МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ МУЛЬТИФАЗНЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ С ЕГО ПОМОЩЬЮ Российский патент 2024 года по МПК F04D13/10 F04D3/02 F04D31/00 

Группа изобретений относится к нефтяному машиностроению, а именно к насосостроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам, и может быть использована для откачки из скважин пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа.

Известен из патента RU 2622578 способ перекачивания газожидкостной смеси мультифазным лопастным насосом, ступень которого 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.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является техническое решение, известное из патента RU 2368812, в котором раскрыт погружной мультифазный насос, содержащий последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса в виде втулки с винтообразной лопастью переменного хода и направляющего аппарата.

Недостатком данной конструкции является низкий КПД и напор при работе на жидкости без газа и на газожидкостной смеси, так как имеют место области с обратными течениями, вихревыми зонами, которые формируют проточную часть.

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.

Известен из патента RU 2244164 погружной мультифазный насос, содержащий последовательно расположенные на валу внутри корпуса осевые ступени, каждая из которых имеет рабочее колесо с лопастями постоянного шага, размещенными по винтовой линии, и направляющий аппарат с плоскими радиальными лопастями, ориентированными в направлении оси вращения насоса.

Недостатком данной конструкции является низкая надежность при перекачивании газожидкостных смесей, так как вихревой характер её течения в проточных каналах приводит к закупориванию последних газовой пробкой. Возникновение вихревого течения объясняется упрощенной геометрией проточных каналов, обусловленной стремлением снизить трудоемкость изготовления ступеней. 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.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является техническое решение, известное из патента RU 2368812, в котором раскрыт погружной мультифазный насос, содержащий последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса в виде втулки с винтообразной лопастью переменного хода и направляющего аппарата.

Недостатком данной конструкции является низкий КПД и напор при работе на жидкости без газа и на газожидкостной смеси. Так как имеют место области с обратными течениями, вихревыми зонами, которые формируют проточную часть. 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 проблемой группы заявляемых изобретений является создание технического решения, при котором в процессе работы мультифазной ступени внутри нее 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 газожидкостной смеси (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 лопастного насоса.

Заявленный технический результат достигается за счёт того, что в многоступенчатом мультифазном насосе, содержащем головку, основание, корпус, вал, промежуточные подшипники, по крайней мере, две ступени, ступень содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы, лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, ступень является диагональной, средний и наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, средний и наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе (ΔR) от изменения положения этого радиуса на оси (ΔL) выражается формулой:

,

где - коэффициент,

при этом .

Также заявленный технический результат достигается за счёт того, что в многоступенчатом мультифазном насосе, содержащий головку, основание, корпус, вал, промежуточные подшипники, по крайней мере, две ступени, ступень содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы, лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, отличающийся тем, что ступень является диагональной, средний и наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, средний и наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе, при этом рабочим колесом является шнек с ведущим диском переменного радиуса, лопастями винтообразной формы, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе (ΔR) от изменения положения этого радиуса на оси (ΔL) выражается формулой:

,

где - коэффициент,

при этом .

Заявленный технический результат достигается также за счёт того, что в способе перекачивания газожидкостной смеси с помощью насоса средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки коэффициент , где

d_d - диаметр пузырька газа,

- угловая скорость вращения ротора,

- кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа,

v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части,

- коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

Ступень является диагональной, наружный диаметр лопастей на входе в колесо меньше, чем на выходе, наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе, средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой: , коэффициент , где - диаметр пузырька газа, угловая скорость вращения ротора, кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа, меридиональная скорость в данном сечении проточной части, коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства. При выполнении этих закономерностей изменение средней линии проточной части происходит по параболе, и выполняется оптимальное соотношение между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход рабочего колеса и силой трения, пропорциональной скорости потока, пузырьки газа проходят через проточную часть без образования газовых пробок и срыва подачи, ступень имеет высокий напор. Вышеуказанная формула, после учета свойств пластовой жидкости, может быть записана в виде: , где - коэффициент, .

Если проточная часть рабочего колеса разработана таким образом, то в потоке 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. За счет этого газовые пузырьки проходят через проточную часть без образования крупных газовых каверн, пробок и срыва подачи. Проточную часть в рабочем колесе и направляющем аппарате формируют не области с обратными течениями, вихревыми зонами, а стенки из твердого материала.

