Устройство для перекачивания газожидкостных смесей при технологических операциях в скважинах
Устройство для перекачивания смесей относится к техническим средствам бурения нефтяных и газовых скважин, предназначенных для промывки скважин. Устройство выполнено в виде одновинтового насоса с цилиндрическими рабочими органами, включающего винтовой статор и расположенный внутри него ротор с числом зубьев на единицу меньше числа зубьев статора. Особенностью насоса, выполняющего функции компрессора, является уменьшение рабочего объема камер от всасывания к нагнетанию. Изменение рабочего объема, приводящее к постепенному сжатию смеси, решается несколькими альтернативными приемами изменением геометрических параметров рабочих органов.
Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно, к техническим средствам, предназначенных для промывки скважин в процессе бурения.
Известны устройства - бустерные насосы, позволяющие перекачивать газожидкостные смеси при технологических операциях в скважинах, в частности для обеспечения технологии бурения на депрессии [1]. Эти устройства представляют собой весьма громоздкий агрегат - многоцилиндровый поршневой насос с кривошипно-ползунным механизмом и бустерной приставкой.
В нефтяной промышленности, как и в других отраслях, применяются одновинтовые насосы. Рабочие органы этих насосов состоят из двух деталей: винтового обрезиненного статора и расположенного внутри него металлического винтового ротора [2].
Между этими деталями образуются винтообразные камеры (шлюзы), заполненные жидкостью. В процессе работы эти камеры перемещаются от области всасывания в область нагнетания. По сравнению с другими типами объемных насосов одновинтовые насосы отличаются простотой конструкции, отсутствием распределительных устройств (клапанов, золотников), равномерностью подачи, а также малой удельной металлоемкостью.
Для использования одновинтовых насосов в газожидкостных технологиях в качестве насоса-компрессора необходимо обеспечить уменьшение объема камер рабочих органов от всасывания к нагнетанию.
Применение одновинтового насоса обычного исполнения для перекачивания газожидкостной смеси, как показывают экспериментальные исследования, сопровождается снижением объемного к.п.д. насоса и как следствие эффективности его использования.
Ближайшим техническим решением, выбранным за прототип, является одновинтовой насос по а.с. №304353. Этот насос характеризуется конической формой рабочих органов и, как следствие, объем камер уменьшается от всасывания к нагнетанию. Недостатком данного технического решения является сложность изготовления и контроля винтовых поверхностей рабочих органов. Кроме того, конические рабочие органы предопределяют дополнительную нагрузку на статор, обусловленную частичной передачей на эту деталь осевой гидравлической силы.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для перекачивания газожидкостных смесей на базе одновинтового насоса и существующей технологии изготовления его рабочих органов.
Устройство представляет собой секционный одновинтовой насос с цилиндрическими многошаговыми рабочими органами.
Особенность устройства и принцип действия приведены на фиг.1-3, и теоретических выкладках.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, на фиг.2 продольный, а на фиг.3 поперечный разрезы рабочих органов устройства. На фиг.4 изображена развертка рабочих органов с контактными линиями.
Как видно из схемы (фиг.1) устройство состоит из корпуса 1 с всасывающим 2 и нагнетательным 3 патрубками, приводного вала 4, подшипникового узла 5 и соединительных элементов (гибких валов или карданов) 6.
Рабочие органы состоят из последовательно расположенных секций. Количество секций должно быть не менее 2. Каждая секция состоит из статора 7 с внутренней цилиндрической винтовой поверхностью и расположенного внутри него цилиндрического винтового ротора 8.
Соединение роторов между собой и с приводным валом производится с помощью гибких валов 6, позволяющих передавать крутящий
момент и осевую гидравлическую силу с вращающихся роторов на подшипниковый узел.
Рабочие органы могут также выполнять не секционными, а в виде монолитных роторов и статоров с изменяющейся геометрией.
