RU2786546C1 - Topping gas stabilizing device (variants) - Google Patents

Abstract

FIELD: pumping engineering.

SUBSTANCE: group of inventions relates to pumping engineering, in particular to non-separable topping devices for multistage submersible pumps, and can be used to ensure stable operation of the pump when lifting oil-water mixtures with a high content of undissolved gas from wells. The device includes a package of axial stages consisting of an impeller and a guide device with blades. The impeller is a sleeve with spiral blades. Through holes are made on the surface of the spiral blades of the impeller, the total area of which is 5-40% of the area of the blade. In an alternative variant, through recesses are located at the ends of the spiral blades, while the total area of the recesses is 5-40% of the area of the blade.

EFFECT: ensuring the efficiency of dispersion of a gas-liquid mixture with a high concentration of gas in the widest possible range of main pump feeds at low power consumption and increasing reliability when working in an arrangement with a high-speed extraction pump.

14 cl, 9 dwg

Description

Группа предлагаемых изобретений относится к насосостроению, в частности к бессепарационным предвключенным устройствам для многоступенчатых погружных насосов, и может использоваться для обеспечения устойчивой работы насоса при подъеме из скважин водонефтяных смесей с высоким содержанием нерастворенного газа.The group of inventions relates to pump engineering, in particular to non-separation upstream devices for multistage submersible pumps, and can be used to ensure stable operation of the pump when lifting oil-water mixtures with a high content of undissolved gas from wells.

Известно применение в качестве предвключенного устройства для обработки газожидкостной смеси диспергатора лабиринтного типа [Ш.Р. Агеев, Е.Е. Григорян, Г.П. Макиенко. "Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение". Энциклопедический справочник. Пермь, ООО «Прогресс-Мастер», 2007, стр. 288-290]. Рабочими органами такого диспергатора являются статоры-втулки и расположенные внутри роторы-винты. На поверхностях сопряжения статоров и роторов выполнены выступы и впадины в виде нарезок специального профиля. Передача энергии от ротора-винта к жидкости происходит в результате обмена количествами движения жидкости, обтекающей ротор-винт, с жидкостью, обтекающей статор-втулку. Жидкость располагается в ячейках, ограниченных с одной стороны двумя нарезками ротора, и с другой - двумя нарезками статора. Положение выступов нарезок ротора и статора непрерывно изменяется, поэтому возникают значительные градиенты скорости потока газожидкостной смеси, проходящей через такие рабочие органы, и, следовательно, интенсивная диспергация потока смеси.It is known to use as an upstream device for processing a gas-liquid mixture of a labyrinth-type dispersant [Sh.R. Ageev, E.E. Grigoryan, G.P. Makienko. "Russian installations of vane pumps for oil production and their application". Encyclopedic reference book. Perm, OOO Progress-Master, 2007, pp. 288-290]. The working bodies of such a dispersant are stators-bushings and rotors-screws located inside. On the mating surfaces of the stators and rotors, protrusions and depressions are made in the form of cuts of a special profile. The transfer of energy from the rotor-screw to the fluid occurs as a result of the exchange of momentum of the fluid flowing around the rotor-screw with the fluid flowing around the stator bushing. The liquid is located in cells bounded on one side by two rotor threads, and on the other - by two stator threads. The position of the protrusions of the threads of the rotor and stator is continuously changing, so there are significant gradients in the flow rate of the gas-liquid mixture passing through such working bodies, and, consequently, intense dispersion of the mixture flow.

Недостатком этого устройства является низкая пропускная способность, обусловленная самой конструкцией ступеней (ступени выполнены по типу лабиринтного уплотнения), поэтому такие диспергаторы являются гидродинамическим сопротивлением для системы на больших подачах.The disadvantage of this device is the low throughput due to the design of the steps (the steps are made according to the type of labyrinth seal), therefore, such dispersants are a hydrodynamic resistance for the system at high flows.

