ПЕРЕВОДНИК МУФТЫ ПЕРЕКРЕСТНОГО ПОТОКА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ГАЗОСЕПАРАТОРА ПОГРУЖНОГО СКВАЖИННОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ (ВАРИАНТЫ)

Технические решения относятся к нефтедобывающей промышленности и могут быть использованы при изготовлении центробежных газосепараторов погружных электронасосов для добычи нефти из скважин с высоким газовым фактором.
Известен переводник муфты перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти, описанный в патенте US 3887342 А, 03.06.1975, выполненный с возможностью закрепления в корпусе газосепаратора и присоединения к нему головки газосепаратора. Переводник включает в себя корпус с центральным отверстием для вала газосепаратора, каналами для прохода преимущественно жидкой фазы газожидкостной смеси в полость насоса, входные участки которых расположены по окружности периферийной части переводника, и каналами для отвода преимущественно газообразной фазы газожидкостной смеси в затрубное пространство, которые расположены между каналами для прохода преимущественно жидкой фазы. Входные отверстия каналов для отвода преимущественно газообразной фазы расположены по окружности вблизи центрального отверстия переводника. Соседние боковые стенки каждой пары каналов для прохода преимущественно жидкой фазы образуют осевую лопатку,
входная часть которой загнута против направления вращения потока в продольном сечении лопатки параллельном оси переводника. Между указанными лопатками выполнены отверстия, продолжающие каналы для прохода преимущественно жидкой фазы и гидравлически связывающие их с полостью насоса при размещении газосепаратора в скважине.
Формирование лопаток загнутых навстречу вращению потока смеси на выходе сепарационного барабана между каналами для прохода жидкой фазы обеспечивает снижение гидравлического сопротивления движению жидкости на за счет безударного входа жидкости в переводник, а также осевое вытекание жидкости, т.е. раскрутку потока отсепарированной жидкости.
Указанное техническое решение принято за прототип для каждого из вариантов реализации заявленной полезной модели.
Основными недостатками прототипа является повышенное гидравлическое сопротивление на выходе жидкости из соответствующего канала переводника за счет поворота потока, что приводит к снижению общего КПД насосной установки. Кроме того, оптимальный угол загиба лопаток меняется в зависимости от режима работы каждого насосного агрегата (подача насоса и пр.), при этом в прототипе отсутствует возможность изменения геометрии проточной части переводника для оптимизации его работы под условия конкретной скважины. Кроме того, в ориентированных параллельно оси каналах для отвода газа создается повышенное сопротивление, т.к. поток газа на выходе из сепарационного барабана также имеет выраженное вращательное движение. Высокое сопротивление движению газа на выходе сепарационного
барабана приводит к повышению давления в центральной части сепарационной камеры и, соответственно, снижению эффективности сепарации газожидкостной смеси.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании переводника муфты перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного насосного агрегата для добычи нефти из скважин с высоким газовым фактором.
Технический результат, достигаемый при реализации каждой из полезных моделей, заключается в повышении КПД насосной установки за счет снижения сопротивления движению преимущественно жидкостной фазы отсепарированной газожидкостной смеси, а также в дополнительном повышении КПД насосной установки и повышении эффективности сепарации за счет снижения сопротивления движению преимущественно газовой фазы отсепарированной газожидкостной смеси по первому варианту реализации полезной модели.
В соответствии с первым вариантом реализации переводник муфты перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного скважинного насоса для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, выполнен с возможностью закрепления в корпусе газосепаратора. Переводник включает в себя корпус с центральным отверстием для вала газосепаратора, каналами для прохода преимущественно жидкой фазы газожидкостной смеси в полость насоса, входные участки которых расположены по окружности периферийной части переводника, и каналами
для отвода преимущественно газообразной фазы газожидкостной смеси в затрубное пространство, входные отверстия которых расположены по окружности вблизи центрального отверстия переводника. Соседние боковые стенки каждой пары каналов для прохода преимущественно жидкой фазы образуют осевую лопатку, входная часть которой загнута против направления вращения потока газожидкостной смеси в сепарационной камере газосепаратора в продольном сечении лопатки параллельном оси переводника. При этом в отличии от прототипа боковые стенки указанных каналов образуют отделенные друг от друга лопатки, выходные части которых ориентированы вдоль оси переводника. Проекция средней линии канала для отвода преимущественно газообразной фазы на плоскость, перпендикулярную оси переводника, ориентирована по касательной к окружности, вписанной в периметр соответствующей проекции наружных кромок упомянутых лопаток переводника.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели проекция внешней стенки канала для отвода преимущественно газообразной фазы на плоскость, перпендикулярную оси переводника, ориентирована по касательной к окружности с центром в точке, соответствующей проекции продольной оси переводника, и радиусом, равным расстоянию от указанной точки до наиболее удаленной от нее точки проекции входного отверстия канала.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели каналы для отвода преимущественно газообразной фазы расположены
