Центробежный газосепаратор
CENTRIFUGAL GAS SEPARATOR

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным газосепараторам, предназначенным для отделения газа от пластовой жидкости, и может применяться при добыче нефти с большими значениями газового фактора.
Известен вихревой газосепаратор, содержащий корпус, входной модуль, вращающийся вал с ротором, защитную гильзу, вихревую камеру и головку-разделитель [Патент на ПМ №173966 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 22.09.2017].
Известен вихревой газосепаратор, содержащий корпус, входной модуль, вращающийся вал, осевое рабочее колесо, направляющий аппарат, вихревое осевое рабочее колесо и голову-разделитель [Патент №2660972 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 11.07.2018].
В вышеописанных газосепараторах разделение жидкости и газа основано на разности плотностей и происходит во вращающемся потоке в поле центробежных сил, при этом с увеличением подачи газожидкостной смеси (ГЖС) уменьшается время ее нахождения внутри газосепаратора и, как следствие, снижается коэффициент сепарации устройства. Это справедливо для любых роторных и вихревых газосепараторов, их сепарационная характеристика является монотонно падающей - максимальная на малых подачах и минимальная на больших.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является центробежный газосепаратор, содержащий корпус, сепарационный блок, установленный на валу, входной модуль с каналом для подвода ГЖС и головку-разделитель с отводами для разделенных газа и жидкости [Патент №2653197 РФ, МПК Е21В 43/38, опубл. 07.05.2018]. Сепарационный блок выполнен в виде набора секций. Каждая секция представляет собой сепарационное осевое колесо, выполненное в виде двух концентрично установленных цилиндров, между которыми расположены лопасти, изогнутые в форме винтовой линии. Секции плотно состыкованы друг с другом и образуют сплошную внешнюю цилиндрическую поверхность в форме гильзы вокруг лопастей. Работа газосепаратора основана на сепарации смеси в поле центробежных сил.
Недостатком данной конструкции является снижение коэффициента сепарации с ростом подачи.
Задачей настоящего изобретения является разработка газосепаратора, обеспечивающего эффективную сепарацию с постоянным во всем диапазоне подач коэффициентом сепарации и простого в изготовлении.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в центробежном газосепараторе, содержащем корпус, входной модуль, вал, насаженное на вал осевое сепарационное колесо, соединенное с гильзой, и головку-разделитель с отводами для отсепарированных жидкости и газа, согласно изобретению, головка-разделитель выполнена из верхней неподвижной части и нижней вращающейся части, между осевым сепарационным рабочим колесом и нижней вращающейся частью головки-разделителя сформирована сепарационная камера, представляющая собой цилиндрическое безлопаточное пространство, окруженное гильзой, при этом закрепленная вверху гильзы нижняя вращающаяся часть головки-разделителя насажена на вал с возможностью одновременного вращения с осевым сепарационным рабочим колесом и гильзой.
Кроме того, нижняя вращающаяся часть головки-разделителя может быть выполнена в виде трех концентрично установленных втулок, соединенных между собой радиальными лопатками.
В некоторых исполнениях центробежный газосепаратор может быть дополнительно снабжен напорным блоком в виде шнека или осевых рабочих колес с осевыми направляющими аппаратами, расположенным ниже осевого сепарационного рабочего колеса.
В предпочтительном варианте исполнения гильза выполнена в виде сплошной оболочки (монолитной).
Наличие сепарационной камеры увеличивает время пребывания разделяемого потока в газосепараторе, а вращение гильзы со скоростью вращения вала, позволяет избежать образования неустойчивого вращательного движения и стабилизирует устойчивое вращательное движение по всей длине камеры в широком диапазоне подач, что приводит к повышению эффективности процесса сепарации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого центробежного газосепаратора, на фиг. 2 - осевое сепарационное рабочее колесо, на фиг. 3 - нижняя вращающаяся часть головки-разделителя.
