Способ перекачивания газожидкостной смеси и мультифазная ступень для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК F04D29/22 F04D31/00 

Группа изобретений относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано для откачки из скважин пластовой жидкости с высоким содержанием газа.

Известен из патента RU 2586801 способ перекачивания газожидкостной смеси мультифазной ступенью многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, полуоткрытое рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции, в виде дополнительного направляющего аппарата.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, в области между ведущим диском рабочего колеса и соседним диском направляющего аппарата препятствующие измельчению газовых пузырей. Крупные пузыри могут попадать в проточную часть колеса. Также образуются газовые каверны между лопастями. В результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является техническое решение, известное из патента RU 2622578.

Способ перекачивания газожидкостной смеси мультифазной ступенью многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, в области между ведущим диском рабочего колеса и соседним диском направляющего аппарата препятствующие измельчению газовых пузырей. Крупные пузыри могут попадать в проточную часть колеса. Также образуются газовые каверны между лопастями. Диспергирование потока газожидкостной смеси осуществляется только на входе в рабочее колесо, а не на всем протяжении проточной части. Не учитывается баланс между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления и силой трения, которая увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку через проточную часть. В результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Известна из патента RU 2586801 мультифазная ступень, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, полуоткрытое рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, между рабочим колесом и верхним диском нижнего направляющего аппарата установлен дополнительный направляющий аппарат, который состоит из диска с лопатками.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, в области между ведущим диском рабочего колеса и соседним диском направляющего аппарата препятствующие измельчению газовых пузырей. Крупные пузыри могут попадать в проточную часть колеса. Также образуются газовые каверны между лопастями. В результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является техническое решение, известное из патента RU 2622578, в котором раскрыта мультифазная ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде обечайки с буртом, нижнего и верхнего дисков с лопатками, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, на входе в рабочее колесо образована камера для диспергирования, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции.

Недостатком известного технического решения является снижение надежности работы при наличии в перекачиваемой жидкости значительных по объему газовых включений, так как при этом формируются застойные зоны, в области между ведущим диском рабочего колеса и соседним диском направляющего аппарата препятствующие измельчению газовых пузырей. Крупные пузыри могут попадать в проточную часть колеса. Также образуются газовые каверны между лопастями. Диспергирование потока газожидкостной смеси (ГЖС) осуществляется только на входе в рабочее колесо, а не на всем протяжении проточной части. Крупные пузырьки газа перекачивать сложнее, чем мелкие. Не учитывается баланс между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления и силой трения, которая увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку через проточную часть. В результате чего насос блокируется газовыми пробками.

Технической задачей группы заявляемых изобретений является создание технического решения, при котором в процессе работы мультифазной ступени, внутри ее снижается или полностью прекращается возникновение крупных газовых каверн, способных образовать газовую пробку и привести к срыву подачи.

Учет баланса между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления и силой трения, которая увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку через проточную часть, диспергирование потока ГЖС на всем протяжении проточной части с поддержанием заданного среднего диаметра пузырьков газовой фазы малого размера обеспечивает работу мультифазных ступеней без срыва подачи с высокими энергетическими параметрами.

Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности, эффективности работы мультифазных ступеней центробежного насоса.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе перекачивания газожидкостной смеси мультифазной ступенью многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции, отличающаяся тем, что осуществляется диспергирование газожидкостной смеси по всей длине проточной части за счет малой длины лопастей, сквозных отверстий в них, выступов и (или) впадин изготовленных на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора, вычисляемого по формуле: или из формулы для мультифазного коэффициента быстроходности для подобных машин: где v, g, Q, F, ΔS, d_г, k_V, n - соответственно кинематическая вязкость, ускорение свободного падения, расход газожидкостной смеси, площадь проточной части, длина участка проточной части, средний диаметр пузырьков газа, коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси, скорость вращения ротора.

В способе перекачивания в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции.

В способе перекачивания в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции, установлено устройство для изменения подачи дегазированной жидкости.