Соответственно высокий напор и КПД будет и при работе на жидкости без газа и на газожидкостной смеси.

Высокий КПД при работе на жидкости без газа можно объяснить плавным течением потока, отсутствием обратных токов и вихрей.

Чем меньше величина коэффициента , и (или) n, тем больше длина проточной части, меньше напорность, увеличение давления на единицу длины, и, соответственно, при той же величине меридиональной скорости потока выше допустимое содержание свободного газа. Однако, при этом больше монтажная длина и стоимость насоса. При больших значениях , и (или) n ступень хуже работает на ГЖС, но при этом ниже монтажная длина и стоимость.

Значение параметра вычисляются при заданном коэффициенте и физико-химических свойствах рабочей жидкости. Обычно находится в пределах: .

Для рабочих колес с наклонно-цилиндрическими и винтообразными лопастями, если осуществляется отвод части дегазированной жидкости из области между рабочим колесом и последующим направляющим аппаратом и подвод на вход рабочего колеса. Конструктивно это может быть выполнено за счет того, что рабочее колесо выполнено закрытым, имеет ведомый диск, при этом установлено с осевым зазором по отношению к впереди стоящему направляющему аппарату, без торцевых уплотнений. Зазор может быть обеспечен за счет того, что ротор насоса из рабочих колес собран либо по пакетной схеме, либо по компрессионной схеме, ступицы рабочих колес опираются друг на друга и на осевую опору в секции, либо в гидрозащите двигателя. В этом случае, за счет циркуляции части дегазированной жидкости в рабочем колесе снижается содержание в проточной части колеса свободного газа и соответственно повышается допустимое содержание свободного газа на входе в насос.

Если осуществляется диспергирование газожидкостной смеси по длине проточной части. Конструктивно это может быть выполнено за счет того, что рабочее колесо и направляющий аппарат имеют диспергирующие элементы в виде отверстий и вырезов, изготовленных в проточной части, например, в лопастях и лопатках. То это позволяет поддерживать малое значение среднего диаметра пузырьков свободного газа и соответственно более высокий напор при работе на ГЖС.

Лопасти в рабочем колесе и направляющем аппарате могут быть наклонно-цилиндрическими и (или) иметь винтообразную форму, в качестве колеса может использоваться шнек со ступицей переменного радиуса.

Если лопасти наклонно-цилиндрические, то снизится стоимость изготовления, если - винтообразной формы, стоимость изготовления увеличится, но при этом будут более высокими энергетические характеристики: КПД и напор при работе на жидкости без газа и на газожидкостной смеси. Это показывают результаты численных и физических экспериментов, винтообразная лопастная решетка более предпочтительна, так как рабочая жидкость имеет осевое направление движения между выходом из направляющего аппарата и входом в рабочее колесо и между выходом из рабочего колеса и входом в направляющий аппарат. Лопастная решетка в рабочем колесе и направляющим аппарате винтообразной формы, в виде шнека переменного хода, обеспечивает на этих участках осевое движение, плавный вход и выход потока рабочей жидкости. Соответственно наименьшие гидравлические потери и наиболее высокий гидравлический КПД.

Как показывают результаты численных и физических экспериментов на стенде, оптимальное количество лопастей в рабочем колесе с наклонно цилиндрическими и винтообразными лопастями составляет от 3 до 9. При меньшем числе лопастей снижается густота лопастной решетки, напор, увеличится допустимое содержание свободного газа, при этом увеличится длина и себестоимость ступени. При большем числе лопастей повышается напор, снижается длина, при этом также уменьшается допустимое содержание свободного газа.

Если рабочее колесо закрытого типа, рабочее колесо имеет ведомый диск, установленный на лопастях, то устраняются перетечки, соответственно выше КПД и напор при работе на жидкости без газа.

Для рабочих колес с наклонно-цилиндрическими и винтообразными лопастями, рабочее колесо может быть полуоткрытого типа, без ведомого диска на лопастях. При этом оно установлено с радиальным и осевым зазором между лопастями и корпусом направляющего аппарата. В этом случае увеличиваются перетечки, соответственно ниже КПД и напор при работе на жидкости без газа, но за счет более высоких диспергирующих свойств, повышается напор при работе на ГЖС. Это показывают результаты численных и физических экспериментов

Установки с такими насосами могут применяться в скважинах с повышенным содержанием свободного газа, в качестве предвключенных модулей.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-4, на которых показаны:

фиг. 1 - мультифазный насос в разрезе с рабочими колесами закрытого типа.