Центробежный газосепаратор (фиг. 1) содержит входной модуль 1 с каналом для подвода ГЖС, цилиндрический корпус 2 с головкой-разделителем 3 в верхней части, входную решетку 4, вал 5, гильзу 6 и осевое сепарационное рабочее колесо 7, расположенное в нижней части гильзы 6. Осевое сепарационное рабочее колесо 7 (фиг. 2) выполнено в виде насаженной на вал 5 конической втулки 8 с размещенной на ней лопастной системой 9. Внешние кромки лопастной системы 9 закреплены на внутренней поверхности гильзы 6 с образованием монолитной конструкции.
Ниже головки-разделителя 3 сформирована сепарационная камера 10, представляющая собой цилиндрическое безлопаточное пространство между валом 5 и гильзой 6.
Головка-разделитель 3 имеет нижнюю вращающуюся часть 11, закрепленную на верхнем конце гильзы 6 и насаженную на вал 5, и верхнюю неподвижную часть 12, соединенную с корпусом 2. В верхней неподвижной части 12 головки-разделителя выполнены осевые каналы 13 для подачи отсепарированной жидкости на прием насоса и наклонные каналы 14 для отвода отсепарированного газа в затрубное пространство. Нижняя вращающаяся часть головки-разделителя 11 (фиг. 3) образована тремя концентрично установленными цилиндрическими втулками 15, которые соединены между собой радиальными лопатками 16.
Осевое сепарационное рабочее колесо 7 и нижняя вращающаяся часть 11 головки-разделителя 3 установлены на вал 5 с помощью шпоночного соединения.
В сепарационной камере 10, которая ограничена по оси осевым сепарационным рабочим колесом 7 снизу и нижней вращающейся частью 11 головки-разделителя сверху, обеспечивается устойчивое вращение потока жидкости независимо от величины подачи благодаря одинаковым скоростям вращения вала 5 и гильзы 6, что приводит к улучшению качества сепарации.
В некоторых исполнениях центробежный газосепаратор ниже осевого сепарационного рабочего колеса 7 может дополнительно оснащаться напорным блоком 17, выполненным в виде осевого рабочего колеса 18 с направляющим аппаратом 19. Вместо осевого рабочего колеса 18 с направляющим аппаратом 19 может быть применен шнек. Напорный блок используется в случаях, когда напора осевого сепарационного рабочего колеса 7 недостаточно для подъема жидкости до уровня входа в насос.
Для удобства изготовления и сборки гильза 6 может быть выполнена сборной, в частности, участки соединения с лопастной системой 9 и с нижней вращающейся частью 11 головки-разделителя могут представлять самостоятельные части гильзы 6. В этом случае стыковку отдельных частей гильзы 6 осуществляют посредством шлицевого соединения.
Центробежный газосепаратор работает следующим образом.
При включении установки вал 5 приводится во вращение и ГЖС поступает через проточные каналы входного модуля 1 в каналы входной решетки 4, где поток принимает осевое направление, а затем после ускорения в напорном блоке 17 (при наличии) или напрямую попадает на осевое сепарационное рабочее колесо 7, где происходит передача энергии от вала 5 потоку, который раскручивается лопастной системой 9 и переходит в сепарационную камеру 10. Лопастная система 9, закрепленная на гильзе 6, приводит последнюю во вращение. Соединенная с верхней частью гильзы 6 и валом 5 нижняя вращающаяся часть головки-разделителя 11 служит радиальной опорой для гильзы 6.
В поле центробежных сил в сепарационной камере 10 происходит сепарация ГЖС с переносом жидкой фазы к периферии и вытеснением газовой фазы к центру. На выходе из гильзы 6 газ из центральной части сепарационной камеры 10 отводится в затрубное пространство через наклонные каналы 14. Жидкая фаза с периферии сепарационной камеры 10 подается по неподвижным осевым каналам 13 на вход первой секции добывающего насоса.
Таким образом, использование заявляемой конструкции позволяет отсепарировать газ от жидкости с высокой эффективностью благодаря отсутствию центробежной неустойчивости на всем диапазоне подач.