Пузырьковый сепаратор
«Пузырьковый сепаратор» - ПСГ для сепарации свободного газа на приеме глубинного насоса для добычи нефти (установки электроцентробежного насоса - УЭЦН), которое действует на основании создания на поверхности сепарации с вертикальными щелями, шириной меньше диаметров газовых пузырей в газожидкостной смесей и поэтому непреодолимыми для пузырей, равных градиентов давления с помощью калиброванных отверстии на патрубке заглушенного снизу, находящегося за поверхностью сепарации и сообщающегося с приемом глубинного насоса. Поверхность сепарации представляет собой поверхность равных и малых скоростей движения газожидкостной смеси и непреодолимой из-за размеров для пузырьков свободного газа. Из-за свойственных размеров пузырьков и ширины щелей на поверхности сепарации все пузырьки диаметром более чем ширина щели остаются за пределами поверхности сепарации и поэтому по патрубку, соединенному с приемом насоса поступает во внутрь насоса однородная смесь.
Полезная модель относится к области горной промышленности - а именно, к области добычи нефти из нефтяных скважин механизированным способом (добыча нефти электроцентробежным насосом).
Главным осложняющим фактором добычи нефти, различными глубинными насосами, является наличие в ней растворенного газа (величина объема растворенного газа в единице объема нефти называется газовым фактором или газонасыщенностью, и зависит от месторождения, продуктивного пласта - обозначим через Г, м3/м3), который при давлениях ниже давления насыщения выделяется (значение которого зависит от месторождения, продуктивного пласта, обозначим через Рн), в виде свободного попутного газа (Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. Москва, 2003, c.424, 474). Объемная доля свободного газа в газожидкостной смеси называется газосодержанием. Наличие свободного газа на уровне приемных отверстии глубинного насоса осложняет добычу нефти, приводя к дестабилизации режимов эксплуатации насоса и, в конечном счете, к выходу из строя всей насосной установки, снижая экономическую эффективность способа эксплуатации нефтяной скважины.
Для борьбы с вредным влиянием свободного газа на глубинный насос созданы различного рода сепараторы (газосепараторы) к установкам электроцентробежных насосов (УЭЦН), которые, пропуская через себя газожидкостную смесь должны отвести от приемных отверстии насосной установки свободный газ в затрубное пространство нефтяной скважины и помочь стабилизации режима эксплуатации глубинного насоса. Сепараторы характеризуются так называемым коэффициентом сепарации - отношением объема отведенного от приема насоса свободного газа ко всему объему свободного газа в газожидкостной смеси на приеме насоса и обозначается буквой 
(Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. Москва, 2003, c.424, 474).
где Vc - объем свободного газа, отводимого сепаратором за пределы приемных отверстии насоса, V0 - общий объем свободного газа на уровне приемных отверстии насоса.
Все эти сепараторы центробежного принципа действия (сепараторы типа МГН-5Л - российского производства - автор Ляпкова П.Д., «RGV», «KGV» фирмы «ODI» - Сургутнефтегаз. Семинар по технологии ПНС. Талса. Оклахома, 15.Х.1995). Из-за большой разницы в лабораторных условиях плотности газа (1 кг/м3) от плотности масло (700-800 кг/м3) все эти сепараторы позволяют получить коэффициент сепарации не менее 0,5 (50%).
Однако, в условиях нефтяного месторождения, на больших глубинах и под давлением 30-60 атм. разница в плотностях газа (около 150 кг/м 3) и жидкости (около 750 кг/м3) коэффициент сепарации этих сепараторов не более 0,18 (18%) (Гареев А.А. К вопросу сепарации газа на приеме глубинного насоса. Нефтяное хозяйство, 
6, 2010, с.90-93).
Также известны гравитационные сепараторы к электроцентробежным насосам (ЭЦН), В гравитационном сепараторе приемные отверстия насоса накрываются металлической пластинкой с щелями на ее поверхности. Отделение свободного газа должно произойти при движении газожидкостной смеси через эти отверстия в сторону приемных отверстии насоса (например, в модуле погружного центробежного насоса по патенту RU 2215907 уменьшение содержания свободного газа выполняют пропусканием газожидкостной смеси через отверстия сетки). Однако неравномерность скорости движения газожидкостной смеси (наибольшая скорость в щелях, близких к приемному отверстию насоса) через щели снижает эффективность сепаратора и при этом коэффициент сепарации не более 10%.
Наиболее близким к полезной модели является пузырьковый сепаратор для сепарации свободного газа на приеме глубинного насоса для добычи нефти ((RU 98471 U1, 20.10.2010, Гареев А.А.).
Предлагаемый пузырьковый сепаратор предназначен для устранения выше приведенных недостатков всех типов сепараторов и получения 100% коэффициента сепарации.