Заявленный технический результат достигается также за счет того, что в мультифазной ступени многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, между ведомым диском рабочего колеса и корпусом образован щелевой радиальный, и осевой зазор, внешний диаметр ведущего диска рабочего колеса составляет не более шестидесяти процентов от внешнего диаметра ведомого диска, величина осевого зазора между лопастями рабочего колеса и соседнего с ними диска направляющего аппарата составляет не более пятнадцати процентов от высоты лопастей на соответствующем радиусе, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора, вычисляемого по формуле: или из формулы для мультифазного коэффициента быстроходности для подобных машин: где v, g, Q, F, ΔS, d_г, k_V, n - соответственно кинематическая вязкость, ускорение свободного падения, расход газожидкостной смеси, площадь проточной части, длина участка проточной части, средний диаметр пузырьков газа, коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси, скорость вращения ротора.

В мультифазной ступени изготовлены сквозные отверстия в лопастях.

В мультифазной ступени внешний диаметр ведущего диска рабочего колеса составляет не более шестидесяти процентов от внешнего диаметра ведомого диска, величина осевого зазора между лопастями рабочего колеса и соседнего с ними диска направляющего аппарата составляет не более пятнадцати процентов от высоты лопастей на соответствующем радиусе.

В мультифазной ступени на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса изготовлены выступы и (или) впадин.

В мультифазной ступени длина лопастей не превышает тридцати процентов от расстояния между радиусами входа и выхода лопастной решетки рабочего колеса.

Заявленный технический результат объясняется следующим образом.

При разработке проточной части мультифазной ступени следует делать учет баланс между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход в сторону меньшего давления и силой трения. Сила трения увлекает пузырьки, позволяет пройти потоку ГЖС через проточную часть.

Из баланса этих сил можно вывести, критическое увеличение напора рабочего колеса на единицу длины проточной части в меридиональном направлении. При этом значении коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси не превысит заданной величины, например, 10%, при которой течение будет без образования газовых пробок и срыва подачи.

где v, g, Q, F, ΔS, d_г, k_V, n - соответственно кинематическая вязкость, ускорение свободного падения, расход газожидкостной смеси, площадь проточной части, длина участка проточной части, средний диаметр пузырьков газа, коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси, скорость вращения ротора.

Также критическое увеличение напора можно для подобных мультифазных машин вычислять из формулы для мультифазного коэффициента быстроходности

Критическое увеличение напора можно найти, определив максимальное увеличение давления на характерной длине, составляющей, например, пять процентов от длины проточной части в меридиональном направлении. Эту величину можно определить экспериментально или численными методами расчета, например, на воде без газа. Критическое увеличение напора определится по формуле.

где: ΔР_m, ρ_воды, g - увеличение давления на участке проточной части, плотность, ускорение свободного падения.

Характерный размер ΔS находится на отрезке между серединами входной и выходной кромок лопасти колеса, направляющего аппарата, или, что более правильно, на плавной линии тока между этими точками.

Для надежной работы без образования газовых пробок, без срыва подачи, с высокими энергетическими параметрами необходимо поддерживать среднее значение диаметров пузырьков газа в ГЖС на минимально возможном значении. Для этого необходимо обеспечить диспергирование потока ГЖС на всем протяжении проточной части.

Диспергирование газожидкостной смеси по всей длине проточной части осуществляется за счет малой длины лопастей, сквозных отверстий в них, выступов и (или) впадин изготовленных на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса.

Моделирование течения ГЖС численными методами показало, что длина лопастей не должна превышать тридцати процентов от расстояния между радиусами входа и выхода лопастной решетки рабочего колеса. Величина газовых каверн соизмерима с длиной лопастей, если лопасти короткие, то и каверны будут меньше.

Для лучшего диспергирования лопасти рабочего колеса и направляющего аппарата могут быть изготовлены из перфорированного листа или из проволочной сетки.