На фиг.2 и 3 обозначены геометрические параметры рабочих органов:
Z 1 - заходность (число зубьев) статора;
С - эксцентриситет (расстояние между осями ротора и статора);
Т - шаг винтовой поверхности статора;
D - диаметр впадин винтовой поверхности статора. Согласно теории винтовых героторных гидромашин рабочий объем насоса является функцией следующих параметров
и выражается в виде
где S - площадь живого сечения,
Нагрузочная способность насоса-компрессора лимитируется количеством контактных (уплотняющих) линий, отделяющих области высокого и низкого давления, которые показаны на фиг.4.
На примере насоса с числом зубьев статора Z1 =4 показана развертка этих линий в паре «ротор-статор», имеющей длину в два шага статора.
Для многошагового рабочего органа количество контактных линий определяется по формуле
где L - длина рабочих органов каждой секции.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Привод устройства (на схеме не показан) может быть электрическим или другого типа. Крутящий момент от него посредством приводного вала 4 и гибких валов 6 передается на роторную группу 8.
При вращении ротора 8 камеры между ротором и статором 7 поступательно перемещаются от входа к выходу. При этом газожидкостная смесь с определенным объемным газосодержанием через всасывающий патрубок 2 засасывается в камеры первой секции и далее нагнетается во вторую секцию.
Для сжатия смеси каждая последующая секция имеет меньший рабочий объем, чем предыдущая. После прохождения всех секций сжатая смесь через нагнетательный патрубок 3 поступает потребителю.
Поставленная задача изменения рабочего объема секций, приводящая к постепенному сжатию смеси (с увеличением ее плотности), решается несколькими альтернативными конструктивными приемами:
1. Изменением шага винтовых поверхностей рабочих органов секций при постоянном числе зубьев Z1 и эксцентриситете e:
T1<T 2; Т2<Т3 ...
2. Изменением числа зубьев Z1 при постоянстве шагов Т и эксцентриситета e:
Z 1<Z2; Z2 <Z3...
3. Изменением эксцентриситета при постоянном числе зубьев и шаге винтовых поверхностей
e2<e1; е 3<е2...
4. Комбинацией изменения трех параметров:
Т, Z1 и е
Для достижения равномерного нарастания давления смеси в каждой секции устройства длина рабочего органа каждой секции устанавливается из условия обеспечения равенства числа контактных линий 
, которые определяются из приведенной выше формулы (4)
Источники информации
1. Проворотов B.C. Одновинтовой компрессор. А.с. №304353, 1976.
2. Балденко Д.Ф., Бидман М.Г. и др. Винтовые насосы. М. Машиностроение, 1982.
3. Белей И.В., Лопатин Ю.С. и др. Способ нагнетания газожидкостной смеси промывки насоса и устройство для нагнетания. Патент РФ №714044, 1977.
4. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. М. Недра, 1999.
1. Устройство для перекачивания газожидкостных смесей при технологических операциях в скважинах на базе одновинтового насоса, состоящее из всасывающего и нагнетательного патрубков, приводного вала и последовательно расположенных секций - цилиндрических рабочих органов, каждый из которых включает винтовой статор и расположенный внутри него винтовой ротор с числом зубьев на единицу меньше числа зубьев статора, причем рабочий объем секций уменьшается от всасывания к нагнетанию, отличающееся тем, что изменение рабочего объема секций достигается изменением шагов винтовых поверхностей статора и ротора при сохранении эксцентриситета и числа зубьев рабочих органов, или изменением числа зубьев статора и ротора при сохранении эксцентриситета и шагов винтовых поверхностей, или изменением эксцентриситета рабочих органов при сохранении числа зубьев и шагов винтовых поверхностей статора и ротора, или изменением комбинации трех параметров: чисел зубьев, эксцентриситета и шагов винтовых поверхностей статора и ротора.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина каждой секции рабочих органов устанавливается из условия обеспечения равенства количества контактных линий статора и ротора.
