RU2548327C1

RU2548327C1 - Pump for gas-liquid mixture transfer

Info

Publication number: RU2548327C1
Application number: RU2014114779/06A
Authority: RU
Inventors: Марина Петровна Пещеренко; Артем Николаевич Мусинский; Сергей Николаевич Пещеренко; Ольга Николаевна Грачева
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь", (АО "Новомет-Пермь)
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-04-20

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: pump contains body, in which stage packages of different types are installed, containing the guide vanes and impellers installed on the shaft (1) and rotating together with it. At the pump input the package (I) with axial stages is installed, it contains guide vanes (3) and impellers (2) with spiral blades, above it the next package (II) - dispergator is installed, it is made in form of stator-sleeves (5) and rotors (4) having of the mating surfaces shoulders and depressions. Then successively the package (III) of transition stages and packages (VI) with stages of main centrifugal pump are installed. The flow channels of the transition stages are made with width close to width of the flow channels of the main pump stages.

EFFECT: creation of the submersible pump to transfer gas-liquid mixtures able to operate effectively and to develop high head in wide range of concentrations of mixture undissolved gas.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к оборудованию для добычи нефти с высокой концентрацией газа, и может быть использовано для поверхностной перекачки газожидкостной смеси.The invention relates to the oil industry, and in particular to equipment for oil production with a high concentration of gas, and can be used for surface pumping of a gas-liquid mixture.

Известен лопастной насос для перекачивания газожидкостной смеси, состоящий из двух пакетов ступеней рабочих колес и направляющих аппаратов различного вида (патент РФ №2471089, МПК F04D 1/06, 13/10, 31/00, опубл. 27.12.2012). В первом пакете ступеней направляющие аппараты выполнены с дополнительными лопастями на внутренней поверхности корпуса, в отличие от второго пакета, где использованы обычные направляющие аппараты с гладкой внутренней поверхностью корпуса. Однако лопасти на внутренней поверхности корпуса направляющего аппарата лишь локально уменьшают гидравлические потери в зоне перехода рабочее колесо - направляющий аппарат и не влияют на течение газожидкостной смеси в проточных каналах рабочего колеса и направляющего аппарата. Поэтому достичь существенного увеличения предельного газосодержания в смеси при работе такого насоса не удается.Known vane pump for pumping a gas-liquid mixture, consisting of two packages of stages of the impellers and guide vanes of various kinds (RF patent No. 2471089, IPC F04D 1/06, 13/10, 31/00, publ. 12/27/2012). In the first package of steps, the guide devices are made with additional blades on the inner surface of the housing, in contrast to the second package, where conventional guide devices with a smooth inner surface of the housing are used. However, the blades on the inner surface of the casing of the guide vane only locally reduce hydraulic losses in the transition zone of the impeller - guide vane and do not affect the flow of gas-liquid mixture in the flow channels of the impeller and the guide vane. Therefore, it is not possible to achieve a significant increase in the maximum gas content in the mixture during the operation of such a pump.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран многоступенчатый «конический» лопастной насос для перекачки газожидкостной смеси, состоящий из корпусов, внутри которых помещены пакеты насосных ступеней различных типов, с разными номинальными подачами, состоящие из неподвижных направляющих аппаратов и рабочих колес, насаженных на вал и вращающихся вместе с ним. Ступени с большими номинальными подачами помещены на входном участке насоса, далее по направлению к выходу установлены ступени на меньшие подачи в убывающем порядке их номинальных значений (Свидетельство на ПМ №7459 РФ, МПК F04D 13/00, опубл. 16.08.1998).As a prototype of the claimed invention, a multi-stage "conical" vane pump for pumping a gas-liquid mixture was selected, consisting of housings inside which packages of pump stages of various types are placed, with different nominal feeds, consisting of fixed guiding devices and impellers mounted on a shaft and rotating together with him. Steps with high nominal feeds are placed on the inlet section of the pump, then towards the exit steps are set to lower feeds in descending order of their nominal values (Certificate on PM No. 7459 of the Russian Federation, IPC F04D 13/00, published on 08.16.1998).