Известна также конструкция предвключенного газостабилизирующего насосного модуля, содержащего последовательно расположенные на одном валу напорный и диспергирующий блоки, причем напорный блок представляет собой пакет осевых ступеней, а диспергирующий - пакет лабиринтных ступеней [патент РФ №2593738 С1, МПК F04D 13/10, опубл. 10.08.2016]. Описанный газостабилизирующий модуль принимает скважинную жидкость, диспергирует (дробит) газовые пузыри, создавая тем самым мультифазную среду, более благоприятную для работы центробежного насоса, чем пластовая жидкость без обработки. Использование этого модуля в составе установки перед центробежным насосом позволяет увеличить напор установки и расширить допустимый диапазон ее работы относительно газосодержания.Also known is the design of an upstream gas-stabilizing pump module containing pressure and dispersing blocks arranged in series on the same shaft, the pressure block being a package of axial steps, and the dispersing block being a package of labyrinth steps [RF patent No. 2593738 C1, IPC F04D 13/10, publ. 08/10/2016]. The described gas stabilization module receives well fluid, disperses (crushes) gas bubbles, thereby creating a multiphase environment that is more favorable for the operation of a centrifugal pump than formation fluid without treatment. The use of this module as part of the installation in front of a centrifugal pump allows you to increase the pressure of the installation and expand the permissible range of its operation with respect to gas content.

Недостатком такого устройства является низкая степень диспергации газожидкостной смеси, а также высокая потребляемая мощность, обусловленная использованием в конструкции массивных лабиринтных ступеней, зачастую превышающая мощность основного добывающего насоса, особенно на повышенных частотах вращения вала (свыше 6000 об/мин).The disadvantage of this device is the low degree of dispersion of the gas-liquid mixture, as well as the high power consumption due to the use of massive labyrinth stages in the design, often exceeding the power of the main production pump, especially at high shaft speeds (over 6000 rpm).

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция предвключенного газостабилизирующего устройства (мультифазный осевой насос), содержащего цилиндрический корпус с размещенным на валу пакетом осевых ступеней, каждая из которых состоит из рабочего колеса, имеющего втулку с одной-четырьмя спиральными лопастями переменного шага, и направляющего аппарата с лопастями двойной кривизны [патент РФ №2428588 C1, МПК F04D 13/10, опубл. 10.09.2011]. По краю входной кромки спиральных лопастей рабочего колеса выполнены щелевые сквозные отверстия продолговатой формы, расположенные, по меньшей мере, в один ряд. Конфигурация лопастей обеспечивает течение потока с минимальной завихренностью в максимально широком диапазоне подач. За счет сжатия и частичного диспергирования газожидкостной смеси в отверстиях такое предвключенное устройство обеспечивает устойчивую работу основного центробежного насоса.Closest to the claimed is the design of the upstream gas-stabilizing device (multi-phase axial pump), containing a cylindrical body with a package of axial stages placed on the shaft, each of which consists of an impeller having a sleeve with one to four variable-pitch spiral blades, and a guide vane with blades double curvature [RF patent No. 2428588 C1, IPC F04D 13/10, publ. 09/10/2011]. Along the edge of the leading edge of the spiral blades of the impeller, elongated slotted through holes are made, located at least in one row. The configuration of the blades provides a flow with minimal vorticity in the widest possible range of feeds. Due to the compression and partial dispersion of the gas-liquid mixture in the holes, such an upstream device ensures stable operation of the main centrifugal pump.

Недостатком данной конструкции является слабое диспергирование газожидкостной смеси при высокой концентрации газа, приводящее к срыву подачи устройства за счет перекрытия проточных каналов ступени газовыми пробками. Особенно заметным этот эффект становится для предвключенных устройств малого габарита с диаметром корпуса от 55 до 81 мм. Кроме того, использование описанной конструкции на частотах вращения вала от 6000 об/мин также приводит к высокой потребляемой мощности, что вынуждает использовать двигатель большей мощности и увеличивает общую стоимость всей установки.The disadvantage of this design is the weak dispersion of the gas-liquid mixture at a high gas concentration, leading to a disruption in the supply of the device due to the blocking of the flow channels of the stage with gas plugs. This effect becomes especially noticeable for upstream devices of small dimensions with a case diameter from 55 to 81 mm. In addition, the use of the described design at shaft speeds from 6000 rpm also leads to high power consumption, which forces the use of a larger motor and increases the overall cost of the entire installation.