Если в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы, отводящие дегазированную жидкость из сепарационной камеры в камеру для циркуляции, в этом случае можно поддерживать содержание свободного газа на входе в ступень на допустимом уровне, даже при перекачивании через ступень свободного газа без жидкости.

Если установлено устройство для изменения подачи дегазированной жидкости, например, путем изменения площади каналов, то можно регулировать плотность перекачиваемой ГЖС и соответственно давление на выходе из ступени.

Если внешний диаметр ведущего диска рабочего колеса составляет не более шестидесяти процентов от внешнего диаметра ведомого диска, величина осевого зазора между лопастями рабочего колеса и соседнего с ними диска направляющего аппарата составляет не более пятнадцати процентов от высоты лопастей на соответствующем радиусе, то по длине осевого зазора будут осуществляться перетечки и диспергирование потока ГЖС. Оптимальные значения размеров определялись исходя из результатов численного моделирования работы ступеней на ГЖС.

Сущность группы изобретений поясняется фигурами 1-4, на которых показаны:

На фиг. 1 - общий вид сборки мультифазных ступеней в разрезе;

На фиг. 2 - общий вид рабочего колеса в разрезе;

На фиг. 3 - вид поверхности диска направляющего аппарата, на которой изготовлены выступы;

На фиг. 4 - лопастная решетка рабочего колеса.

На фиг. 1-4 позициями 1-16 обозначены:

1 - направляющий аппарат;

2 - корпус направляющего аппарата;

3 - гильза корпуса направляющего аппарата;

4 - бурт корпуса направляющего аппарата;

5 - диска направляющего аппарата;

6 - лопатки направляющего аппарата;

7 - рабочее колесо;

8 - ведущий диск рабочего колеса;

9 - ведомый диск рабочего колеса;

10 - лопасти рабочего колеса;

11 - сквозные отверстия в лопастях рабочего колеса;

12 - выступы на поверхности диска направляющего аппарата;

13 - каналы для отвода дегазированной жидкости;

14 - сепарационная камера;

15 - камера для циркуляции;

16 - устройство для изменения площади каналов.

Мультифазная ступень многоступенчатого центробежного насоса содержит направляющий аппарат 1, состоящий из корпуса 2, изготовленного в виде гильзы 3 с буртом 4, диска 5. Установленных между ними лопаток 6, рабочее колесо 7, которое содержит ведущий 8 и ведомый 9 диски с лопастями 10, выполненными в виде многорядной решетки, между ведомым диском рабочего колеса и корпусом образован щелевой радиальный, и осевой зазоры. В лопастях 10 изготовлены сквозные отверстия 11. На поверхности диска 5 направляющего аппарата 1 сопрягаемого с частично открытыми лопастями 10 со стороны ведущего диска 8 рабочего колеса 7 изготовлены выступы 12.

В корпусе 2 направляющего аппарата 1 изготовлены каналы 13 для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры 14 в камеру для циркуляции 15, установлено устройство 16 для изменения площади каналов 13.

Мультифазная ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса работает следующим образом.

Газожидкостная смесь протекает по каналам рабочего колеса 7, приводимого в движение валом насоса, в результате за счет центробежных сил и действия лопастей 10 на поток ГЖС создается напор. На выходе из рабочего колеса 7 газожидкостная смесь разделяется на жидкость и газ. Далее на вход направляющего аппарата 1 поступает основной поток жидкости с газом, а часть дегазированной жидкости через кольцевую щель между ведомым диском 9 и цилиндрической гильзой 3 обратно на вход рабочего колеса 7. В результате этого, в процессе работы на вход ступени поступает дополнительное количество жидкости, что увеличивает содержание жидкости в газожидкостной смеси, проходящей через ступень.

Наличие сквозных отверстий 11 в лопастях 10, и выступов 12 на диске 5 направляющего аппарата 1 повышает степень диспергирования проходящей через рабочее колесо газожидкостной смеси.

Тем самым обеспечивается надежность за счет стабильной работы, увеличивается напор и КПД ступени.