Считается, что ступени большой производительности пропускают относительно большие объемы нерастворенного газа, постепенно сжимая газ и подавая на следующий пакет ступеней меньшей производительности газожидкостную смесь с меньшей концентрацией свободного газа, тем самым обеспечивая более устойчивую работу «конической» насосной секции с газом по сравнению с обычным центробежным насосом. Однако в скважинных условиях (при давлении на входе P_вх порядка 30-50 атм) первые ступени не могут сжать газ, т.к. развиваемое ими давление много меньше P_вх. Только после того, как газожидкостная смесь доведена до состояния квазиоднородной эмульсии, каждая последующая ступень насоса может внести свой вклад в повышение давления секции. Поэтому основным недостатком описанного насоса является его низкий напор при перекачивании газожидкостной смеси с высокой концентрацией свободного газа, что обусловлено низкой эффективностью диспергации смеси во входном пакете ступеней насоса.It is believed that high-performance stages pass relatively large volumes of undissolved gas, gradually compressing the gas and supplying a gas-liquid mixture with a lower concentration of free gas to the next package of lower-performance stages, thereby ensuring more stable operation of the "conical" pump section with gas compared to conventional centrifugal the pump. However, in borehole conditions (at an inlet pressure P _in about 30-50 atm), the first stages cannot compress gas, because the pressure they develop is much less than P _in . Only after the gas-liquid mixture is brought to the state of quasihomogeneous emulsion, each subsequent stage of the pump can contribute to increasing the pressure of the section. Therefore, the main disadvantage of the described pump is its low pressure when pumping a gas-liquid mixture with a high concentration of free gas, which is due to the low efficiency of the dispersion of the mixture in the inlet package of the pump stages.

Задачей предлагаемого изобретения является создание погружного насоса для перекачки газожидкостных смесей, способного эффективно работать и развивать высокий напор в широком диапазоне концентраций нерастворенного газа в смеси.The objective of the invention is the creation of a submersible pump for pumping gas-liquid mixtures, capable of working efficiently and developing a high head in a wide range of concentrations of undissolved gas in the mixture.

Поставленная цель достигается тем, что в насосе для работы на газожидкостной смеси, состоящем из корпуса, внутри которого размещены пакеты ступеней различного типа, содержащие направляющие аппараты и рабочие колеса, насаженные на вал и вращающиеся вместе с ним, согласно изобретению в первом на входе в насос пакете размещают осевые ступени, каждая из которых содержит направляющий аппарат и рабочее колесо со спиральными лопастями, следующий пакет ступеней представляет собой диспергатор, состоящий из статоров-втулок и роторов-винтов, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины, далее последовательно размещены пакет переходных ступеней и пакеты со ступенями основного насоса центробежного типа, при этом ширина проточных каналов переходных ступеней близка к ширине проточных каналов ступеней основного насоса.This goal is achieved by the fact that in the pump for working on a gas-liquid mixture, consisting of a housing, inside which packages of steps of various types are placed, containing guide vanes and impellers mounted on the shaft and rotating with it, according to the invention, in the first at the pump inlet axial steps are placed in the package, each of which contains a guiding apparatus and an impeller with spiral blades, the next stage package is a disperser, consisting of stator bushings and rotor screws, I have on their surfaces interfacing projections and depressions, more sequentially arranged package bags and transitional stages with the stages of the main pump of the centrifugal type, wherein the width of the flow channels of transitional stages close to the width of the flow channels of the main pump stages.

В качестве переходных ступеней могут быть использованы центробежные ступени, в которых рабочие колеса выполнены без нижнего диска или бездисковыми.As transition steps, centrifugal steps in which the impellers are made without a lower disk or diskless can be used.

Кроме того, рабочие колеса в пакете осевых ступеней могут быть выполнены с диспергирующими отверстиями в спиральных лопастях.In addition, the impellers in the axial stage package can be made with dispersing holes in the spiral blades.