Задачей настоящего изобретения является создание газостабилизирующего модуля, эффективно диспергирующего газожидкостную смесь в максимально широком диапазоне подач основных насосов при низкой потребляемой мощности и имеющего высокую надежность при работе в компоновке с высокооборотным добывающим насосом.The objective of the present invention is to create a gas-stabilizing module that effectively disperses the gas-liquid mixture in the widest possible range of feeds of the main pumps at low power consumption and has high reliability when operating in combination with a high-speed production pump.

Указанный технический результат достигается тем, что в предвключенном газостабилизирующим устройстве для обработки газожидкостной смеси, включающем пакет осевых ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо, представляющее собой втулку со спиральными лопастями, и направляющий аппарат с лопатками, согласно изобретению, по поверхности спиральных лопастей рабочего колеса выполнены сквозные отверстия, причем суммарная площадь отверстий составляет 5-40% от площади лопасти.This technical result is achieved by the fact that in the upstream gas-stabilizing device for processing a gas-liquid mixture, including a package of axial stages, each of which has an impeller, which is a sleeve with spiral blades, and a guide vane with blades, according to the invention, along the surface of the spiral blades of the impeller through holes are made, and the total area of the holes is 5-40% of the area of the blade.

Отверстия имеют форму со скругленными ребрами - круговую, овальную либо щелевую и могут располагаться по поверхности лопасти как произвольно, так и упорядоченно, например, в шахматном порядке.The holes have a shape with rounded ribs - circular, oval or slotted and can be located on the surface of the blade both randomly and in an orderly manner, for example, in a checkerboard pattern.

Отверстия могут быть размещены по всей поверхности лопасти или могут покрывать часть лопасти, примыкающей к входной или выходной кромке лопасти, а также к втулке.The holes may be placed over the entire surface of the blade or may cover the part of the blade adjacent to the leading or trailing edge of the blade, as well as to the hub.

Наличие отверстий на поверхности лопастей, суммарная площадь которых составляет не менее от 5% от площади лопасти, позволяет предотвратить скопление и закупоривание проточной части устройства газовыми пузырями за счет их интенсивного измельчения и перепуска между межлопастными каналами рабочих колес. Это приводит к получению газожидкостной смеси, обладающей гомогенной структурой, что обеспечивает стабильную работу не только предвключенного устройства, но и основного добывающего насоса. Ограничение суммарной площади отверстий на уровне, не превышающим 40% от площади лопасти, связано с сохранением между отверстиями достаточной толщины перемычек, исключающей их ломкость и обеспечивающей необходимую прочность лопасти.The presence of holes on the surface of the blades, the total area of which is at least 5% of the blade area, makes it possible to prevent the accumulation and clogging of the flow part of the device with gas bubbles due to their intensive grinding and bypass between the impeller interblade channels. This leads to a gas-liquid mixture having a homogeneous structure, which ensures stable operation of not only the upstream device, but also the main production pump. The limitation of the total area of the holes at a level not exceeding 40% of the area of the blade is associated with maintaining a sufficient thickness of the bridges between the holes, which excludes their fragility and provides the necessary strength of the blade.

В альтернативном варианте исполнения на торцах спиральных лопастей расположены сквозные выемки, при этом суммарная площадь выемок составляет 5-40% от площади лопасти.In an alternative embodiment, through recesses are located at the ends of the spiral blades, while the total area of the recesses is 5-40% of the blade area.

