Газосепаратор
Власники патенту UA 2327866:
Відомі відцентрові газосепаратори, що містять циліндричний корпус і вал, на якому послідовно за напрямом потоку розташовані гвинтовий шнек, лопатеве колесо і сепаруючий барабан з радіальними лопатями [1].
Такі сепаратори не можуть тривалий час працювати в абразивовмісних рідинах. Відмова настає через гідроабразивне або кавітаційне руйнування корпусу з подальшим розчленуванням газосепаратора.
Для підвищення надійності відцентрових газосепараторів використовують захисне покриття на корпусі [2]. Однак стійкість застосовуваних покриттів не дозволяє запобігти зносу руйнування газосепараторів, що працюють тривалий час.
Найбільш близький до заявляється газосепаратор, що містить циліндричний корпус з гладкою захисною гільзою і вал, на якому послідовно у напрямку потоку розташовані: гвинтовий шнек, лопатеве колесо і барабан, що сепарує. Захисна гільза має форму порожнистого тонкостінного циліндра і розташована між елементами газосепаратора, що обертаються, і корпусом. Вона варта захисту корпусу апарату від зносу [3].
Недоліком газосепаратора з гільзою є недостатня тривалість експлуатації під час роботи у свердловинах з підвищеною концентрацією абразивних частинок через швидке розмиття гільзи [4, 5].
Даний винахід спрямовано створення конструкції газосепаратора, здатного тривалий час безаварійно працювати в рідини, що містить абразивні частинки.
Спіральні лопаті можуть бути виконані з прямокутним, трапецієподібним, евольвентним або іншим перерізом. Можливий варіант, коли спіральні лопаті мають різний по довжині гільзи перетин, наприклад, навколо шнека - прямокутне, яке навколокаверноутворюючого колеса переходить у трикутне з гіпотенузою, зверненою до напрямку потоку, при цьому перехід від прямокутної форми в трикутну плавно здійснено в межах розвороту 90 градусів.
Спіральні лопаті можуть бути розташовані з кроком, який знаходиться в інтервалі 0,3-3,0 кроку шнека. Крок по довжині гільзи може бути як незмінним, так і змінним. Ширина спіральних лопаток становить від 0,04 до 0,15 кроку шнека, а розмір поздовжніх і спіральних лопат у радіальному напрямку може змінюватись від 0,02 до 0,08 діаметра захисної гільзи. Кут між поверхнею гільзи та поверхнею поздовжньої лопаті може становити від 30 до 90°.
Число лопатей, розташованих на захисній гільзі, може дорівнювати 1 або більше. Якщо спіральних лопатей кілька, то вони виконуються відповідно до їх кількості: двох-, трьох-і т.д. західними, тобто розміщуються на рівній відстані один від одного. Крім того, спіральні лопаті можуть бути виконані подвійними з еквідистантними скелетними лініями, при цьому відстань між лопатями витримується в межах 0,2-5,0 ширини. У варіантах виконання газосепаратора також передбачено виконання спіральних та поздовжніх лопат переривчастими.
Розміщення лопатей на внутрішній поверхні захисної гільзи, що забезпечує створення вихрової доріжки потоком рідини, поточної вздовж стінок захисної гільзи із закріпленими на ній лопатями, захищає поверхню гільзи від зношування та збільшує надійність роботи.
Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1 представлений фрагмент газосепаратора зі спіральними лопатями на захисній гільзі, закрученими в той же бік, що лопаті шнека; на фіг.2 - захисна гільза зі спіральними лопатями, закрученими убік, протилежну лопатям шнека;на фіг.3 - захисна гільза зі спіральними та поздовжніми лопатями; фіг.4 та 5 - схеми перебігу рідини поблизу стінок захисної гільзи.
Газосепаратор складається з наступних вузлів (фіг.1):
- валу 1, на якому послідовно розташовані шнек 2, лопатеве колесо 3 і сепаруючий барабан 4 з радіальними лопатями;
- захисна гільза 5 нової конструкції.
На внутрішній поверхні захисної гільзи 5 встановлені спіральні лопаті 6, скелетна лінія яких має закрутку в ту ж (фіг.1) або протилежну (фіг.2) бік, що і лопаті шнека 2. Геометрія лопатевої системи захисної гільзи 5 характеризується такими параметрами: , Товщиною і формою перерізу лопатей, відстанню між сусідніми лопатями, а також зазором між лопатями 6 гільзи 5 і шнека 2 (вибір визначається розміром абразивних частинок). Нерухомі спіральні лопаті 6 можуть наноситися як на всю внутрішню поверхню захисної гільзи 5 (фіг.1), так і частину цієї поверхні: наприклад, тільки навколо шнека 2 і лопатевого колеса 3.
Утворенню вихрової доріжки також може сприяти установка, як мінімум, двох поздовжніх лопатей 7 0 до 90 °.
Пристрій працює наступним чином.
