ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС
DOWNHOLE MULTI-STAGE PUMP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости.
Проведение гидроразрыва нефтяного пласта с последующим созданием повышенных депрессий при эксплуатации залежей с пластовыми давлениями, близкими к давлению насыщения нефти газом, предполагает эксплуатацию скважин при забойном давлении равном или ниже давления насыщения. При таком давлении в призабойной зоне происходит выделение газа из нефти с образованием газожидкостной эмульсии повышенной вязкости, значительно осложняющей работу насоса.
Пониженное давление на приеме насоса интенсифицирует разгазирование нефти, увеличивая вязкость газожидкостной смеси, что приводит к неустойчивой работе насоса, срыву подачи, росту количества отказов и соответственно к уменьшению межремонтного периода.
Увеличение глубины спуска насоса под динамический уровень, используемое в нефтепромысловой практике для исключения попадания газа в насос, сопровождается значительным увеличением капитальных и эксплуатационных затрат.
Кроме того, причинами отказов насоса и уменьшения межремонтного периода являются такие факторы, как увеличение содержания в перекачиваемой газожидкостной смеси техногенных механических примесей, таких как продукты коррозии, проппант, увеличение интенсивности отложения солей и минералов, асфальто-смоло-парафиновых отложений, приводящих к интенсивному засорению и износу рабочих элементов насоса, увеличению дисбаланса, усиливающего вибрацию ротора насоса.
Известна ступень центробежного скважинного насоса (пат. RU №2196253, публ. 2003.01.10), содержащая направляющий аппарат и установленное в нем рабочее колесо. Для увеличения надежности работы насоса путем повышения устойчивости и однородности структуры перекачиваемой насосом газожидкостной смеси на нижней поверхности нижнего диска направляющего аппарата выполнены нижние ребра, а на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены дополнительные ребра. Между основаниями открытых лопастей на ведущем диске рабочего колеса выполнены отверстия. Конструкция ступени позволяет повысить качество дробления газовых пузырей и грязевых включений.
Недостатком конструкции является значительное увеличение гидравлических потерь напора, вызванное наличием отверстий на диске рабочего колеса и дополнительных ребер, расположенных в потоке перекачиваемой газожидкостной смеси.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому насосу конструкции является погружной центробежный насос для добычи нефти (пат. №2303167, публ. 2007.07.20), содержащий ступени, включающие направляющий аппарат и рабочее колесо. Направляющий аппарат ступеней содержит корпус и крышку с обратными лопатками. На периферийном сечении крышки направляющего аппарата выполнены одна и более кольцевых щели или отдельные секторные кольцевые щели между лопатками. Под действием градиента давления жидкости в полостях, разделяемых крышкой направляющего аппарата, происходит перетекание жидкости из полости над крышкой в полость под крышкой. При этом снижается величина отрицательной осевой силы, действующей в направлении всасывания, и тем самым уменьшается износ осевой опоры колеса и направляющего аппарата.
Недостатком конструкции является увеличение гидравлических потерь, обусловленное щелями в крышке направляющего аппарата, находящимися в потоке перекачиваемой газожидкостной смеси.
При высоком газосодержании перекачиваемой газожидкостной смеси выделение газовой фазы из нее в начальных ступенях насоса, работающих при пониженных давлениях, повышает вязкость газожидкостной смеси и осложняет работу насоса. Градиент давления жидкости в полостях, разделяемых крышкой направляющего аппарата, незначительно повышает давление в полостях насоса с пониженным давлением, в частности на входе в насос, для эффективного снижения выделения газовой фазы.
Целью изобретения является повышение надежности работы насоса при высоком газосодержании перекачиваемой газожидкостной смеси, достигаемое снижением выделения газовой фазы из перекачиваемой газожидкостной смеси, а также за счет уменьшения веса и повышения износокоррозионной стойкости направляющего аппарата.
Для достижения цели в погружном многоступенчатом насосе, содержащем ступени насоса с рабочими колесами и направляющими аппаратами, включающими корпус и крышку с обратными лопатками, на наружных поверхностях корпусов направляющих аппаратов последовательно расположенных, по меньшей мере, двух начальных ступеней выполнены каналы, соединяющие полость между крышкой и корпусом направляющего аппарата одной ступени с полостью между крышкой и корпусом направляющего аппарата соседней ступени.
Преимущественно в погружном многоступенчатом насосе направляющие аппараты выполнены из оксидированного композиционного материала на основе алюминия.
Выполнение на наружных поверхностях корпусов направляющих аппаратов каналов, соединяющих полость между крышкой и корпусом направляющего аппарата одной ступени с полостью между крышкой и корпусом направляющего аппарата соседней ступени, позволяет увеличить давление на входе в направляющий аппарат нижестоящей ступени пропорционально градиенту давлений на входах этих ступеней. Необходимое количество ступеней, на наружной поверхности направляющих аппаратов которых выполнены каналы, определяется из условия создания давления на входе направляющего аппарата первой ступени, равного или выше давления насыщения, что позволяет значительно снизить газовыделение из перекачиваемой газожидкостной смеси и соответственно рост ее вязкости, тем самым стабилизировать работу насоса и увеличить межремонтный период.