фиг. 2 - мультифазный насос в разрезе с рабочими колесами закрытого типа, установленными с осевым зазором по отношению к впереди стоящим направляющим аппаратам.

фиг. 3 - мультифазный насос в разрезе с рабочими колесами открытого типа.

фиг. 4 - мультифазное рабочее колесо открытого типа в аксонометрии.

На фиг. 1-4 позициями 1-15 обозначены:

1. головка насоса;

2. основание;

3. корпус;

7. вал;

5. промежуточные подшипники;

6. направляющий аппарат;

7. корпус направляющего аппарата;

8. нижний диск со ступицей;

9. лопатки направляющего аппарата;

10. рабочее колесо;

11. ведущий диск рабочего колеса;

12. лопасти;

13. ведомый диск;

14. осевой зазор между рабочим колесом и направляющим аппаратом, установленным перед ним;

15. диспергирующие элементы в виде отверстий и вырезов.

Многоступенчатый мультифазный насос содержит в своем составе головку 1, основание 2, корпус 3, вал 4, промежуточные подшипники 5 и ступени.

Каждая ступень содержит направляющий аппарат 6, состоящий из корпуса 7, изготовленного в виде гильзы с буртом, нижнего диска со ступицей 8, установленных между ними лопаток 9, рабочее колесо 10, содержит ведущий диск 11 с лопастями 12, в варианте конструктивного исполнения может содержать ведомый диск 13.

В втором варианте конструктивного исполнения насоса рабочим колесом 10 является шнек с ведущим диском 11 переменного радиуса, лопасти 12 рабочего колеса 10 имеют винтообразную форму.

В варианте конструктивного исполнения рабочее колесо 10 имеет ведомый диск 13, при этом установлено с осевым зазором 14 по отношению к впереди стоящему направляющему аппарату 6.

В варианте конструктивного исполнения рабочее колесо 10 имеет диспергирующие элементы в виде отверстий и вырезов 15.

Ступень выполнена диагональной. Наружный диаметр лопастей 12 на входе в рабочее колесо 10 меньше, чем на выходе. Наружный диаметр лопастей 12 на входе в направляющий аппарат 6 больше, чем на выходе.

Средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса 10 отличается не более чем на 30%.

Для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой: ,

коэффициент , где

d_d - диаметр пузырька газа,

- угловая скорость вращения ротора,

- кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа,

v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части,

- коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

При выполнении этих закономерностей изменение средней линии проточной части происходит по параболе, и выполняется оптимальное соотношение между силой от градиента давления, которая выталкивает пузырьки газа на вход рабочего колеса, и силой трения, пропорциональной скорости потока. Пузырьки газа проходят через проточную часть без образования газовых пробок и срыва подачи, ступень имеет высокий напор при работе на ГЖС.

Мультифазный насос работает следующим образом.

Газожидкостная смесь входит в насос через основание 2, протекает по каналам рабочего колеса 10, приводимого в движение валом 4 насоса, установленного в промежуточных подшипниках 5. В результате за счет центробежных сил и действия лопастей 12 на поток ГЖС создается напор. Направляющий аппарат 6 преобразует скорость на выходе из рабочего колеса в статический напор, давление. Пройдя через все ступени, поток ГЖС выходит через головку 1.

В варианте конструктивного исполнения на выходе из рабочего колеса 10 газожидкостная смесь разделяется на дегазированную жидкость и жидкость с пузырьками газа. Далее на вход направляющего аппарата 6, установленного за рабочим колесом 10, поступает основной поток жидкости с газом, а часть дегазированной жидкости через кольцевой зазор между ведомым диском 13 и цилиндрической гильзой 7 обратно на вход рабочего колеса 10. В результате этого, в процессе работы на вход ступени поступает дополнительное количество жидкости, что увеличивает содержание жидкости в газожидкостной смеси, проходящей через ступень. И соответственно напор при работе на ГЖС и допустимое количество свободного газа на входе в насос.

