ДИСПЕРГАТОР ПОГРУЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

ДИСПЕРГАТОР ПОГРУЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ


RU (11) 2192560 (13) C2

(51) 7 F04D13/10, F04D31/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001101379/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.01.17 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.01.17 
(45) Опубликовано: 2002.11.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 5961282 А, 05.10.1999. SU 615256 А, 06.07.1978. RU 2138691 C1, 27.09.1999. RU 2134820 C1, 20.08.1999. GB 1294641 A, 01.11.1972. DE 1230397 A, 15.12.1966. DE 2236911 A1, 07.03.1974. DE 4315234 A1, 10.11.1994. 
(71) Заявитель(и): Открытое акционерное общество "Борец" 
(72) Автор(ы): Кулигин А.Б.; Трулев А.В. 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Борец" 
Адрес для переписки: 127018, Москва, ул. Складочная, 6, ОАО "Борец", начальнику БНТИ А.Е.Киселеву 

(54) ДИСПЕРГАТОР ПОГРУЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ 

Изобретение может быть использовано в погружных центробежных насосных установках для добычи нефти. Диспергатор погружной центробежной насосной установки содержит корпус, внутри которого размещены по крайней мере две ступени, выполненные в виде рабочих колес с лопастями и направляющих аппаратов с лопатками. По крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени напорного типа, обеспечивающей создание напора жидкости. По крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени перемешивающего типа, обеспечивающей перемешивание жидкости и создание напора жидкости, меньшего, чем напор жидкости, создаваемый ступенью напорного типа. Наружный диаметр лопастей рабочего колеса ступени перемешивающего типа больше диаметра ведущего диска указанного рабочего колеса. Наружный диаметр лопаток направляющего аппарата ступени перемешивающего типа больше диаметра нижнего диска указанного направляющего аппарата. Изобретение направлено на обеспечение стабильной работы насосов в скважинах с большим содержанием растворенного газа и уменьшение числа отключений насосов по причине срыва подачи. 9 з.п. ф-лы, 10 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к устройствам для откачки пластовой среды из скважин и может быть использовано в погружных центробежных насосных установках, предназначенных для добычи нефти.

Существуют различные устройства для откачки пластовой жидкости с высоким содержанием газа, уменьшающие вероятность блокирования рабочего колеса погружного центробежного насоса газовой пробкой. Например, известен диспергатор, обеспечивающий перемешивание пластовой жидкости и газовых пузырей [1] . Диспергатор состоит из двух подвижных крыльчаток, закрепленных на валу и имеющих радиальные лопатки, параллельные валу. Также данное устройство содержит неподвижную крыльчатку, закрепленную на корпусе между подвижными крыльчатками и имеющую радиальные лопатки, параллельные валу.

При использовании такого диспергатора газовые пузыри пластовой среды вблизи торцов крыльчаток дробятся и легче проходят через рабочие колеса расположенных выше ступеней центробежного насоса.

Описанная конструкция диспергатора не обеспечивает повышение растворимости газа в пластовой жидкости, так как давление пластовой среды на входе в насосные центробежные ступени не повышается.

Наиболее близким к заявленному изобретению устройством является диспергатор погружной насосной установки [2], выполненный в виде дополнительных осевых ступеней, установленных в нижней части центробежного насоса, предназначенных для создания давления перед центробежными ступенями. Поскольку осевые ступени менее подвержены блокированию газовыми пробками, пузыри проходят через них и частично растворяются вследствие увеличения давления.

Известное устройство недостаточно эффективно осуществляет дробление пузырей вблизи торцов рабочих органов. Относительная длина осевых рабочих колес и направляющих аппаратов велика по сравнению с центробежными ступенями, соответственно мало областей, в которых происходит дробление газовых пузырей. Также в данном устройстве недостаточно эффективно осуществляется перемешивание газожидкостной смеси, вследствие чего повышается вероятность группирования пузырей газа в центральной части диспергатора, и последующее укрупнение газовых включений, то есть известное устройство практически не обеспечивает перемешивание потоков газожидкостной смеси, протекающих по центральной и периферийной областями проточной части.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, заключается в обеспечении стабильной работы погружных насосов в скважинах с большим содержанием растворенного газа, а также уменьшении числа отключений насосов по причине срыва подачи. При этом исключается формирование значительных по объему газовых пробок, препятствующих нормальной работе элементов погружного центробежного насоса, используемого совместно с диспергатором, и уменьшается объемное содержание газа в пластовой жидкости. Одновременно устройство обеспечивает создание дополнительного напора пластовой жидкости, что позволяет уменьшить количество ступеней в погружных насосах.