Сквозные выемки по торцу лопасти могут быть расположены равномерно и выполнены предпочтительно со скругленной или щелевой формой, обеспечивающей ламинарное течение жидкости. Возможно выполнение выемок на части торца, примыкающей к входной или выходной кромке спиральной лопасти.Through recesses along the end of the blade can be evenly spaced and preferably made with a rounded or slotted shape, providing a laminar fluid flow. It is possible to make recesses on the part of the end adjacent to the input or output edge of the spiral blade.

В обоих вариантах исполнения лопатки направляющего аппарата могут быть снабжены отверстиями.In both embodiments, the guide vanes can be provided with holes.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид газостабилизирующего устройства; на фиг. 2-5 - варианты рабочего колеса устройства с отверстиями на поверхности лопасти, в аксонометрии, на фиг. 6-7 - варианты рабочего колеса устройства с выемками по торцу лопасти, в аксонометрии; на фиг. 8-9 - варианты направляющего аппарата, в аксонометрии.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a general view of the gas stabilizing device; in fig. 2-5 - variants of the impeller of the device with holes on the surface of the blade, in a perspective view, in Fig. 6-7 - options for the impeller of the device with recesses at the end of the blade, in perspective view; in fig. 8-9 - variants of the guide vane, axonometric view.

Газостабилизирующее устройство состоит из пакета осевых ступеней, в котором чередуются рабочие колеса 1 и направляющие аппараты 2 (фиг. 1). Рабочее колесо 1 имеет втулку 3 с закрепленными на ней спиральными лопастями 4, по поверхности которых выполнены сквозные отверстия 5 (фиг. 2-5). Отверстия 5 могут располагаться на лопасти 4 упорядоченно, например, в шахматном порядке (фиг. 3), либо произвольно. Отверстия могут покрывать всю поверхность лопасти (фиг. 2) или ее часть (фиг. 3-5).The gas stabilizing device consists of a package of axial stages in which impellers 1 and guide vanes 2 alternate (Fig. 1). The impeller 1 has a sleeve 3 with spiral blades 4 fixed on it, on the surface of which through holes 5 are made (Fig. 2-5). The holes 5 can be placed on the blade 4 in an orderly manner, for example, in a checkerboard pattern (Fig. 3), or arbitrarily. The holes may cover the entire surface of the blade (Fig. 2) or part of it (Fig. 3-5).

Отверстия могут быть сосредоточены на различных частях лопасти: в области, примыкающей к входной (фиг. 3) или выходной кромке (фиг. 4) лопасти, а также покрывать часть лопасти, примыкающей к втулке (фиг. 5).The holes can be concentrated on different parts of the blade: in the area adjacent to the input (Fig. 3) or trailing edge (Fig. 4) of the blade, and also cover the part of the blade adjacent to the sleeve (Fig. 5).

В альтернативном варианте исполнения отверстия 5 в лопасти 4 могут быть заменены выемками 6 на торцах лопастей 4 (фиг. 6), которые в том числе могут быть расположены равномерно. Выемки могут быть выполнены на части торца, примыкающей к входной (фиг. 7) или выходной (не показано) кромке лопасти.In an alternative embodiment, the holes 5 in the blade 4 can be replaced by recesses 6 at the ends of the blades 4 (Fig. 6), which, among other things, can be evenly spaced. Recesses can be made on the part of the end adjacent to the input (Fig. 7) or output (not shown) edge of the blade.

Отношение суммарной площади отверстий 5 либо выемок 6 к площади напорной поверхности лопасти 4 находится в пределах 5-40% и сохраняется во всех вариантах исполнения. Предпочтительно выполнение отверстий 5 либо выемок 6 в форме со скругленными ребрами (фиг. 2-6) - круговой, овальной либо щелевой (фиг. 7).The ratio of the total area of the holes 5 or recesses 6 to the area of the pressure surface of the blade 4 is in the range of 5-40% and is maintained in all versions. It is preferable to make holes 5 or recesses 6 in the form with rounded ribs (Fig. 2-6) - circular, oval or slotted (Fig. 7).