Поскольку уровень дисперсности газожидкостной смеси, необходимый для устойчивой работы насосных ступеней, напрямую связан шириной проточного канала - чем уже канал, тем выше должна быть степень дисперсности поступающей смеси, - то использование четырех различных блоков ступеней: напорного, диспергирующего, переходного и основного, размещенных в указанном порядке с уменьшающейся шириной проточных каналов, когда максимально широкие каналы в ступенях осевого типа переходят в узкие каналы ступеней основного центробежного насоса, позволяет последовательно в каждом из пакетов усиливать степень диспергации газовых пузырей в смеси, передавать ее в следующий пакет ступеней с минимальными потерями и достичь такого уровня дисперсности, который необходим для устойчивой работы основного насоса, когда повышение давления происходит во всех его ступенях.Since the dispersion level of the gas-liquid mixture necessary for the stable operation of the pump stages is directly related to the width of the flow channel — the narrower the channel, the higher the degree of dispersion of the incoming mixture — the use of four different stage blocks: pressure, dispersing, transitional and main, placed in in the indicated order with decreasing width of the flow channels, when the widest channels in the axial-type steps pass into the narrow channels of the main centrifugal pump stages, allowing sequentially in each of the packages reinforce the degree of dispersion of gas bubbles in the mixture to pass it to the next stages with minimal packet loss and achieve a level of dispersion, which is required for stable operation of the primary pump when the pressure increase occurs in all its stages.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом насоса. Насос для перекачки газожидкостной смеси содержит последовательно расположенные пакеты ступеней различных типов, насаженные на вал 1 с возможностью вращения. На входе в насос размещен пакет I осевых ступеней, состоящий из рабочих колес 2 и направляющих аппаратов 3 осевого типа, представляющий собой напорный блок. Рабочие колеса 2 имеют спиральные лопасти, на входных кромках которых могут быть выполнены сквозные отверстия для предварительной диспергации потока смеси, как описано в патенте РФ №2428588. Над напорным блоком размещен следующий пакет II - диспергатор в виде диспергирующих ступеней, состоящих из роторов-винтов 4 и статоров-втулок 5, имеющих на поверхностях сопряжения выступы и впадины. Проточные каналы в ступенях пакета II заметно ýже, чем в предыдущем, что позволяет добиться более мелкой диспергации газовых пузырьков в смеси. Далее размещен пакет III переходных ступеней, в качестве которых могут использоваться ступени с центробежным рабочим колесом без нижнего диска 6 и центробежным направляющим аппаратом 7, в соответствии с патентом на ПМ №133215 РФ, либо ступени с бездисковым рабочим колесом. За ним следует пакет IV ступеней основного насоса центробежного типа. Переходные ступени в пакете III и ступени основного насоса пакета IV выполнены с одинаковой шириной проточных каналов.The essence of the invention is illustrated by a drawing of the pump. The pump for pumping a gas-liquid mixture contains sequentially located packages of stages of various types, mounted on the shaft 1 with the possibility of rotation. At the inlet to the pump is placed a package of I axial stages, consisting of impellers 2 and axial guide devices 3, which is a pressure unit. The impellers 2 have spiral blades, on the inlet edges of which through holes can be made for preliminary dispersion of the mixture flow, as described in RF patent No. 2428588. Above the pressure unit, the next package II is placed - a dispersant in the form of dispersing steps, consisting of rotor-screws 4 and stator-bushings 5, having protrusions and depressions on the interface surfaces. The flow channels in the steps of package II are noticeably narrower than in the previous one, which allows for finer dispersion of gas bubbles in the mixture. Next is a package of III transitional stages, which can be used as a stage with a centrifugal impeller without a lower disk 6 and a centrifugal guide vane 7, in accordance with the patent for PM No. 133215 of the Russian Federation, or a stage with a diskless impeller. It is followed by a package of IV stages of the main centrifugal pump type. The transition stages in package III and the stages of the main pump of package IV are made with the same width of the flow channels.

Насос работает следующим образом.The pump operates as follows.

Газожидкостная смесь через узел подвода поступает в рабочее колесо пакета I, в котором сжимается и диспергируется в каждой из его осевых ступеней. В результате объем газа уменьшается, происходит увеличение его упругости и измельчение газовых пузырьков, что повышает устойчивость работы следующей ступени. Спиральная форма лопастей осевых ступеней позволяет избежать образования неподвижных вихрей, являющихся ловушками для газовых пузырьков, что исключает возможность образования неподвижных газовых пробок и срыва подачи. Наличие отверстий на лопастях рабочего колеса 2 способствует дополнительному измельчению газовых пузырьков, попадающих в проточные каналы вместе с пластовой жидкостью. Далее поток поступает в направляющий аппарат 3, неподвижные лопасти которого спрофилированы так, чтобы минимизировать потери энергии на их обтекание и одновременно максимально погасить закрутку потока перед входом в следующую ступень, конструкция которой полностью повторяет предыдущую. Количество ступеней пакета I подбирается таким, чтобы создать прокачку потока смеси через пакет II.The gas-liquid mixture through the supply unit enters the impeller of package I, in which it is compressed and dispersed in each of its axial stages. As a result, the volume of the gas decreases, there is an increase in its elasticity and grinding of gas bubbles, which increases the stability of the next stage. The spiral shape of the blades of the axial steps allows you to avoid the formation of fixed vortices, which are traps for gas bubbles, which eliminates the possibility of the formation of stationary gas plugs and disruption of supply. The presence of holes on the blades of the impeller 2 contributes to the additional grinding of gas bubbles falling into the flow channels along with the reservoir fluid. Next, the flow enters the guiding apparatus 3, the fixed blades of which are profiled so as to minimize the energy loss on their flow and at the same time to extinguish the maximum swirl of the flow before entering the next stage, the design of which completely repeats the previous one. The number of stages of the package I is selected so as to create a pumping flow of the mixture through the package II.