между каналами для прохода преимущественно жидкой фазы, причем выходные отверстия этих каналов выполнены в лопастях, образованных боковыми стенками каналов для прохода преимущественно жидкой фазы.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели в каждой лопатке, образованной боковыми стенками каналов для прохода преимущественно жидкой фазы выполнено выходное отверстие соответствующего каналов для отвода преимущественно газообразной фазы.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели каналы для отвода преимущественно газообразной фазы имеют цилиндрическую форму.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели каналы для отвода преимущественно газообразной фазы выполнены в форме конического диффузора.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели угол между проекцией средней линии канала для отвода преимущественно газообразной фазы на плоскость, проходящую через продольную ось переводника и указанной осью, отложенный в направлении движения потока при работе газосепаратора, составляет менее 90°.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели переводник выполнен с центральной кольцевой полостью для прохода преимущественно газовой фазы газожидкостной среды, а входные отверстия каналов для отвода преимущественно газообразной фазы в затрубное пространство расположены по окружности боковой стенки указанной полости.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели каналы для прохода преимущественно жидкой фазы представляют собой открытые с обоих концов пазы на наружной поверхности переводника.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели каналы для прохода преимущественно жидкой фазы представляют собой отверстия в корпусе переводника.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели толщина лопатки увеличивается от минимального значения на передней кромке до максимального значения в месте расположения выходной части канала для прохода преимущественно газообразной фазы.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели входная часть лопатки загнута таким образом, что угол атаки потока газожидкостной смеси приближенно равен нулю.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели радиус кривизны выходной кромки лопатки превышает радиус кривизны входной кромке лопатки в продольном сечении лопатки параллельном оси переводника.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели внутренняя стенка канала для прохода преимущественно жидкой фазы, расположенная между соответствующими лопатками выполнена под углом к оси переводника таким образом, что площадь поперечного сечения канала увеличивается от входа канала к его выходу.
В соответствии со вторым вариантом реализации переводник муфты перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного скважинного насоса для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, выполнен с возможностью закрепления в корпусе газосепаратора, включает в себя корпус с центральным отверстием для вала газосепаратора, каналами для прохода преимущественно жидкой фазы газожидкостной смеси в полость насоса, входные участки которых расположены по окружности периферийной части переводника, и каналами для отвода преимущественно газообразной фазы газожидкостной смеси в затрубное пространство, входные отверстия которых расположены по окружности вблизи центрального отверстия переводника. Соседние боковые стенки каждой пары каналов для прохода преимущественно жидкой фазы образуют осевую лопатку, входная часть которой загнута против направления вращения потока газожидкостной смеси в сепарационной камере газосепаратора в продольном сечении лопатки параллельном оси переводника. При этом в отличие от прототипа боковые стенки каналов образуют отделенные друг от друга лопатки, выходная часть которых ориентирована вдоль оси переводника. Корпус переводника состоит из входной насадки, образующей входные части лопаток одной из заданных форм, и головки, в которой выполнены выходные части лопаток с каналами для отвода преимущественно газообразной фазы газожидкостной смеси в затрубное пространство, при этом насадка и головка соединены между собой посредством разъемного соединения.
Кроме того, в частном случае второго варианта реализации полезной
модели входные части лопаток сформированы на наружной поверхности входной насадки.
Наличие осевых лопаток, входная часть которых загнута против направления вращения потока газожидкостной смеси обеспечивает отвод отсепарированной жидкости от сепарационного барабана на прием погружного насоса с минимальными гидравлическими потерями, за счет безударного входа и плавного уменьшения скорости жидкостного потока до величины скорости в начальном сечении приема насоса.
Выполнение лопаток отделенными друг от друга с выходными частями ориентированными вдоль оси переводника обеспечивает раскручивание потока перед поступлением на прием насоса при минимальном гидравлическом сопротивлении движению жидкости на выходе с переводника.
Расположение продольной оси каналов для отвода преимущественно газообразной фазы по касательной к траектории вращения потока на входе в указанные каналы обеспечивает снижение сопротивления выходу газа в затрубье и, соответственно, повышение эффективности сепарации.
Выполнение корпуса переводника состоящим из входной насадки и головки, соединяемых между собой посредством разъемного соединения, а также возможность использования насадок с разной геометрией (углом загиба) входных частей лопастей позволяет обеспечить оптимальный режим работы переводника (угол атаки потока жидкости) для каждой конкретной скважины.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной
приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции муфты перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного скважинного насоса для добычи нефти с переводником, выполненным в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 изображен вид сбоку переводника (пунктиром показано осевое сечение и один из каналов для отвода газа).
На Фиг.2 изображен вид А по Фиг.1 (пунктиром показаны каналы для отвода газа).
На Фиг.3 изображен вид Б по Фиг.1 (пунктиром показаны каналы для отвода газа).
На Фиг.4 изображен переводник в изометрической проекции.
