Газовый сепаратор скважинного центробежного насоса

 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в газо- и нефтедобывающей промышленности при добыче нефти с большим газовым фактором. Газовый сепаратор содержит корпус с всасывающими отверстиями, сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками, устройства для отвода жидкой и газообразной сред, размещенные на выходе из барабана, и устройство подачи в виде шнека. Сепарирующий узел в части своего объема имеет свободное пространство на своей геометрической оси. Диаметральные размеры этого пространства примерно равны диаметру вала, на котором расположен шнек. Выходное отверстие или отверстия для отвода газовой фазы расположены на оси барабана или вблизи нее. Выходная часть узла имеет центробежный гидрозатвор в виде разделительного диска. Наружный диаметр диска меньше внутреннего диаметра барабана на 2-10 мм. За разделительным диском расположены каналы для отвода жидкой среды. Диаметр периферийной поверхности этих каналов меньше диаметра разделительного диска на 2-10 мм. Изобретение направлено на повышение эффективности работы и расширение диапазона рабочих режимов сепаратора по содержанию газа в добываемой продукции скважины. 2 ил.

Изобретение относится к газо- и нефтедобывающей промышленности и может быть применено при добыче нефти с большим газовым фактором.

Известны газовые сепараторы скважинных центробежных насосов.

Известен газовый сепаратор [1] , содержащий корпус с отверстиями для отвода жидкости, шнек и втулку.

Недостатком этого устройства является то, что при большом содержании газа в добываемой продукции скважины на выходе невозможно получить газожидкостную смесь с допустимым содержанием газа.

Известен газовый сепаратор скважинного центробежного насоса [2], содержащий корпус с всасывающими отверстиями, вал, на котором установлен сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана с радиальными лопастями и устройство для отвода жидкой и газообразной сред, размещенные на выходе из барабана.

Недостатком этого устройства является то, что при большом содержании газа в добываемой продукции скважины на выходе не всегда можно получить газожидкостную смесь с допустимым содержанием газа.

Наиболее близким к изобретению является газовый сепаратор скважинного центробежного насоса [3], содержащий корпус с всасывающими отверстиями, корпус шнека, вал, на котором установлен сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана с радиальными лопастями и устройство для отвода жидкой и газообразной сред, размещение на выходе из барабана, установленный на валу шнек с корпусом, размещенным в корпусе сепаратора на входе в цилиндрический барабан, причем площадь проточной части корпуса шнека выполнена уменьшающейся в осевом направлении от входа к выходу, а угол наклона лопастей на выходе из шнека равен 90^o.

Недостатками прототипа являются, во-первых, то, что внутренний объем сепарирующего узла используется недостаточно полезно для сепарации газа из-за размещения в нем вала, а во-вторых, то, что принципиально не исключается возможность попадания отделенного газа в каналы для отвода жидкой среды при больших значениях газового фактора и, наоборот, попадания жидкой среды в каналы для отвода газовой среды при добыче нефти с малыми значениями газового фактора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эффективности работы газового сепаратора, расширение диапазона рабочих режимов газового сепаратора по содержанию газа в добываемой продукции скважины.

Поставленная задача решается тем, что в газовом сепараторе, содержащем корпус со всасывающими отверстиями, вал с установленным на нем устройством подачи в виде шнека, сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками, устройство для отвода жидкой и газообразной сред, размещенное на выходе из барабана, в отличие от прототипа часть внутреннего пространства в области выхода из сепарирующего узла вдоль оси свободна, что позволяет эффективно использовать его для отвода газовой среды. При этом предусмотрена передача крутящего момента не через общий для всего газового сепаратора вал, а через цилиндрический барабан сепарирующего узла. В отличие от прототипа газовый сепаратор имеет центробежный гидрозатвор в виде разделительного диска, предотвращающий попадание отделенной газовой среды в каналы для отвода жидкой среды, что обеспечивает высокую эффективность сепарации даже при большом содержании газа в добываемой продукции скважины. Вход добываемой продукции скважины в сепарирующий узел осуществляется через отверстие и диффузор в передней торцовой стенке сепарирующего узла, а крутящий момент передается от приводного вала к барабану сепарирующего узла посредством радиальных лопаток, расположенных внутри цилиндрического барабана сепарирующего узла, что обеспечивает уменьшение гидравлических потерь из-за внезапного расширения потока и загромождения входного отверстия.

Сущность устройства поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен сепаратор, продольный разрез, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1. Газовый сепаратор содержит корпус 1, в котором имеются всасывающие отверстия 2, в корпусе 1 установлен приводной вал 3, на котором установлен шнек 4 и сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана 5 с входным диффузором 6 и радиальными лопатками 7, на выходе из которого установлен гидрозатвор в виде разделительного диска 8, содержащий отверстие отбора газовой среды 9 и образующее с корпусом барабана 5 кольцевое отверстие отбора жидкой среды 10. За разделительным диском имеются каналы для отвода жидкой среды 11 и газовой среды 12 за пределы сепарирующего узла, причем диаметр периферийной поверхности каналов отбора жидкой среды 11 меньше диаметра разделительного диска 8 на 2... 10 мм, а газовая среда выводится за пределы газового сепаратора через отверстия 13 в корпусе 1. Корпус барабана 5 имеет лабиринтные уплотнения 14, изолирующие газовую среду от жидкой. Крутящий момент передается от приводного вала 3 к выходному валу 15 через барабан 5 сепарирующего узла, причем крутящий момент от приводного вала 3 к барабану 5 передается через радиальные лопатки 7, расположенные внутри барабана 5 сепарирующего узла.