Каналы для перетекания газожидкостной смеси, выполненные на наружных поверхностях корпусов направляющих аппаратов, расположены вне потока перекачиваемой газожидкостной смеси и создают меньшие гидравлические потери по сравнению с отверстиями, выполненными в рабочих колесах или крышках направляющих аппаратов, которые расположены в потоке перекачиваемой газожидкостной смеси.
Направляющие аппараты, выполненные из оксидированного композиционного материала на основе алюминия, отличаются малым весом и высокой износокоррозионной стойкостью, что снижает дисбаланс конструкции и повышает надежность насоса.
На фиг.1 представлен продольный разрез ступеней насоса. На фиг.2 представлено поперечное сечение ступени насоса с каналами на наружной поверхности направляющего аппарата.
Погружной многоступенчатый насос содержит ступени с рабочими колесами 1, расположенными в направляющих аппаратах (фиг.1). Направляющий аппарат состоит из корпуса 2 и крышки 3 с обратными лопатками 4. На наружной поверхности корпусов 2 направляющих аппаратов ступеней выполнены каналы 5, соединяющие полость 6 между крышкой 3 и корпусом 2 направляющего аппарата одной ступени с полостью 7 между крышкой 3 и корпусом 2 направляющего аппарата соседней ступени (фиг.1, 2).
При работе насоса перекачиваемая газожидкостная смесь по каналам 5 перетекает из полости 6 на входе в направляющий аппарат вышестоящей ступени в полость 7 на входе в направляющий аппарат нижестоящей ступени под действием градиента давлений в полостях 6 и 7. При этом давление в полости 7 на входе в направляющий аппарат нижестоящей ступени увеличивается пропорционально градиенту давлений в полостях 6 и 7 на входах вышестоящей и нижестоящей ступеней. При выполнении каналов 5 в нескольких ступенях происходит повышение давления на входе в каждую нижестоящую ступень. Количество начальных ступеней насоса, на наружных поверхностях которых выполнены каналы 5, определяется из условия достижения давления на входе в насос, значение которого равно или превышает давление насыщения, что приводит к значительному снижению газовыделения и повышению устойчивости работы насоса.
Корпус 2 и крышка 3 с обратными лопатками 4 направляющего аппарата выполнены из композиционного материала на основе алюминия методом магнитной формовки и отличаются небольшим весом, высокой точностью изготовления и чистотой поверхности проточных каналов (а.с. СССР №1537352, патент РФ №2015791). Повышенная износостойкость осевых и радиальных опорных поверхностей направляющего аппарата, а также коррозионная стойкость всей поверхности направляющего аппарата достигается микродуговым оксидированием - созданием на поверхности деталей из компопозиционных материалов на основе алюминия износостойких и коррозионно-стойких слоев, повышающих микротвердость поверхности (патенты РФ №2199613, №2006145487, №2250937).
3
Испытания предлагаемого многоступенчатого погружного насоса проводились на скважине 2874 Ижевского месторождения, расположенного на территории Удмуртской республики. Основным объектом разработки месторождения был Кыновский горизонт. Газовый фактор имел величину 29,02 м/т. Для откачки пластовой жидкости в скважине использована установка электрическая центробежная насосная ЭЦН - 45 - 1900. Промысловые исследования показали, что напорные характеристики насоса в значительной мере зависят от величины газосодержания на приеме насоса. При увеличении газосодержания до 20% напор уменьшается, а при газосодержании более 30% наблюдается срыв подачи насоса.
При очередном подземном ремонте скважины была произведена замена насоса на аналогичный насос, в приемном модуле которого первые 4 ступени были заменены на ступени, выполненные в соответствии с предлагаемым решением.
Направляющий аппарат был выполнен из алюминиевого сплава Ал-9. При проектировании деталей отливок на наружной поверхности корпуса направляющего аппарата был предусмотрен проточный канал. Корпус и крышка с обратными лопатками, являющимися деталями направляющего аппарата, были изготовлены методом магнитной формовки на опытной установке, принадлежащей предприятию ОАО «Ижевский мотозавод». Нанесение износо- и коррозионно-стойкого покрытия было произведено методом микродугового оксидирования на опытной установке, принадлежащей Институту неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН.
При сборке приемного модуля многоступенчатого погружного насоса ЭЦН - 45 - 1900 проточные каналы направляющих аппаратов были совмещены.
При проведении испытаний было выявлено, что устойчивость работы насоса не снижается при его погружении под динамический уровень на меньшие глубины, чем необходимые при добыче жидкости с высоким газосодержанием, что значительно уменьшило эксплуатационные затраты.
По итогам проведенных испытаний было установлено, что межремонтный период увеличился на 35%.