Многоступенчатый погружной насос

Полезная модель относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым осевым насосам, и может быть использовано для подъема из нефтяных скважин смесей с высоким содержанием нерастворенного газа. Многоступенчатый погружной насос содержит последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса в виде втулки со спиральной лопастью и направляющего аппарата. Спиральная лопасть выполнена с увеличивающимся углом закрутки в направлении движения потока. Длина внешней кромки лопасти как минимум соответствует диаметру втулки, а размер лопаток в радиальном направлении равен 0,05-0,75 диаметра втулки. В рабочем колесе угол между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, на выходе превышает угол на входе в 1,2-4,0 раза. Полезная модель обеспечивает устойчивую работу погружной установки на любых подачах, в том числе меньших номинальной, при высоком содержании нерастворенного газа и абразивных частиц. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к насосостроению, в частности к многоступенчатым осевым насосам, и может быть использовано для подъема из нефтяных скважин смесей с высоким содержанием нерастворенного газа.

Известны конструкции многоступенчатых погружных центробежных насосов для добычи нефти, содержащие цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом ступеней, каждая из которых состоит из центробежного рабочего колеса и осерадиального направляющего аппарата [1].

Однако эти конструкции не достаточно хорошо работают при добыче жидкостей, содержащих большое количество нерастворенного газа. Для центробежных насосов характерно существенное снижение напора при увеличении концентрации свободного газа и срыв работы в номинальном режиме при объемной концентрации свободного газа свыше 20-25%. На подачах, меньших номинальной, срыв наступает при значительно меньших концентрациях газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является многоступенчатый погружной 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 [2].

Недостатком данной конструкции является низкая надежность при перекачивании газожидкостных смесей, так как вихревой характер ее течения в проточных каналах приводит к закупориванию последних газовой пробкой.

Возникновение вихревого течения объясняется упрощенной геометрией проточных каналов, обусловленной стремлением снизить трудоемкость изготовления ступеней [2].

Задачей предлагаемой полезной модели является создание многоступенчатого погружного насоса, который бы перекачивал газожидкостную смесь не только на номинальной подаче, но и на подачах, меньших номинальной, где центробежные насосы, применяемые в настоящее время, работать не могут.

Предлагаемый многоступенчатый погружной насос, содержащий последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса в виде втулки со спиральной лопастью и направляющего аппарата, отличающийся тем, что спиральная лопасть выполнена с увеличивающимся углом закрутки в направлении движения потока, а длина ее внешней кромки как минимум соответствует диаметру втулки, при этом размер лопаток в радиальном направлении равен 0,5-0,75 диаметра втулки.

Угол на выходе между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, превышает угол на входе в 1,2-4,0 раза, количество спиральных лопастей составляет от 1 до 4.

Предпочтительно, чтобы меридиональное сечение проточного канала сужалось от входа к выходу под углом конфузорности до 15°, лопасти в рабочих колесах и направляющих аппаратах были выполнены с двойной кривизной, а проточные каналы направляющего аппарата расширены под углом не более 15°.

Применение рабочих колес и направляющих аппаратов с лопастями, имеющими двойную кривизну, создает геометрию проточных каналов, обеспечивающих течение потока с минимальной завихренностью в максимально широком диапазоне подач. Оптимальный подбор соотношения числа лопастей двойной кривизны и длины проточных каналов

направляющего аппарата позволяет обеспечить осевое направление потока на выходе из направляющего аппарата.

Выбор соотношения между размером лопастей в радиальном направлении и диаметром втулки в пределах 0,5-0,75 обусловлен следующими причинами. При уменьшении размера лопасти в радиальном направлении ниже 0,5 диаметра втулки в рабочем колесе образуются узкие проходные каналы, которые могут перекрываться газовыми пузырьками, содержащимися в перекачиваемой смеси, а это приведет к срыву подачи. При размере лопастей в радиальном направлении, превышающем 0,75 диаметра втулки, напор насоса будет недостаточным для сжатия газожидкостной смеси, обеспечивающего уменьшение объема газа, сопровождающееся ростом упругости газа и, в конечном итоге, увеличением устойчивости работы насоса.

Оптимальная работа насоса достигается, когда «угол на выходе между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, превышает угол на входе в 1,2-4,0 раза». Соотношение 1,2 характеризует минимальный уровень, при котором рабочее колесо начинает создаваться давление, достаточное для сжатия перекачиваемой газожидкостной смеси. При превышение указанного соотношения более, чем в 4 раза, потери энергии жидкости при переходе из рабочего колеса в направляющий аппарат становятся неприемлемо высокими.

