RU2379500C2

RU2379500C2 - Abrasive-resistant centrifugal gas tank

Info

Publication number: RU2379500C2
Application number: RU2008108374/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Пещеренко (RU); Сергей Николаевич Пещеренко; Марина Петровна Пещеренко (RU); Марина Петровна Пещеренко; Александр Исаакович Рабинович (RU); Александр Исаакович Рабинович; Максим Олегович Перельман (RU); Максим Олегович Перельман; Геннадий Леонидович Дорогокупец (RU); Геннадий Леонидович Дорогокупец; Олег Евгеньевич Иванов (RU); Олег Евгеньевич Иванов; Павел Борисович Куприн (RU); Павел Борисович Куприн; Михаил Юрьевич Мельников (RU); Михаил Юрьевич Мельников; Андрей Михайлович Гуркин (RU); Андрей Михайлович Гуркин; Али Тельман-Оглы Нагиев (RU); Али Тельман-оглы Нагиев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2010-01-20
Also published as: RU2008108374A

Abstract

FIELD: oil-and gas industry.

SUBSTANCE: gas tank contains cylindrical case and a shaft, on which an inlet unit located sequentially in relation to a flow direction, a pressure unit, a separation unit and an separated gas withdrawal in to a hole clearance outlet unit. The separation unit performed as a screw with a variable tooth spacing, which blade forms a constant or monotonous decreasing from the inlet to the outlet angle in diapason from 90 to 30°, with in a meridian cross section rotation axis, at that the screw blade in the cross section perpendicular to the rotation axis, executed with a reducer to a periphery. The cross section ages are hollowed to the rotation side with creation of an angle between tangent line to the cross section and on normal to the rotation axis, the angle is not greater than 90°.

EFFECT: invention of the gas tank, which can operate in liquid, containing abrasive particles, for along time without failure.

7 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при добыче нефти с высоким содержанием газа и абразивных частиц.The invention relates to a pump engineering and can be used in the extraction of oil with a high content of gas and abrasive particles.

Известны центробежные газосепараторы, состоящие из цилиндрического корпуса и вала, на котором последовательно по направлению потока расположены винтовой шнек, лопастное колесо и сепарирующий барабан с радиальными лопастями [1].Known centrifugal gas separators, consisting of a cylindrical body and a shaft on which a screw auger, a paddle wheel and a separating drum with radial blades are arranged sequentially in the direction of flow [1].

Такие сепараторы не могут длительное время работать в абразивосодержащих жидкостях [2, 3]. Одной из причин отказа может быть гидроабразивное разрушение корпуса на входе в сепарационный барабан.Such separators cannot work for a long time in abrasive fluids [2, 3]. One of the reasons for failure may be waterjet destruction of the housing at the entrance to the separation drum.

Для повышения надежности центробежных газосепараторов применяют защитное покрытие на корпусе [4] или защитную гильзу, которая имеет форму тонкостенного цилиндра и располагается между вращающимися элементами газосепаратора и корпусом [5]. Однако гидроабразивная стойкость применяемых покрытий и материалов гильз не достаточна для того, чтобы предотвратить разрушение газосепараторов, работающих длительное время.To increase the reliability of centrifugal gas separators, a protective coating on the housing [4] or a protective sleeve, which has the form of a thin-walled cylinder and is located between the rotating elements of the gas separator and the housing [5], is used. However, the water-abrasion resistance of the applied coatings and liner materials is not sufficient to prevent the destruction of gas separators operating for a long time.

Настоящее изобретение направлено на создание газосепаратора, способного длительное время безаварийно работать в жидкости, содержащей абразивные частицы, за счет усовершенствования конструкции сепарационного узла.The present invention is directed to the creation of a gas separator, capable of a long time trouble-free operation in a fluid containing abrasive particles, by improving the design of the separation unit.