Возможность достижения технического результата обеспечивается путем увеличения суммарного объема зон дробления пузырей газа в перемешивающих и напорных ступенях с одновременным уменьшением общего объема газовых пузырей за счет растворения газа в пластовой жидкости при прохождении пластовой жидкости через напорные ступени. Кроме того, создание в перемешивающих ступенях кольцевого вихря между центральным и периферийным участками проточной части и подача среды под давлением, формируемым напорными ступенями, приводит к улучшению перемешивания газожидкостной смеси и повышению диспергации газа. Чередование нагнетательных и перемешивающих ступеней обеспечивает повышение давления при прохождении газожидкостной смеси через диспергатор, что приводит к уменьшению объемной концентрации газа.

Для достижения указанного технического результата в диспергаторе погружной центробежной насосной установки, содержащем корпус, внутри которого размещены по крайней мере две ступени, выполненные в виде рабочих колес с лопастями и направляющих аппаратов с лопатками, дополнительно по крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени напорного типа, обеспечивающей создание напора жидкости и по крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени перемешивающего типа, обеспечивающей перемешивание жидкости и создание напора жидкости, меньшего, чем напор жидкости, создаваемый ступенью напорного типа.

Также в диспергаторе наружный диаметр лопастей рабочего колеса ступени перемешивающего типа может быть больше диаметра ведущего диска указанного рабочего колеса, что позволяет уменьшить вплоть до нуля градиент давления в проточной части перемешивающей ступени, препятствующий движению пузырьков газа. Кроме того, наружный диаметр лопаток направляющего аппарата ступени перемешивающего типа может быть больше диаметра нижнего диска указанного направляющего аппарата. Между рабочим колесом и направляющим аппаратом указанной конструкции возникает кольцевой вихрь, между центральным и периферийным участками проточной части, что приводит к улучшению перемешивания газожидкостной смеси.

Также в диспергаторе ведущий диск рабочего колеса ступени перемешивающего типа может быть выполнен со сквозными отверстиями. Благодаря этим отверстиям происходит уменьшение градиента давления в проточной части рабочего колеса, улучшается перемешивание газожидкостной смеси и благодаря уменьшению размера газовых включений улучшается работа рабочих колес на смеси жидкости и газа.

Также в ведущем диске рабочего колеса ступени перемешивающего типа может быть выполнена сквозная кольцевая проточка. Благодаря отверстию в виде кольцевой проточки происходит уменьшение градиента давления в проточной части рабочего колеса, улучшается перемешивание газожидкостной смеси и благодаря уменьшению размера газовых включений улучшается работа рабочих колес на смеси жидкости и газа.

Также в нижнем диске направляющего аппарата каждой ступени могут быть выполнены сквозные отверстия, что также обеспечивает формирование вихрей между центральной периферийной частями диспергатора и обеспечивает более высокое качество распределения газа в жидкости.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что число установленных последовательно друг за другом ступеней перемешивающего типа отличается от числа установленных последовательно друг за другом ступеней напорного типа. Это позволяет в зависимости от пенообразующих свойств пластовой жидкости оптимально регулировать работу диспергатора на его отдельных участках (в начале, в середине или в конце).

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что каждая из ступеней перемешивающего типа установлена последовательно со ступенью напорного типа, что обеспечивает качественное распределение газовых включений в перекачиваемой жидкости для большинства типов пластовой жидкости.

Выполнение корпуса диспергатора в виде отдельного модуля, соединенного с корпусом погружной насосной установки, позволяет оперативно доукомплектовывать насосные установки.

Выполнение корпуса диспергатора в виде единого целого с корпусом погружной насосной установки позволяет по сравнению с вариантом, когда диспергатор выполнен в виде отдельного модуля, уменьшить длину всей установки.

На фиг.1 изображен диспергатор погружной центробежной насосной установки;

на фиг.2 изображена модуль-секция погружной насосной установки;

на фиг. 3 изображены напорные и перемешивающие ступени диспергатора, в каждой ступени перемешивающего типа в рабочем колесе наружный диаметр лопастей больше диаметра ведущего диска и в направляющем аппарате наружный диаметр лопаток больше диаметра нижнего диска;

на фиг.4 изображены ступени диспергатора, в ведущем диске рабочего колеса каждой ступени перемешивающего типа выполнены отверстия;

на фиг.5 изображены ступени диспергатора, в ведущем диске рабочего колеса каждой ступени перемешивающего типа выполнено отверстие в виде кольцевой проточки;

на фиг. 6 изображено рабочее колесо перемешивающего типа, у которого наружный диаметр лопастей больше диаметра ведущего диска;

на фиг.7 изображен направляющий аппарат перемешивающего типа, у которого наружный диаметр лопаток больше диаметра нижнего диска;

на фиг. 8 изображено рабочее колесо перемешивающего типа, у которого в ведущем диске выполнены сквозные отверстия;

на фиг.9 изображен направляющий аппарат перемешивающего типа, у которого в нижнем диске выполнены сквозные отверстия;

на фиг. 10 изображено рабочее колесо перемешивающего типа, у которого в ведущем диске выполнено отверстие в виде кольцевой проточки.