За рабочим колесом 1 следует направляющий аппарат осевого типа 2 (фиг. 8, 9), состоящий из втулки 7 с лопатками 8 и внешней цилиндрической оболочки 9, соединенной с торцами лопаток. На лопатках 8 направляющего аппарата 2 могут быть выполнены отверстия 10, перераспределяющие поток в межлопастных каналах (фиг. 9) для удаления застойных зон.The impeller 1 is followed by an axial guide vane 2 (Fig. 8, 9), consisting of a sleeve 7 with blades 8 and an outer cylindrical shell 9 connected to the ends of the blades. On the blades 8 of the guide apparatus 2, holes 10 can be made, redistributing the flow in the interblade channels (Fig. 9) to remove stagnant zones.

Газостабилизирующее устройство работает следующим образом. Через входной модуль (не показан) газожидкостная смесь попадает на рабочее колесо 1 устройства. За счет вращения рабочего колеса 1 ГЖС приобретает энергию от спиральных лопастей 4 колеса 1, при этом жидкость за счет центробежных сил стремится к периферии, а газ скапливается в центре устройства. Лопасти 4 рабочего колеса 1 формируют межлопастные каналы. Отверстия 5 либо выемки 6 на лопастях 4 рабочего колеса 1 позволяют равномерно распределить газ по всем межлопастным каналам и, одновременно, диспергировать газожидкостную смесь. Уменьшение за счет отверстий 5 либо выемок 6 рабочей поверхности лопасти 4 требует меньшего усилия для вращения рабочего колеса 1 в потоке жидкости и снижает потребляемую мощность всего устройства до 25% по сравнению с использованием рабочих колес той же конфигурации, но без отверстий и выемок. Далее смесь проходит в направляющий аппарат 2, где закрученный поток за счет неподвижных лопаток 8 выпрямляется и проходит в следующую ступень устройства. Отверстия 10 в лопатках 8 направляющего аппарата 2 позволяют усилить диспергацию газожидкостной смеси и избежать за счет перепуска потока с одной стороны лопатки на другую скопления газовых пузырьков в зонах пониженного давления. При перетекании ГЖС от ступени к ступени происходит дополнительное дробление пузырьков газа и их сжатие.The gas stabilizing device operates as follows. Through the input module (not shown), the gas-liquid mixture enters the impeller 1 of the device. Due to the rotation of the impeller 1, the GZhS acquires energy from the spiral blades 4 of the wheel 1, while the liquid tends to the periphery due to centrifugal forces, and the gas accumulates in the center of the device. Blades 4 of the impeller 1 form interblade channels. Holes 5 or recesses 6 on the blades 4 of the impeller 1 make it possible to evenly distribute the gas over all the interblade channels and, at the same time, to disperse the gas-liquid mixture. Reducing the working surface of the blade 4 due to holes 5 or recesses 6 requires less effort to rotate the impeller 1 in the fluid flow and reduces the power consumption of the entire device by up to 25% compared to using impellers of the same configuration, but without holes and recesses. Next, the mixture passes into the guide apparatus 2, where the swirling flow is straightened due to the fixed blades 8 and passes to the next stage of the device. Holes 10 in the blades 8 of the guide vane 2 make it possible to enhance the dispersion of the gas-liquid mixture and to avoid accumulation of gas bubbles in the areas of low pressure due to bypassing the flow from one side of the blade to the other. When GZhM flows from stage to stage, additional crushing of gas bubbles and their compression occurs.

Таким образом, за счет сжатия и измельчения газовых пузырей достигается устойчивая работа добывающего насоса, следующего за газостабилизирующим устройством, на диспергированной газожидкостной смеси с высокой концентрацией газа при сниженном энергопотреблении.Thus, due to the compression and grinding of gas bubbles, stable operation of the production pump following the gas stabilizing device is achieved on a dispersed gas-liquid mixture with a high gas concentration at reduced power consumption.

