостной смеси, обладающей гомогенной структурой, что обеспечивает стабильную работу не только предвключенного устройства, но и основного добывающего насоса. Ограничение суммарной площади отверстий на уровне, не превышающим 40% от площади лопасти, связано с сохранением между отверстиями достаточной толщины перемычек, исключающей их ломкость и обеспечивающей необходимую прочность лопасти.
В альтернативном варианте исполнения на торцах спиральных лопастей расположены сквозные выемки, при этом суммарная площадь выемок составляет 5-40% от площади лопасти.
Сквозные выемки по торцу лопасти могут быть расположены равномерно и выполнены предпочтительно со скругленной или щелевой формой, обеспечивающей ламинарное течение жидкости. Возможно выполнение выемок на части торца, примыкающей к входной или выходной кромке спиральной лопасти.
В обоих вариантах исполнения лопатки направляющего аппарата могут быть снабжены отверстиями.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид газостабилизирующего устройства; на фиг. 2-5 - варианты рабочего колеса устройства с отверстиями на поверхности лопасти, в аксонометрии, на фиг. 6-7 - варианты рабочего колеса устройства с выемками по торцу лопасти, в аксонометрии; на фиг. 8-9 - варианты направляющего аппарата, в аксонометрии.
Газостабилизирующее устройство состоит из пакета осевых ступеней, в котором чередуются рабочие колеса 1 и направляющие аппараты 2 (фиг. 1). Рабочее колесо 1 имеет втулку 3 с закрепленными на ней спиральными лопастями 4, по поверхности которых выполнены сквозные отверстия 5 (фиг. 2-5). Отверстия 5 могут располагаться на лопасти 4 упорядоченно, например, в шахматном порядке (фиг. 3), либо произвольно. Отверстия могут покрывать всю поверхность лопасти (фиг. 2) или ее часть (фиг. 3-5).
Отверстия могут быть сосредоточены на различных частях лопасти: в области, примыкающей к входной (фиг. 3) или выходной кромке (фиг. 4) лопасти, а также покрывать часть лопасти, примыкающей к втулке (фиг. 5).
В альтернативном варианте исполнения отверстия 5 в лопасти 4 могут быть заменены выемками 6 на торцах лопастей 4 (фиг. 6), которые в том числе могут быть расположены равномерно. Выемки могут быть выполнены на части торца, примыкающей к входной (фиг. 7) или выходной (не показано) кромке лопасти.
Отношение суммарной площади отверстий 5 либо выемок 6 к площади напорной поверхности лопасти 4 находится в пределах 5-40% и сохраняется во всех вариантах исполнения. Предпочтительно выполнение отверстий 5 либо выемок 6 в форме со скругленными ребрами (фиг. 2-6) - круговой, овальной либо щелевой (фиг. 7).
За рабочим колесом 1 следует направляющий аппарат осевого типа 2 (фиг. 8, 9), состоящий из втулки 7 с лопатками 8 и внешней цилиндрической оболочки 9, соединенной с торцами лопаток. На лопатках 8 направляющего аппарата 2 могут быть выполнены отверстия 10, перераспределяющие поток в межлопастных каналах (фиг. 9) для удаления застойных зон.
Газостабилизирующее устройство работает следующим образом. Через входной модуль (не показан) газожидкостная смесь попадает на рабочее колесо 1 устройства. За счет вращения рабочего колеса 1 ГЖС приобретает энергию от спиральных лопастей 4 колеса 1, при этом жидкость за счет центробежных сил стремится к периферии, а газ скапливается в центре устройства. Лопасти 4 рабочего колеса 1 формируют межлопастные каналы. Отверстия 5 либо выемки 6 на лопастях 4 рабочего колеса 1 позволяют равномерно распределить газ по всем межлопастным каналам и, одновременно, диспергировать газожидкостную смесь. Уменьшение за счет отверстий 5 либо выемок 6 рабочей поверхности лопасти 4 требует меньшего усилия для вращения рабочего колеса 1 в потоке жидкости и снижает потребляемую мощность всего устройства до 25% по сравнению с использованием рабочих колес той же конфигурации, но без отверстий и выемок. Далее смесь проходит в направляющий аппарат 2, где закрученный поток за счет неподвижных лопаток 8 выпрямляется и проходит в следующую ступень устройства. Отверстия 10 в лопатках 8 направляющего аппарата 2 позволяют усилить диспергацию газожидкостной смеси и избежать за счет перепуска потока с одной стороны лопатки на другую скопления газовых пузырьков в зонах пониженного давления. При перетекании ГЖС от ступени к ступени происходит дополнительное дробление пузырьков газа и их сжатие.
Таким образом, за счет сжатия и измельчения газовых пузырей достигается устойчивая работа добывающего насоса, следующего за газостабилизирующим устройством, на диспергированной газожидкостной смеси с высокой концентрацией газа при сниженном энергопотреблении.