В известных газовых сепараторах [1, 2, 3] при отделении газовой среды от жидкой в сепарирующем узле в области выхода образуется граница раздела газовой и жидкой сред, на которую ориентировано устройство для отвода жидкой и газовой сред, отсекающее жидкую среду от газовой по границе раздела. При увеличении содержания газа в добываемой продукции скважины эта граница смещается к периферии устройства, при этом часть газовой среды начинает попадать в отводимую жидкую среду, что может привести к получению на выходе из газового сепаратора газожидкостной смеси с недопустимо большим остаточным содержанием газа и образованию газовых пробок в стоящем за газовым сепаратором центробежном насосе. При уменьшении содержания газа в добываемой продукции скважины граница раздела жидкой и газовой сред смещается к оси устройства, при этом часть жидкой фазы выбрасывается через отверстия газовой фазы обратно в скважину, снижая тем самым расходный к.п.д. устройства. Использование в предлагаемом устройстве на выходе из сепарирующего узла центробежного гидрозатвора в виде разделительного диска приводит к тому, что отбор жидкой среды осуществляется через кольцевое отверстие на периферии барабана сепарирующего узла, а отбор газовой среды - через отверстия в разделительном диске, расположенные ближе к оси устройства. При изменении содержания газа в добываемой продукции скважины граница раздела жидкой и газовой сред перемещается по поверхности разделительного диска между кольцевым отверстием отбора жидкой среды и отверстиями отбора газовой среды, исключая взаимное проникновение жидкой и газовой сред. Таким образом, чем больше расстояние между кольцевым отверстием отбора жидкой среды и отверстиями отбора газовой среды, тем больший диапазон рабочих режимов имеет устройство. Максимально расширить этот диапазон можно, расположив отверстие отбора газовой среды непосредственно на оси устройства. В предлагаемом устройстве это возможно благодаря освобождению части внутреннего пространства вдоль оси сепарирующего узла в области выхода от приводящего вала. Диаметр периферийной поверхности каналов отвода жидкой среды за пределы сепарирующего узла меньше диаметра разделительного диска на 2...10 мм, что обеспечивает "запирание" гидрозатвора при большом содержании газа в добываемой продукции скважины и исключает попадание газовой среды на вход в центробежный насос.

Указанные меры позволяют повысить диапазон рабочих режимов газового сепаратора, обеспечить высокую степень очистки добываемой продукции скважины от газа, уменьшить гидравлические сопротивления по тракту газового сепаратора.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Газожидкостная смесь через всасывающие отверстия 2 в корпусе 1 поступает на вход шнека 4, приводимого во вращение через приводной вал 3. Шнек подает газожидкостную смесь на вход в сепарирующий узел. Диффузор 6, установленный на входе в сепарирующий узел, снижает гидравлические потери, исключая внезапное расширение потока. В сепарирующем узле происходит разделение газожидкостной смеси под действием градиента центростремительных сил на отдельные компоненты с образованием поверхности раздела. При увеличении содержания газа в газожидкостной смеси поверхность раздела перемещается по поверхности разделительного диска гидрозатвора 8 к периферии барабана 5 сепарирующего узла, причем при значительном увеличении содержания газа и приближении поверхности раздела к кольцевому отверстию отбора жидкой среды 10 срабатывает гидрозатвор, исключая тем самым проникновение газовой среды в каналы отвода жидкой среды 11. Отбор разделенных компонентов производится через отверстия 9, 10 с дальнейшим выводом их по каналам 11, 12 за пределы сепарирующего узла. Крутящий момент от приводного вала 3 передается с помощью радиальных лопаток 7 барабану 5 сепарирующего узла и далее от барабана 5 к выходному валу 15, прикрепленному к сепарирующему узлу.

Источники информации 1. А.С. СССР 3509576, МКИ⁶ Е 21 В 43/34, 1970.

2. А.С. СССР 1161694, МКИ⁶ Е 21 В 43/38. 1985.

3. Патент РФ 2078255, МКИ⁶ F 04 D 13/10, Е 21 В 43/38, 1997.

Формула изобретения

Газовый сепаратор скважинного центробежного насоса, содержащий корпус со всасывающими отверстиями, сепарирующий узел в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками, устройства для отвода жидкой и газообразной сред, размещенные на выходе из барабана, устройство подачи в виде шнека, отличающийся тем, что сепарирующий узел в части своего объема имеет свободное пространство на своей геометрической оси, причем диаметральные размеры этого пространства примерно равны диаметру вала, на котором расположен шнек, при этом выходное отверстие (или отверстия) для отвода газовой фазы из сепарирующего узла расположены в пределах зоны, ограниченной указанными диаметральными размерами, то есть на оси барабана или вблизи ее, при этом выходная часть сепарирующего узла имеет центробежный гидрозатвор в виде разделительного диска, наружный диаметр которого меньше внутреннего диаметра барабана на 2 - 10 мм, а кольцевой канал между разделительным диском и внутренней поверхностью барабана служит для отвода жидкой среды, при этом за разделительным диском расположены каналы для отвода жидкой среды за пределы сепарирующего узла, причем диаметр периферийной поверхности этих каналов меньше диаметра разделительного диска на 2 - 10 мм, при этом цилиндрический барабан сепарирующего узла имеет толщину стенки, достаточную для передачи крутящего момента от вала шнека к выходному валу (или хвостовику сепарирующего узла), а радиальные лопатки имеют достаточную толщину для передачи крутящего момента от вала шнека к цилиндрическому барабану сепарирующего узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2