После прохождения через напорный блок газожидкостная смесь под давлением подается на ступени диспергатора II, где подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами роторов-винтов 4 и статоров-втулок 5, происходит дополнительное повышение давления в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размера газовых пузырьков, а также к уменьшению объемного содержания газа в смеси.After passing through the pressure unit, the gas-liquid mixture is supplied under pressure to the steps of dispersant II, where it is subjected to more intensive grinding. Due to the semicircular shape of the helical grooves formed by the protrusions and depressions of the rotor screws 4 and the stator sleeves 5, there is an additional increase in pressure in the gas-liquid mixture, which leads to an even stronger reduction in the size of gas bubbles, as well as to a decrease in the volumetric gas content in the mixture.

Далее смесь с измельченными газовыми пузырьками поступает в пакет III переходных ступеней, где на открытых кромках рабочего колеса 6 продолжает диспергироваться до уровня, необходимого для удовлетворительной работы основного насоса. В результате в ступени основного насоса поступает хорошо диспергированная однородная газожидкостная смесь, обеспечивающая устойчивую работу и повышение давления в каждой ступени основного насоса.Next, the mixture with crushed gas bubbles enters the package III transitional stages, where on the open edges of the impeller 6 continues to disperse to the level necessary for satisfactory operation of the main pump. As a result, a well-dispersed homogeneous gas-liquid mixture enters the main pump stage, which ensures stable operation and pressure increase in each stage of the main pump.

Предлагаемая конструкция имеет явные преимущества по сравнению с традиционными компоновками, состоящими из предвключенного модуля и основного насоса. Обычно предвключенное устройство собирается в виде отдельного модуля, устанавливаемого перед нижней секцией основного насоса. В этом случае эмульсия, приготовленная в предвключенном устройстве, перетекает в основной насос через межсекционный промежуток, имеющий некоторую протяженность и вращающиеся детали в виде вала и соединительных муфт, закручивающих поток. Закрутка потока в безлопаточном канале вызывает разделение компонентов газожидкостной смеси на фазы, способствует укрупнению газовых пузырьков и ухудшению дисперсности, частично возвращая состояние, в котором находилась смесь до прохождения предвключенного устройства. В лучшем случае это приводит к снижению устойчивости работы установки в целом, в худшем - к срыву подачи. Поэтому отсутствие дополнительных стыковочных межсекционных соединений между пакетами специализированных ступеней повышает эффективность диспергации газожидкостной смеси и приводит в итоге к сохранению и повышению напора насосной секции.The proposed design has clear advantages over traditional configurations consisting of an upstream module and a main pump. Usually, the upstream device is assembled as a separate module installed in front of the lower section of the main pump. In this case, the emulsion prepared in the upstream device flows into the main pump through an intersectional gap having a certain length and rotating parts in the form of a shaft and couplings that twist the flow. The swirling of the flow in the bladeless channel causes the separation of the components of the gas-liquid mixture into phases, contributes to the enlargement of gas bubbles and deterioration of dispersion, partially returning the state in which the mixture was before passing through the upstream device. In the best case, this leads to a decrease in the stability of the installation as a whole, in the worst - to a failure of the feed. Therefore, the absence of additional connecting intersectional connections between the packages of specialized stages increases the dispersion efficiency of the gas-liquid mixture and ultimately leads to the preservation and increase of the pressure of the pump section.

Claims

1. A pump for pumping a gas-liquid mixture, comprising a housing, inside which packages of steps of various types are placed, consisting of guiding devices and impellers mounted on a shaft and rotating with it, characterized in that a package with axial steps is installed at the pump inlet, containing guiding devices and impellers with spiral blades, over which a dispersant is located, made in the form of stator sleeves and rotors having protrusions and depressions on the mating surfaces, then sequentially placed You have a package of transitional stages and packages with stages of the main centrifugal pump type, while the width of the flow channels of the transitional stages is close to the width of the flow channels of the stages of the main pump.

2. The pump according to claim 1, characterized in that the package of transitional stages is equipped with centrifugal stages with impellers without a lower disk.

3. The pump according to claim 1, characterized in that the package of transitional stages is equipped with centrifugal stages with diskless impellers.

4. The pump according to claim 1, characterized in that the impellers in the package of axial stages are made with dispersing holes in the spiral blades.