Указанный технический результат достигается тем, что центробежный газосепаратор, содержащий цилиндрический корпус и вал, на котором последовательно по направлению потока расположены узел ввода, напорный узел, сепарационный узел и узел отвода отсепарированного газа в затрубное пространство, отличается тем, что его сепарационный узел представляет собой шнек с переменным шагом, лопасти которого в меридиональном сечении образуют с осью вращения постоянный или монотонно уменьшающийся от входа к выходу угол. Диапазон изменения этого угла находится в интервале от 90 до 30°. Шнек с переменным шагом может иметь цилиндрическую оболочку, закрепленную на внешней поверхности его лопастей.The specified technical result is achieved in that a centrifugal gas separator comprising a cylindrical body and a shaft on which an input unit, a pressure unit, a separation unit and a unit for removing the separated gas into the annulus are arranged sequentially in the direction of flow, is characterized in that its separation unit is a screw with a variable pitch, the blades of which in the meridional section form a constant or monotonously decreasing angle from the entrance to the exit with the axis of rotation. The range of variation of this angle is in the range from 90 to 30 °. A variable pitch auger may have a cylindrical shell fixed to the outer surface of its blades.

В обоих случаях лопасти шнека в поперечном сечении могут иметь постоянную толщину или утоньшаться к периферии, причем границы сечения могут быть как прямыми, так и вогнутыми в сторону вращения так, что угол между касательной к границе сечения и нормалью к оси вращения не превышает 90°.In both cases, the auger blades in the cross section can have a constant thickness or thin out to the periphery, and the boundaries of the section can be either straight or concave in the direction of rotation so that the angle between the tangent to the boundary of the section and the normal to the axis of rotation does not exceed 90 °.

Кроме того, входная кромка шнека либо перпендикулярна оси вращения, либо имеет вид конической поверхности, наклоненной в сторону течения жидкости с углом при вершине более 90°, а угол между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, на входе шнека превышает угол на выходе в 1,2-4,0 раза.In addition, the inlet edge of the auger is either perpendicular to the axis of rotation, or has the form of a conical surface inclined toward the fluid flow with an apex angle of more than 90 °, and the angle between the tangent to the skeletal line of the blade and the plane perpendicular to the axis of rotation exceeds the angle at the inlet of the auger the output is 1.2-4.0 times.

Увеличение надежности газосепаратора предлагаемой конструкции достигается за счет того, что:An increase in the reliability of the gas separator of the proposed design is achieved due to the fact that:

1. Благодаря применению шнека, согласованного по потоку с напорным узлом газосепаратора, на входе в сепарационный узел не создается вихревое движение жидкости, захватывающее абразивные частицы и повышающее их локальную концентрацию в месте образования вихря.1. Due to the use of a screw, coordinated in the flow with the pressure unit of the gas separator, at the inlet of the separation unit, a vortex fluid movement is not created, capturing abrasive particles and increasing their local concentration at the site of the vortex formation.

2. Лопасти сепарационного шнека наклонены так, что центробежные силы, возникающие при вращении, прижимают абразивные частицы к его лопастям. Силы трения между частицами и лопастями препятствуют их перемещению к корпусу газосепаратора.2. The blades of the separation screw are inclined so that the centrifugal forces arising during rotation press the abrasive particles to its blades. Friction forces between particles and blades prevent their movement to the gas separator body.

3. Цилиндрическая оболочка является частью сепарационного узла газосепаратора и вращается вместе с находящимся внутри нее сепарационным шнеком. Жидкость, находящаяся внутри сепарационного узла, имеет малую скорость движения относительно стенок цилиндрической оболочки, поэтому малы силы взаимодействия абразивных частиц, переносимых жидкостью, со стенками цилиндрической оболочки.3. The cylindrical shell is part of the separation unit of the gas separator and rotates with the separation screw inside it. The liquid inside the separation unit has a low velocity relative to the walls of the cylindrical shell, therefore, the forces of interaction of the abrasive particles carried by the liquid with the walls of the cylindrical shell are small.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема расположения узлов газосепаратора, на фиг.2 - сепарационный шнек заявляемой конструкции, на фиг.3 - тот же шнек в цилиндрической оболочке, на фиг.4-6 показаны формы поперечного сечения лопасти.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the layout of the gas separator nodes, figure 2 - separation screw of the claimed design, figure 3 - the same screw in a cylindrical shell, figure 4-6 shows the shape of the cross section of the blade.