Муфта перекрестного потока центробежного газосепаратора погружного скважинного насоса для добычи нефти образована переводником, и корпусом (головкой) газосепаратора (на чертеже не показан).
Переводник 1 включает в себя корпус 2 с центральным отверстием 3 для вала газосепаратора и каналами 4 для прохода преимущественно жидкой фазы газожидкостной смеси в полость насоса. Входные участки (отверстия) каналов 4 расположены по окружности периферийной части переводника. Каналы 4 представляют собой открытые с обоих концов пазы на наружной поверхности переводника, при этом одну из стенок канала образует внутренняя стенка головки газосепаратора. Каналы 4 также могут быть выполнены в виде
отверстий в корпусе переводника, в этом случае муфта может быть целиком образована переводником, закрепляемым между корпусом и головкой газосепаратора (см. прототип).
В переводнике выполнены также каналы 5 для отвода преимущественно газообразной фазы газожидкостной смеси в затрубное пространство, которые расположены между каналами 4, а входные отверстия 12 каналов 5 расположены по окружности вблизи центрального отверстия 3 переводника.
Кроме того, в переводнике выполнено посадочное отверстие 6 под радиальный подшипник вала газосепаратора.
Соседние боковые стенки каждой пары каналов формируют отделенные друг от друга осевые лопатки 7, образующие осевую лопастную решетку. В теле каждой из лопаток проходит соответствующий канал 5.
Входная часть лопаток 7 загнута против направления вращения потока газожидкостной смеси в сепарационной камере газосепаратора в продольном сечении. При этом для обеспечения безударного натекания потока на лопасть и предотвращения отрыва пограничного слоя в виде присоединенной каверны входная часть лопатки загнута таким образом, что угол атаки потока газожидкостной смеси (угол между вектором скорости набегающего потока и касательной к средней линии профиля лопатки на входной кромке лопатки) приближенно равен нулю (не более ±1,5%). Выходные части лопаток 7 ориентированы вдоль оси переводника, что обеспечивает осевое вытекание отсепарированной жидкости, т.е. раскрутку потока перед подачей его на прием
насоса.
Лопатки 7 спрофилированы таким образом, что обеспечить хорошее обтекание жидкостью. Входные кромки 8 лопаток заострены (радиус кривизны выходной кромки лопатки в продольном сечении существенно превышает радиус кривизны входной кромке лопатки), а толщина лопатки увеличивается от минимального значения на передней кромке до максимального значения в месте расположения выходной части соответствующего канала 5.
Внутренняя стенка канала 4 между лопатками 7 может быть выполнена под углом к оси переводника таким образом, что площадь поперечного сечения канала 4 увеличивается от входа канала к его выходу. Такая форма канала обеспечивает снижение гидравлических потерь при движении жидкостного потока через переводник за счет снижения скорости его движения.
Переводник выполнен с центральной кольцевой полостью 9, образующей внешнюю стенку центрального канала для прохода газа, внутренняя стенка которого образована поверхностью вала газосепаратора (на чертеже не показан). Входные отверстия каналов 5 расположены по окружности боковой стенки кольцевой полости 9.
Проекция внешней стенки каналов 5 на плоскость, перпендикулярную оси переводника, ориентирована по касательной к окружности с центром в точке, соответствующей проекции продольной оси переводника, и радиусом r, равным расстоянию от указанной точки до наиболее удаленной от нее точки проекции входного отверстия канала (см. Фиг.3). При этом каналы 5 в осевой проекции "наклонены" к продольной оси переводника в направлении
движения газового потока под углом α (см. Фиг.1), примерно равным 45°, что также снижает сопротивление движению потока газа, связанное с наличием осевой составляющей в этом движении.
Из технологических соображений каналы 5 выполняют цилиндрической формы, однако, для дополнительного снижения гидравлического сопротивления при выходе газового потока в затрубье каналы 5 могут быть выполнены в форме конического диффузора (угол раскрытия 6-11°).
Корпус переводника состоит из двух частей (см. Фиг.4): входной насадки 10, на наружной поверхности которой сформированы входные части лопаток 7 одной из заданных форм, и головки 11, в которой выполнены выходные части лопаток 7 и каналы 5, при этом насадка и головка соединены между собой посредством винтового соединения (на чертеже не показано) с возможностью легкой замены входной насадки для изменения геометрии лопаток.
Устройство работает следующим образом.
Разделенные в сепарационном барабане фазы газожидкостной смеси поступают к входной насадке переводника 1, при этом преимущественно жидкая фаза смеси, находящаяся на периферии потока, попадает на лопатки 7, загнутые навстречу вращению потока. В результате жидкая фаза без удара и кавернообразования проходит в межлопаточный канал, двигаясь по которому она постепенно теряет окружную скорость и с минимальными гидравлическими потерями подается на прием насоса. Преимущественно газовая фаза
потока, находящаяся у его центра, поступает в кольцевую полость 9 и через ориентированные по касательной к направлению окружной скорости потока каналы 5 с минимальными потерями отводится в затрубное пространство.