Диспергатор (фиг.1) содержит корпус 1 и ступени 2, расположенные внутри корпуса 1.

Модуль-секция погружной насосной установки (фиг. 2) имеет корпус 1, ступени диспергатора 2 и насосные ступени 3, расположенные внутри корпуса 1.

Диспергатор (фиг. 3-5) содержит ступени напорного и перемешивающего типов, каждая из которых состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата. Рабочие колеса 4, 5 и направляющие аппараты 6, 7 относятся к ступеням напорного типа, рабочее колесо 8 и направляющий аппарат 9 относятся к ступени перемешивающего типа. Рабочее колесо 8 содержит ведущий диск 10 с закрепленными на нем лопастями 11, направляющий аппарат 9 ступени перемешивающего типа выполнен в виде корпуса 12 и нижнего диска 13 с расположенными между ними лопатками 14.

В ведущем диске 10 рабочего колеса 8 каждой ступени перемешивающего типа выполнены цилиндрические отверстия 15.

В ведущем диске 10 рабочего колеса 8 каждой ступени перемешивающего типа выполнено отверстие в виде кольцевой проточки 16.

Следует отметить, что в изобретении могут быть использованы конструктивно сходные между собой ступени напорного и перемешивающего типов, при этом ступени перемешивающего типа могут отличаться от ступеней напорного типа выполнением в них сквозных отверстий, проточек и т.п. Также ступени напорного и перемешивающего типов могут отличаться профилем или количеством лопаток.

При этом важным условием нормальной работы диспергатора является различие напора (или производительности) различных ступеней диспергатора, так как при блокировании ступеней напорного типа газовыми пробками ступени перемешивающего типа обеспечивают эффективную диспергацию газа в жидкости, вследствие чего увеличивается объем перекачиваемой среды, которая поступает на ступень напорного типа, обеспечивая восстановление нормальной работы устройства.

Перемешивающая ступень диспергатора, выполненная на основе центробежной ступени, меньше в осевом направлении по сравнению с осевыми ступенями, используемыми в аналогичных диспергаторах, поэтому произойдет увеличение суммарного объема зон дробления пузырей газа на некоторой условной единице длины в осевом направлении. Это приводит к достижению высокой степени диспергации газа, а чередование нагнетательных и перемешивающих ступеней приводит к повышению давления при прохождении газожидкостной смеси через диспергатор, это приводит к уменьшению объемной концентрации газа.

Благодаря наличию отверстия в виде кольцевой проточки происходит уменьшение градиента давления в проточной части рабочего колеса, улучшается перемешивание газожидкостной смеси и благодаря вымыванию газовых каверн улучшается работа рабочих колес на смеси жидкости и газа. В диспергаторе в каждой ступени перемешивающего типа в рабочем колесе 8 наружный диаметр лопастей 11 больше диаметра ведущего диска 10 и в направляющем аппарате 9 наружный диаметр лопаток 14 больше диаметра нижнего диска 13. Это позволяет уменьшить вплоть до нуля градиент давления в проточной части перемешивающей ступени, препятствующий движению пузырьков газа. Между рабочим колесом и направляющим аппаратом указанной конструкции возникает кольцевой вихрь, между центральным и периферийным участками проточной части. Это приводит к улучшению перемешивания газожидкостной смеси.

В диспергаторе в ведущем диске 10 рабочего колеса 8 каждой ступени перемешивающего типа выполнены цилиндрические отверстия 15. Благодаря этим отверстиям происходит уменьшение градиента давления в проточной части рабочего колеса, улучшается перемешивание газожидкостной смеси и благодаря вымыванию газовых каверн улучшается работа рабочих колес на смеси жидкости и газа.

Устройство работает следующим образом. При вращении рабочих колес насосных ступеней 3, установленных в корпусе 1, рабочих колес диспергатора 2 газожидкостная смесь проходит через ступени диспергатора 2 напорного и перемешивающего типов.