Claims (14)

1. Предвключенное газостабилизирующее устройство, включающее пакет осевых ступеней, состоящих из рабочего колеса, представляющего собой втулку со спиральными лопастями, и направляющего аппарата с лопатками, отличающееся тем, что по поверхности спиральных лопастей рабочего колеса выполнены сквозные отверстия, при этом суммарная площадь отверстий составляет 5-40% от площади лопасти.1. An upstream gas stabilizing device, including a package of axial stages, consisting of an impeller, which is a sleeve with spiral blades, and a guide vane with blades, characterized in that through holes are made on the surface of the spiral blades of the impeller, while the total area of the holes is 5 -40% of the blade area. 2. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сквозные отверстия по поверхности лопасти расположены равномерно.2. Upstream device according to claim. 1, characterized in that the through holes on the surface of the blade are evenly spaced. 3. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сквозные отверстия по поверхности лопасти расположены в шахматном порядке.3. Upstream device according to claim. 1, characterized in that the through holes on the surface of the blade are staggered. 4. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сквозные отверстия по поверхности лопасти расположены с покрытием ее части, примыкающей к втулке.4. An upstream device according to claim 1, characterized in that the through holes along the surface of the blade are located with a coating of its part adjacent to the hub. 5. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сквозные отверстия по поверхности лопасти расположены с покрытием ее части, примыкающей к входной кромке лопасти.5. Upstream device according to claim. 1, characterized in that the through holes on the surface of the blade are coated with its part adjacent to the leading edge of the blade. 6. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сквозные отверстия по поверхности лопасти расположены с покрытием ее части, примыкающей к выходной кромке лопасти.6. Upstream device according to claim. 1, characterized in that the through holes on the surface of the blade are coated with its part adjacent to the trailing edge of the blade. 7. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстия выполнены круглой, овальной или щелевой формы.7. Upstream device according to claim 1, characterized in that the holes are round, oval or slotted. 8. Предвключенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что лопатки направляющего аппарата снабжены отверстиями.8. An upstream device according to claim 1, characterized in that the guide vanes are provided with holes. 9. Предвключенное устройство для обработки газожидкостной смеси, включающее пакет осевых ступеней, состоящих из рабочего колеса, представляющего собой втулку со спиральными лопастями, и направляющего аппарата с лопатками, отличающееся тем, что на торцах спиральных лопастей по длине расположены сквозные выемки, при этом суммарная площадь выемок составляет 5-40% от площади лопасти.9. An upstream device for processing a gas-liquid mixture, including a package of axial stages, consisting of an impeller, which is a sleeve with spiral blades, and a guide vane with blades, characterized in that through recesses are located at the ends of the spiral blades along the length, while the total area recesses is 5-40% of the area of the blade. 10. Предвключенное устройство по п. 9, отличающееся тем, что сквозные выемки по торцу лопасти расположены равномерно.10. An upstream device according to claim 9, characterized in that the through recesses along the end of the blade are evenly spaced. 11. Предвключенное устройство по п. 9, отличающееся тем, что сквозные выемки по торцу лопасти расположены с покрытием его части, примыкающей к входной кромке лопасти.11. An upstream device according to claim 9, characterized in that the through recesses along the end of the blade are located with a coating of its part adjacent to the leading edge of the blade. 12. Предвключенное устройство по п. 9, отличающееся тем, что сквозные выемки по торцу лопасти расположены с покрытием его части, примыкающей к выходной кромке лопасти.12. An upstream device according to claim 9, characterized in that the through recesses along the end of the blade are located with a coating of its part adjacent to the trailing edge of the blade. 13. Предвключенное устройство по п. 9, отличающееся тем, что выемки выполнены со скругленной или щелевой формой.13. An upstream device according to claim 9, characterized in that the recesses are made with a rounded or slotted shape. 14. Предвключенное устройство по п. 9, отличающееся тем, что лопатки направляющего аппарата снабжены отверстиями.14. An upstream device according to claim 9, characterized in that the guide vanes are provided with holes.

Images