Максимальное количество спиральных лопастей на рабочем колесе должно быть не больше 4-х, так как большее количество лопастей также ведет к зауживанию проходных каналов, вызывающему срыв подачи.

Для того, чтобы обеспечить преобразование энергии движения потока жидкости в давление, проточные каналы направляющего аппарата должны быть расширены под углом не более 15°, так как увеличение расширения выше заявляемого значения приводит к образованию отрывных течений в направляющем аппарате, особенно при подачах, меньших номинальной, что влечет за собой потери энергии и снижение производительности насоса.

На фиг.1 изображено рабочее колесо заявляемого погружного многоступенчатого насоса, в аксонометрии; на фиг.2 - направляющий аппарат этого насоса, в аксонометрии.

Многоступенчатый погружной насос имеет множество последовательно размещенных ступеней, каждая из которых состоит из установленных неподвижно направляющих аппаратов и рабочих колес, установленных с возможностью вращения на общем валу. Рабочее колесо (фиг.1) содержит втулку 1, на боковой поверхности которой на равном расстоянии друг от друга установлены спиральные лопасти 2. При этом угол закрутки лопастей 2 от входа к выходу плавно увеличивается. Длина внешней кромки 3 спиральной лопасти 2 варьируется в пределах 1-4 диаметров рабочего колеса. Размер лопасти 2 в радиальном направлении равен 0,1-0,6 диаметра втулки. В меридиональном сечении проточный канал от входа 4 к выходу 5 сужается с узлом конфузорности не более 15°.

Направляющий аппарат (фиг.2) имеет втулку 6 с лопастями двойной кривизны 7, размещенными на ее боковой поверхности. Проточный канал в меридиональном сечении от входа 8 к выходу 9 расширяется с узлом конфузорности не более 15°.

Многоступенчатый насос работает следующим образом. Поступающая в насос газожидкостная смесь сжимается в каждой из осевых ступеней. В результате уменьшения объема газа происходит увеличение его упругости, что, в соответствии с корреляцией Тарпина [3], повышает устойчивость работы следующей ступени. Форма лопастей 2 и 7 ступеней позволяет избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырьков, что исключает возможность образования неподвижных газовых пробок и срыва подачи.

Преимуществами заявляемого многоступенчатого погружного насоса являются:

- устойчивая работа в номинальном режиме при содержании нерастворенного газа до 60%;

- устойчивая работа на любых подачах, меньших номинальной, при содержании нерастворенного газа до 40-45%;

- увеличение КПД установки за счет газлифт-эффекта в насосно-компрессорных трубах.

- повышение надежности установки при перекачивании

газожидкостных смесей, содержащих абразивные частицы, за счет

исключения из комплектации газосепаратора, который при работе в

абразивной среде, подвержен перерезанию [4], [5].

Кроме того, данный погружной насос может использоваться в качестве предвключенного, перед основным центробежным насосом, для обеспечения его устойчивой работы за счет сжатия газожидкостной смеси.

Источники, принятые во внимание:

1. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение: Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007. С.75, рис.2.8,а.

2. Патент №2244164, Россия, 7 F04D 13/10, F04D 3/02, 2005.

3. В.L. Wilson. «Pumping Two Phase Fluids with ESP». ESP Workshop, Houston. (April 2003).

4. Деньгаев А.В., Дроздов А.Н., Вербицкий B.C., Маркелов Д.В. Эксплуатация скважин, оборудованных высокопроизводительными УЭЦН с газосепараторами //Бурение и нефть. 2005. №2. С.10-13.

5. Дроздов А.Н., Деньгаев А.В., Вербицкий B.C. Установки погружных насосов с газосепараторами для эксплуатации скважин с высоким газовым фактором//Территория нефтегаз. 2005. №6. С.12-20.

Многоступенчатый погружной насос, содержащий последовательно расположенные на валу осевые ступени, каждая из которых состоит из рабочего колеса в виде втулки со спиральной лопастью и направляющего аппарата, отличающийся тем, что проточные каналы направляющего аппарата расширены под углом не более 15°, а спиральная лопасть выполнена с двойной кривизной и увеличивающимся углом закрутки в направлении движения потока, угол на выходе между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, превышает угол на входе в 1,2-4,0 раза, количество спиральных лопастей составляет от 1 до 4, а длина ее внешней кромки как минимум соответствует диаметру втулки, при этом размер лопасти в радиальном направлении равен 0,5-0,75 диаметра втулки.