Указанный технический результат достигается тем, что в пузырьковом сепараторе для сепарации свободного газа на приеме глубинного насоса для добычи нефти согласно полезной модели на внутреннем патрубке сепаратора, соединенным верхним концом с приемным отверстием насоса и заглушенным снизу, с помощью калиброванных отверстии на его боковой поверхности создаются равные градиенты давления в сторону, перпендикулярно к боковой поверхности сепаратора с поверхностью сепарации, состоящей из вертикально расположенных щелей, шириной меньше диаметров свободных газовых пузырей в газожидкостной смеси, на которой под действием градиента давления, создаваемого внутренним патрубком, происходит отставание свободных пузырей газа и проникновение во внутренний патрубок однородной жидкости.
Принцип действия пузырькового сепаратора основан на использовании свойств газожидкостных смесей на уровне приемных отверстии насоса при эксплуатации нефтяной скважины, который заключается в повороте восходящего потока газожидкостной смеси на некоторый острый угол и пропускании смеси через полупрозрачную решетку со щелями, ширина которых меньше диаметра газовых пузырьков.
На чертеже изображен продольный разрез пузырькового сепаратора.
Описание обозначений:
1 - корпус сепаратора;
2 - вал передачи вращения от двигателя к центробежному насосу;
3 - патрубки, заглушенные снизу;
4 - калиброванные отверстия на патрубках 3;
5 - калиброванные щели на поверхности сепарации;
6 - патрубок изолирования вала 2.
7 - верхние отверстия патрубка 3, сообщающиеся с приемными отверстиями электроцентробежного насоса.
Пузырьковый сепаратор действует следующим образом: к приемным отверстиям насоса присоединяют (соосно, между гидрозащитой и насосом) сепаратор, состоящий из цилиндрического корпуса 1, в котором содержатся заглушенные снизу и с калиброванными отверстиями 4 (равных перепадов давления) на боковой поверхности патрубки 3, которые верхним концом 7 сообщаются с приемными отверстиями насоса. Через корпус 1 сепаратора проходит шлицевой вал 2, передающий вращение от электродвигателя к насосу. Вал 2 находится в изоляции при помощи патрубка 6.
При эксплуатации насоса в верхних отверстиях 7 патрубков 3 создается перепад давления, который через калиброванные отверстия 4 (отверстия с равным перепадом давления) создает векторы равных скоростей движения газированной жидкости на поверхности сепарации. Поверхность сепарации выполнена из нержавеющей стали со щелями 5, расположенными под углом к вертикали. Ширина щели 5 меньше диаметра газового пузыря, в результате чего на внешней поверхности сепарации со щелями 5, благодаря действию сил поверхностного натяжения на границе «газ - жидкость», «газ - металл» и «металл - жидкость», пузырьки свободного газа не могут проникнуть внутрь сепаратора, в направлении калиброванных отверстии 4.
Если обозначить через S площадь поверхности сепарации, то скорость движения газированной смеси на поверхности сепарации равна:
где W0 - скорость восходящего потока жидкости возле насоса, We - скорость движения газожидкостной смеси на поверхности сепарации.
Вектор скорости Wc будет одинаково направлен с вектором градиента давления, т.е. направление вектора скорости Wc будет перпендикулярен к площади поверхности сепарации.
Можно подобрать площадь S так, чтобы скорость Wc стала намного меньше линейной скорости W0 в восходящем потоке газожидкостной смеси.
и так, чтобы скорость горизонтального движения газожидкостной смеси (как и газовых пузырей) стала меньше скорости всплытия газовых пузырей.
С другой стороны, пузырьки газа с диаметром dп, двигаясь в горизонтальной плоскости к направлению щели 5, из-за своих диаметров и ширины dш щели 5, не могут проходить через щель 5, и будут вытеснены в пространство перед цилиндрической поверхности сепарации другими пузырьками, приближающимися к щели 5.
Таким образом, поверхность сепарации пропустит через щели 5 на ее поверхности однородную жидкость (нефть+вода попутная) и в отверстия 4 будет попадать однородная водонефтяная смесь без свободных газовых пузырей. Отсутствие в смеси газовых пузырей стабилизирует подачи УЭЦН. Коэффициент сепарации пузырькового сепаратора будет ближе к 100%.
При повороте газожидкостной смеси, из-за малости скорости «дрейфа» пузырьков в сторону поверхности сепарации, Архимедова сила приведет пузырьки в движение в восходящем направлении. Торможение пузырьков газа и подход к поверхности сепарации других пузырьков согласно законам механики движения газожидкостных смесей приведет к коагуляции - слипанию и укрупнению пузырьков газа, что даст увеличить величину действующей Архимедовой силы, следовательно, и величину скорости восходящего движения газовых пузырьков.
Пузырьковый сепаратор для сепарации свободного газа на приеме глубинного насоса для добычи нефти, отличающийся тем, что на внутреннем патрубке сепаратора, соединенном верхним концом с приемным отверстием насоса и заглушенным снизу, с помощью калиброванных отверстии на его боковой поверхности создаются равные градиенты давления в сторону, перпендикулярную боковой поверхности сепаратора с поверхностью сепарации, состоящей из вертикально расположенных щелей шириной меньше диаметров свободных газовых пузырей в газожидкостной смеси, на которой под действием градиента давления, создаваемого внутренним патрубком, происходит отставание свободных пузырей газа и проникновение во внутренний патрубок однородной жидкости.