Газосепаратор состоит из узла ввода 1, напорного узла 2, сепарационного узла 3 и узла отвода 4 отсепарированного газа (фиг.1), которые насажены на вал и размещены внутри цилиндрического корпуса. В качестве сепарационного узла 3 использован шнек 5 с переменным шагом (фиг.2, 3), состоящий из втулки 6 с винтообразными лопастями 7, к внешним сторонам которых может быть прикреплена цилиндрическая оболочка 8 (фиг.3). Лопасть 7 может иметь постоянную толщину (фиг.4), утоньшаться к периферии (фиг.5) или иметь криволинейную форму (фиг.6) с 0≤δ≤90°. Угол α (фиг.6) образован лопастью шнека и осью вращения в меридиональном сечении. Входной β₁ и выходной угол β₂ (фиг.7) образованы между касательной к скелетной линии лопасти и плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Углы представлены на развертке цилиндрической поверхности, которая пересекает лопасть шнека, расположена внутри проточного канала и имеет ось, совпадающую с осью вращения. Скелетная линия лопасти 9 (фиг.7) означает среднюю линию лопасти, служащую каркасом, на котором за счет симметрично в противоположные стороны отложенной половинной толщины формируется конфигурация лопасти. Скелетная линия существует только в сечении лопатки какой-либо цилиндрической поверхностью проточного канала. При компьютерном конструировании лопатку получают вытягиванием скелетной линии от втулки к периферии (в радиальном направлении), и наращиванием толщины на полученную скелетную поверхность. Термин «скелетная линия» лопасти находит применение в технической литературе (см., например, в книге Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960, стр.143).The gas separator consists of an input unit 1, a pressure unit 2, a separation unit 3, and a separate gas outlet 4 (FIG. 1), which are mounted on a shaft and placed inside a cylindrical body. As the separation unit 3, a screw 5 with a variable pitch (FIGS. 2, 3) is used, consisting of a sleeve 6 with screw-shaped blades 7, to the outer sides of which a cylindrical shell 8 can be attached (FIG. 3). The blade 7 may have a constant thickness (figure 4), thin out to the periphery (figure 5) or have a curved shape (figure 6) with 0≤δ≤90 °. The angle α (Fig.6) is formed by the auger blade and the axis of rotation in the meridional section. The input β ₁ and the output angle β ₂ (Fig. 7) are formed between the tangent to the skeletal line of the blade and the plane perpendicular to the axis of rotation. The angles are presented on a scan of the cylindrical surface that intersects the screw blade, is located inside the flow channel and has an axis that coincides with the axis of rotation. The skeletal line of the blade 9 (Fig. 7) means the midline of the blade serving as a skeleton on which the blade configuration is formed symmetrically in opposite directions of the deferred half thickness. The skeletal line exists only in the section of the scapula by any cylindrical surface of the flow channel. In computer design, the blade is obtained by stretching the skeletal line from the sleeve to the periphery (in the radial direction), and increasing the thickness on the resulting skeletal surface. The term "skeleton line" of the blade is used in the technical literature (see, for example, in the book Stepanov AI Centrifugal and axial pumps. Theory, design and application. - M.: State Scientific and Technical Publishing House of Engineering Literature, 1960, pp. .143).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поток газожидкостной смеси, поступающий в газосепаратор через узел ввода 1, проходит напорный узел 2 и поступает в сепарационный узел 3, где приводится во вращение. Центробежные силы отделяют газ, который скапливается вблизи поверхности втулки 6, от жидкости и заставляют абразивные частицы двигаться в противоположном направлении. Однако лопасти 7 шнека 5 наклонены так, что частицы не могут достичь корпуса газосепаратора, не соприкоснувшись с лопастями 7. При контакте центробежные силы прижимают абразивные частицы к лопастям 7, что затрудняет их перемещение к корпусу газосепаратора.The flow of the gas-liquid mixture entering the gas separator through the input unit 1 passes through the pressure unit 2 and enters the separation unit 3, where it is rotated. Centrifugal forces separate the gas, which accumulates near the surface of the sleeve 6, from the liquid and cause the abrasive particles to move in the opposite direction. However, the blades 7 of the screw 5 are inclined so that the particles cannot reach the gas separator body without touching the blades 7. Upon contact, centrifugal forces press the abrasive particles against the blades 7, which makes it difficult to move them to the gas separator body.