При прохождении газожидкостной смесью ступеней перемешивающего типа в газожидкостной смеси обеспечивается формирование зон повышенной турбулентности, локальных пульсаций давления и т. д., в том числе и при взаимодействии краев лопастей рабочих колес и направляющих аппаратов. Это приводит к эффективному дроблению газовых пузырей и созданию однородной мелкодисперсной газожидкостной смеси. При этом повышается скорость растворения газа в жидкости за счет увеличения площади поверхности раздела газовой и жидкой сред.

После прохождения газожидкостной смесью ступеней напорного типа повышается давление пластовой жидкости, за счет чего осуществляется эффективное растворение газа и уменьшение объема каждого пузыря. Дополнительно, также как на ступени перемешивающего типа, но в меньшей степени, происходит диспергирование газа в жидкости. Особенностью изобретения является то обстоятельство, что в заявленном изобретении невозможно длительное существование газовых пробок на ступенях напорного типа, так как ступени напорного типа чередуются со ступенями перемешивающего типа. Указанное обстоятельство обеспечивает надежное заполнение ступеней напорного типа газожидкостной смесью даже при кратковременном блокировании ступеней напорного типа газовыми пробками, так как расположение рядом с напорными ступенями перемешивающих ступеней обеспечивает попадание жидкости на ступени напорного типа и возобновление нормальной работы ступеней, так как при таком режиме работы объем газожидкостной смеси увеличивается за счет распределения дополнительных объемов газа в смеси.

Проведенные исследования показали, что при использовании диспергаторов аналогичной конструкции в зависимости от выполнения диспергатора возможно полное исключение газовой фазы на входе насоса или доведение объемного содержания газа и степени диспергации газа до пределов, необходимых для нормальной работы насоса. Таким образом, при использовании диспергатора обеспечивается бесперебойное функционирование насосных установок и исключение отказов работы по причине срыва подачи и порчи оборудования, например за счет исключения возможности работы трущихся поверхностей насоса в режиме сухого трения.

Дополнительно, регулируя разность напора, создаваемого ступенями напорного и перемешивающего типа, например изменяя число, диаметр или форму отверстий, возможно создание диспергатора, оптимально соответствующего насосной установке и параметрам перекачиваемой пластовой жидкости, например растворимости газа в жидкости, степени насыщенности жидкости газом и требуемой подачи насосной установки.

Заявленные диспергатор и модуль-секция погружной насосной установки могут использоваться при насосной эксплуатации нефтяных месторождений с высоким газовым фактором.

Источники информации

1. Гафуров О.Г. Исследование особенностей эксплуатации погружными центробежными насосами нефтяных скважин, содержащих в продукции газовую фазу. Дисс. на соискание уч. степ. канд. техн. наук, Уфа, 1972 г., c.53, 131.

2. Патент США 5961282, 415/1996, опубл. 05.10.1999 г. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Диспергатор погружной центробежной насосной установки, содержащий корпус, внутри которого размещены по крайней мере две ступени, выполненные в виде рабочих колес с лопастями и направляющих аппаратов с лопатками, отличающийся тем, что по крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени напорного типа, обеспечивающей создание напора жидкости, и по крайней мере одна из ступеней выполнена в виде ступени перемешивающего типа, обеспечивающей перемешивание жидкости и создание напора жидкости, меньшего, чем напор жидкости, создаваемый ступенью напорного типа.

2. Диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что наружный диаметр лопастей рабочего колеса ступени перемешивающего типа больше диаметра ведущего диска указанного рабочего колеса.

3. Диспергатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что наружный диаметр лопаток направляющего аппарата ступени перемешивающего типа больше диаметра нижнего диска указанного направляющего аппарата.

4. Диспергатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в ведущем диске рабочего колеса ступени перемешивающего типа выполнены сквозные отверстия.

5. Диспергатор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в ведущем диске рабочего колеса ступени перемешивающего типа выполнена сквозная кольцевая проточка.

6. Диспергатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в нижнем диске направляющего аппарата каждой ступени выполнены сквозные отверстия.

7. Диспергатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что число установленных последовательно друг за другом ступеней перемешивающего типа отличается от числа установленных последовательно друг за другом ступеней напорного типа.

8. Диспергатор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что каждая из ступеней перемешивающего типа установлена последовательно со ступенью напорного типа.

9. Диспергатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что корпус диспергатора выполнен в виде отдельного модуля, соединенного с корпусом погружной насосной установки.

10. Диспергатор по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что корпус диспергатора выполнен в виде единого целого с корпусом погружной насосной установки.