Наличие сквозных отверстий 15 в лопастях 12 и в лопатках 9 направляющего аппарата 6 повышает степень диспергирования проходящей через ступень газожидкостной смеси.

Осуществляется диспергирование газожидкостной смеси по длине проточной части.

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

Группа изобретений относится к нефтяному машиностроению, а именно к насосостроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам, и может быть использована для откачки из скважин пластовой жидкости с высоким содержанием свободного газа. Многоступенчатый мультифазный насос содержит головку, основание, корпус, вал, промежуточные подшипники, по крайней мере, две ступени. Ступень содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы, лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, согласно первому варианту, рабочее колесо, которое является шнеком с ведущим диском переменного радиуса, лопастями винтообразной формы, согласно второму варианту. Ступень является диагональной. Средний и наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе. Средний и наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе. Для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе (ΔR) от изменения положения этого радиуса на оси (ΔL) выражается формулой: , где - коэффициент, при этом средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки коэффициент , где d_d - диаметр пузырька газа, - угловая скорость вращения ротора, - кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа, v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части, - коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства. Также описан способ перекачивания газожидкостной смеси с помощью насоса многоступенчатого мультифазного насоса. Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности, эффективности работы мультифазных ступеней лопастного насоса. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоступенчатый мультифазный насос, содержащий головку, основание, корпус, вал, промежуточные подшипники, по крайней мере, две ступени, ступень содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы, лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, отличающийся тем, что ступень является диагональной, средний и наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, средний и наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой:

,

где - коэффициент,

при этом ,

средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки коэффициент , где

d_d - диаметр пузырька газа,

- угловая скорость вращения ротора,

- кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа,

v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части,

- коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

2. Многоступенчатый мультифазный насос, содержащий головку, основание, корпус, вал, промежуточные подшипники, по крайней мере, две ступени, ступень содержит направляющий аппарат, состоящий из корпуса, изготовленного в виде гильзы, лопаток, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопастями, отличающийся тем, что ступень является диагональной, средний и наружный диаметр лопастей на входе в рабочее колесо меньше, чем на выходе, средний и наружный диаметр лопастей на входе в направляющий аппарат больше, чем на выходе, при этом рабочим колесом является шнек с ведущим диском переменного радиуса, лопастями винтообразной формы, для большей части области лопастной решетки зависимость изменения радиуса точки на средней линии проточной части в рабочем колесе от изменения положения этого радиуса на оси выражается формулой:

,

где - коэффициент,

при этом , средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки коэффициент , где

d_d - диаметр пузырька газа,

- угловая скорость вращения ротора,

- кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа,

v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части,

- коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.

3. Многоступенчатый мультифазный насос по п. 1, отличающийся тем, что количество лопастей в рабочем колесе составляет от 3 до 9.

4. Многоступенчатый мультифазный насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочее колесо имеет ведомый диск, установленный на лопастях.

5. Многоступенчатый мультифазный насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочее колесо имеет ведомый диск, при этом установлено с осевым зазором по отношению к впереди стоящему направляющему аппарату.

6. Многоступенчатый мультифазный насос, по п. 1, отличающийся тем, что рабочее колесо имеет диспергирующие элементы в виде отверстий и вырезов.

7. Многоступенчатый мультифазный насос, по п. 1, отличающийся тем, что рабочее колесо установлено с радиальным и осевым зазором между лопастями и корпусом направляющего аппарата.

8. Многоступенчатый мультифазный насос, по п. 1, отличающийся тем, что лопатки направляющего аппарата имеют винтообразную форму.

9. Способ перекачивания газожидкостной смеси с помощью насоса по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют отвод части дегазированной жидкости из области между рабочим колесом и последующим направляющим аппаратом и подвод на вход рабочего колеса, средняя меридиональная скорость потока в каждом сечении проточной части рабочего колеса отличается не более чем на 30%, для большей части области лопастной решетки коэффициент , где

d_d - диаметр пузырька газа,

- угловая скорость вращения ротора,

- кинематический коэффициент вязкости, плотности жидкой фазы, перекачиваемой мультифазной смеси, газа,

v_m - меридиональная скорость в данном сечении проточной части,

- коэффициент, учитывающий особенности геометрии и диспергирующие свойства.