Если сепарационный узел оснащен цилиндрической оболочкой 8, которая вращается вместе с находящимся внутри ее шнеком 5, то жидкость, находящаяся внутри сепарационного узла 3, имеет малую скорость относительно стенок цилиндрической оболочки 8. Поэтому переносимые жидкостью абразивные частицы практически не взаимодействуют со стенками цилиндрической оболочки 8, и износа не происходит.If the separation unit is equipped with a cylindrical shell 8, which rotates with the screw 5 inside it, then the liquid inside the separation unit 3 has a low speed relative to the walls of the cylindrical shell 8. Therefore, the abrasive particles transferred by the liquid practically do not interact with the walls of the cylindrical shell 8, and wear does not occur.

В отличие от традиционных газосепараторов, где сепарация осуществляется барабаном с радиальными лопастями [1], предлагаемый сепарационный узел не создает вихревого движения на входе, потому что сепарационный шнек предлагаемой конструкции согласован по направлению потока с напорным узлом газосепаратора. Отсутствие вихревого движения препятствует захвату абразивных частиц потоком и предупреждает их локальную концентрацию, что способствует повышению надежности.Unlike traditional gas separators, where separation is carried out by a drum with radial blades [1], the proposed separation unit does not create a swirl movement at the inlet, because the separation screw of the proposed design is aligned in the direction of flow with the pressure head of the gas separator. The absence of vortex motion prevents the capture of abrasive particles by the flow and prevents their local concentration, which helps to increase reliability.

Источники информацииInformation sources

1. Оборудование для добычи нефти и газа / В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002. Ч.1. С.449.1. Equipment for oil and gas production / V.N.Ivanovsky, V.I. Darishchev, A.A.Sabirov. M .: State Unitary Enterprise Publishing House “Oil and Gas”, Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkina, 2002. Part 1. S.449.

2. 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.10-13.2. Dengaev A.V., Drozdov A.N., Verbitsky B.C., Markelov D.V. Operation of wells equipped with high-performance ESPs with gas separators // Drilling and Oil. 2005. No2. S.10-13.

3. 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.12-20.3. Drozdov A.N., Dengaev A.V., Verbitsky B.C. Installations of submersible pumps with gas separators for the operation of wells with a high gas factor // Territory neftegaz. 2005. No. 6. S.12-20.

4. Патент Франции №2310214, F04D 7/08, 1977.4. French Patent No. 2310214, F04D 7/08, 1977.

5. Патент США №5516360, B10D 19/00, 1996.5. US patent No. 5516360, B10D 19/00, 1996.

Claims

1. An abrasion-resistant centrifugal gas separator comprising a cylindrical body and a shaft on which an input unit, a pressure unit, a separation unit and a unit for removing the separated gas into the annulus are arranged successively in the flow direction, characterized in that the separation unit is made in the form of a screw with a variable pitch, the blade of which forms with the axis of rotation in the meridian section a constant or monotonously decreasing angle from 90 to 30 ° from the entrance to the exit, while the screw blade in the section is perpendicular m rotational axis is formed with thinning towards the periphery, and border sections are concave in the direction of rotation to form an angle between the tangent to the border sections and the normal to the axis of rotation of not more than 90 °.

2. The abrasion-resistant centrifugal gas separator according to claim 1, characterized in that the screw is enclosed in a cylindrical shell attached to the outer surface of the blades.

3. The abrasion resistant centrifugal separator according to claim 1, characterized in that the inlet edge of the screw is either perpendicular to the axis of rotation or has the form of a conical surface inclined towards the fluid flow with an angle at the apex of more than 90 °.

4. The abrasion-resistant centrifugal separator according to claim 1, characterized in that the ratio of the angles between the tangent to the skeletal line of the blade and the plane perpendicular to the axis of rotation at the inlet and outlet of the screw is 1.2-4.0.