Поступає газосепаратор газорідинна суміш, що містить абразивні частинки, захоплюється шнеком 2, який створює в прямому напрямку потік I (фіг.4) в кілька разів більший, ніж потік в області сепаруючого барабана 4. Надлишок рідини створює зворотний потік II в зазорі між лопатями 2 та стінками захисної гільзи 5. У цьому випадку слід використовуватизахисну гільзу 5 з нанесеними на її внутрішню поверхню спіральними лопатями 6, закрученими в ту ж сторону, що і шнек 2. Через збереження моменту кількості руху зворотний потік II закручений у напрямку, протилежному закрутці основного потоку I. Нерухомі спіральні лопаті 6 поверхні захисної гільзи 5 орієнтовані впоперек зворотного потоку II. Швидкість зворотного потоку підбирається так, щоб обтікання нерухомих лопатей було вихровим III.
На межі прямого І та зворотного II потоку (пунктирна лінія А-А на фіг.4) рідина не має аксіальної компоненти швидкості, тобто. не обертається щодо валу 1 газосепаратора. Тому на цьому кордоні зникають відцентрові сили, які діють тверді частки. Частинки, що переносяться прямим потоком I, не можуть перетнути цей кордон і досягти поверхні захисної гільзи 5. Кордон А-А між прямим I і зворотним II потоками є бар'єром для твердих частинок.
У зворотному потоці II діє відцентрова сила, спрямована до стінок захисної гільзи 5. Протидіють їй відцентрові сили у вихорах III, що утворюються за нерухомими лопатями 6. Там, де зворотний потік II стосується вихорів (пунктирна лінія В-В на фіг.4), напрямок відцентрових сил протилежне.
Крім того, нерухомі лопаті 6 зменшують дотичну компоненту швидкості поблизу стінок гільзи 5, що також знижує вплив твердих частинок на гільзу 5. Швидкість може бути зменшена в кілька разів, що випливає з проведених розрахунків.
Далі прямий потік I зі шнека 2 надходить до лопатевого колеса 4, де проводиться закручування газорідинної суміші, яка потім надходить у сепаруючий барабан 4 і поділяється на дві складові: газову та рідинну з абразивними частинками.
Якщо (див. фіг.5)подачу шнека 2 підбирати так, щоб швидкість течії рідини в зазорі між шнеком 2 і захисною гільзою 5 мала позитивну компоненту від входу в шнек 2 до виходу, слід використовувати захисну гільзу 5 з лопатями, закрученими в протилежний бік, ніж в шнеку (фіг. 1). В даному випадку нерухомі спіральні лопаті 6 на внутрішній поверхні гільзи 5 орієнтовані поперек основного потоку I. Швидкість потоку I підбирається так, щоб обтікання нерухомих лопат 6 було вихровим. Вихори III утворюються у просторі між шнеком 2 і гільзою 5. Відцентрові сили, створювані вихорами III на межі їх контакту з основним потоком I (пунктирна лінія А-А на фіг.5), спрямовані від стінок гільзи 5 до осі газосепаратора. Вони перешкоджають проникненню твердих частинок з основного потоку I до стінок гільзи 5. Крім того, нерухомі лопаті 6 зменшують дотичну компоненту швидкості поблизу стінок гільзи 5, що знижує вплив абразивних твердих частинок на гільзу 5.
Розрахунки та стендові випробування показали, що конструкції, оснащені захисними гільзами з нерухомими лопатями, мають надійність принаймні в 3 рази більшу, ніж серійні газосепаратори, що працюють в аналогічних умовах.
1. Обладнання для видобутку нафти та газу / В.М.Івановський, В.І.Дарищев, А.А.Сабіров. М.: ГУЛ Вид-во нафту та газ» РГУ нафти та газу ім. І.М.Губкіна, 2002. 4.1. С.449.
2. Патент №2310214 Франції, F04D 7/08, 1977.
3. Патент №5516360 США, В10D 19/00, 1996.
4. Деньгаєв А.В., Дроздов О.М., Вербицький B.C., Маркелов Д.В. Експлуатація свердловин, обладнаних високопродуктивними УЕЦН із газосепараторами // Буріння та нафта. 2005. №2. С.10-13.
5. Дроздов А.М., Деньгаєв А.В., Вербицький B.C. Установки занурювальних насосів із газосепараторамидля експлуатації свердловин із високим газовим фактором // Територія нафтогаз. 2005. №6. С.12-20.
2. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті виконані з прямокутним, трапецієподібним, евольвентним або іншим перерізом.
3. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті в гільзі газосепаратора мають різний переріз, навколо шнека - прямокутне, що переходить навколо лопатевого колеса в трикутне з гіпотенузою, зверненою до напрямку потоку, при цьому перехід від прямокутного перерізу лопаті до трикутного здійснено в межах розвороту 90°.
4. Газосепаратор з п.1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті розташовані з кроком в інтервалі 0,3-3,0 кроку шнека.
5. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що ширина спіральних лопатей становить від 0,04 до 0,15 кроку шнека, а розмір поздовжніх і спіральних лопатей у радіальному напрямку становить 0,02-0,08 діаметра захисної гільзи.
6. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті виконані дво-, трьох-або більше західними.
7. Газосепаратор з п.1, який відрізняється тим, що поздовжні лопаті встановлені під кутом від 30 до 90° до поверхні захисної гільзи.
8. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що поздовжні лопаті виконані уривчастими.
9. Газосепаратор за п.1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті виконані уривчастими.
10. Газосепаратор за п. 1, який відрізняється тим, що спіральні лопаті виконані парними, їх скелетні лінії еквідистантні, а відстань між парними лопатями можна порівняти з їх шириною.