Группа изобретений относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано для откачки из скважин пластовой жидкости с высоким содержанием газа. Способ перекачивания газожидкостной смеси мультифазной ступенью многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции. Осуществляется диспергирование газожидкостной смеси по всей длине проточной части за счет малой длины лопастей, сквозных отверстий в них, выступов и (или) впадин изготовленных на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора. Мультифазная ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, между ведомым диском рабочего колеса и корпусом образованы щелевой радиальный и осевой зазоры. Внешний диаметр ведущего диска рабочего колеса составляет не более шестидесяти процентов от внешнего диаметра ведомого диска, величина осевого зазора между лопастями рабочего колеса и соседнего с ними диска направляющего аппарата составляет не более пятнадцати процентов от высоты лопастей на соответствующем радиусе, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора. Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности, эффективности работы мультифазных ступеней центробежного насоса. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ перекачивания газожидкостной смеси мультифазной ступенью многоступенчатого центробежного насоса, которая содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, в области между выходом из рабочего колеса и входом в последующий направляющий аппарат образована сепарационная камера, между выходом из рабочего колеса и входом в это же колесо образована камера для циркуляции, отличающийся тем, что осуществляется диспергирование газожидкостной смеси по всей длине проточной части за счет малой длины лопастей, сквозных отверстий в них, выступов и (или) впадин изготовленных на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора, вычисляемого по формуле или из формулы для мультифазного коэффициента быстроходности для подобных машин: где v, g, Q, F, ΔS, d_г, k_V, n - соответственно кинематическая вязкость, ускорение свободного падения, расход газожидкостной смеси, площадь проточной части, длина участка проточной части, средний диаметр пузырьков газа, коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси, скорость вращения ротора.

2. Способ перекачивания газожидкостной смеси по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции.

3. Способ перекачивания газожидкостной смеси по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции, установлено устройство для изменения подачи дегазированной жидкости.

4. Мультифазная ступень многоступенчатого центробежного насоса, содержащая направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы с буртом, диска, установленных между ними лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с лопастями, выполненными в виде многорядной решетки, между ведомым диском рабочего колеса и корпусом образованы щелевой радиальный и осевой зазоры, отличающаяся тем, что внешний диаметр ведущего диска рабочего колеса составляет не более шестидесяти процентов от внешнего диаметра ведомого диска, величина осевого зазора между лопастями рабочего колеса и соседнего с ними диска направляющего аппарата составляет не более пятнадцати процентов от высоты лопастей на соответствующем радиусе, максимальное увеличение напора рабочего колеса на участке проточной части в меридиональном направлении не превышает значение критического увеличения напора, вычисляемого по формуле или из формулы для мультифазного коэффициента быстроходности для подобных машин: где v, g, Q, F, ΔS, d_г, k_V, n - соответственно кинематическая вязкость, ускорение свободного падения, расход газожидкостной смеси, площадь проточной части, длина участка проточной части, средний диаметр пузырьков газа, коэффициент скорости, равный отношению разницы скоростей движения жидкости и газа на скорость смеси, скорость вращения ротора.

5. Мультифазная ступень по п. 4, отличающаяся тем, что изготовлены сквозные отверстия в лопастях.

6. Мультифазная ступень по п. 4, отличающаяся тем, что на поверхности диска направляющего аппарата сопрягаемого с частично открытыми лопастями со стороны ведущего диска рабочего колеса изготовлены выступы и (или) впадины.

7. Мультифазная ступень по п. 4, отличающаяся тем, что длина лопастей не превышает тридцати процентов от расстояния между радиусами входа и выхода лопастной решетки рабочего колеса.

8. Мультифазная ступень по п. 4, отличающаяся тем, что в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции.

9. Мультифазная ступень по п. 4, отличающаяся тем, что в корпусе направляющего аппарата изготовлены каналы для отвода дегазированной жидкости из сепарационной камеры в камеру для циркуляции, установлено устройство для изменения площади каналов.