НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ПОГРУЖНОГО НАСОСА МАЛОГО ГАБАРИТА

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для погружных насосов малых габаритов.
Известные конструкции направляющих аппаратов погружных насосов, состоящие из стакана, верхнего и нижнего дисков с лопатками между ними, образующими проточные каналы [Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Энциклопедический справочник лопастных насосов для добычи нефти и их применение, Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, С. 79-94] имеют диаметры от 75 мм и выше, что соответствует насосам с наружным диаметром от 90 мм. Методики разработки таких направляющих аппаратов основаны на базе данных экспериментальных исследований насосов указанного габарита, рассчитанных на частоту вращения 2910 об/мин. Известно также центробежные погружные насосы, применяемые в скважинах малого габарита [Патент 109513 РФ, опубл. 20.10.2011, БИ №29] и имеющие диаметр 69 мм.
Недостаток данных направляющих аппаратов состоит в том, что из-за отсутствия оптимизации их геометрических размеров под сверхмалые габариты насосов, в том числе насосы с наружным диаметром корпуса 55±2 мм, они не могут эксплуатировать в скважинах малого диаметра менее 89 мм.
3
Задачей настоящей полезной модели является разработка направляющего аппарата с соотношением размеров позволяющих получить оптимальные характеристики погружных насосов (напор, КПД) при малых диаметральных размерах корпуса насоса и оптимальной подаче рабочей жидкости 30 м/сут, пересчитанной на частоту вращения 2910 об/мин.
Указанный технический результат достигается тем, что в направляющем аппарате погружного насоса малого габарита, содержащим стакан, верхний и нижний диски с лопатками между ними, образующие проточные каналы, согласно полезной модели, корпус насоса исполнен с наружным диаметром 55±2 мм, а внешний диаметр нижнего диска равен 0,62±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса.
Внутренняя поверхность верхнего диска, обращенная в сторону проточного канала, может быть выполнена конической с образованием наклона к нижнему диску, равного 3-10°.
Конструкция центробежных насосов известна многие десятилетия, но проектированием и изготовлением насосов малых габаритов (менее 75 мм наружного диаметра) не занимались в силу технологических ограничений и отсутствия методики проектирования насосов малых габаритов. Потребность проектирования таких насосов вызвана необходимостью эксплуатации скважин сверхмалых диаметров, скважин с сужением сечения после ремонта, скважин со сквозными отверстиями в обсадной колонне. Насосы малого габарита позволяют осуществлять эксплуатацию таких скважин.
Малый габарит насоса характеризуется тем, что напор, развиваемый одной ступенью, мал в сравнении с насосами больших габаритов на общепринятой в нефтяной промышленности частоте вращения 2910 об/мин. Для получения приемлемых характеристик таких насосов, а именно напора, необходимо эксплуатировать такие насосы на высоких частотах вращения в диапазоне 6000-10000 об/мин. Изменение частоты вращения влечет за собой изменение характера течения жидкости в проточной полости насоса, в частности изменяется течение жидкости между лопатками, что требует более четкого подбора параметров направляющих аппаратов при проектировании.
Очевидно, что использование геометрических размеров ступеней, масштабированных с насосов большего размера, не представляется возможным.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема направляющего аппарата, а на фиг. 2 показаны характеристики ступеней с направляющими аппаратами, имеющими заявляемые габариты.
НД
3
3
Направляющий аппарат состоит из стакана 1, верхнего диска 2, лопаток 3 криволинейной формы и нижнего диска 4. В нижнем диске 4 есть отверстие 5 для прохода вала (на фиг. не показан). На верхнем диске 2 есть опорный бурт 6, который является парой трения для рабочего колеса, расположенного в полости направляющего аппарата (на фиг. не показано). Направляющий аппарат размещается в корпусе насоса с наружным диаметром 55±2 мм, при этом внешний диаметр нижнего диска 4 (D) равен 0,62±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса. Предлагаемое соотношение геометрических размеров направляющего аппарата определяет оптимальную подачу ступени (подача с максимальным КПД). При меньшем размере нижнего диска оптимальная подача сместится правее от 30 м/сут, при большем размере диска - левее от 30 м/сут.
НД
лоп
В частности, от внешнего диаметра нижнего диска 4 (D) зависят максимальная и оптимальная подача ступени. Внутренний диаметр лопаток 3 (d) влияет на гидравлические потери и на КПД, поэтому внутренний диаметр лопаток 3 должен составлять 0,34±0,09 от наружного диаметра корпуса насоса.
ст
Внутренний диаметр стакана 1(d) зависит от минимально возможной толщины стенок направляющего аппарата, которые должны выдерживать сжимающую нагрузку. Поэтому необходимо использовать стакан 1 с внутренним диаметром, равным 0,72±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса.
НД
У нижнего диска 4 внутренний диаметр d (определяет диаметр вала, который ограничивает внутренние размеры проточных каналов, влияющие на характеристики ступени. Внутренний диаметр нижнего диска 4 должен быть равен 0,25±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса.
ВД
бурт
Внутренний диаметр верхнего диска 2 d влияет на номинальную подачу насоса и его КПД, к тому же этот диаметр и внешний диаметр бурта 6 определяют площадь трения осевого подшипника ступени, что также влияет на КПД насоса. Внутренний диаметр верхнего диска 2 должен быть равен 0,42±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса. Внешний диаметр бурта 6 (D) должен быть равен 0,51±0,05 от наружного диаметра корпуса насоса.
Кроме этого, на характеристики насоса влияет наклон стенок каналов а между верхним 2 и нижним 4 дисками направляющего аппарата. Максимальный КПД достижим при наклоне стенок 3-10°.
Для снижения осевой силы, износа и повышения напора насоса на верхнем 2 и нижнем 4 дисках направляющего аппарата могут быть выполнены выступы 7.
лоп
Для формирования наиболее рациональной формы проточных каналов, ограниченных лопатками 3, верхним 2 и нижним 4 дисками, высота лопаток 3 (h) должна быть в пределах 0,05 до 0,11 от наружного диаметра корпуса насоса. Лопатки направляющего аппарата имеют криволинейную форму, полученную расчетным путем.
На внешней поверхности верхнего диска направляющего аппарата могут быть размещены лопатки или выступы для снижения скорости гидроабразивного износа верхнего диска и стакана направляющего аппарата.
Установка работает следующим образом.
Пластовая жидкость, обтекая нижний диск 4, попадает в каналы, образованные между лопатками 3, верхним 2 и нижним 4 дисками, движется в центральную часть ступени, обтекает верхний диск 2 и движется вдоль стакана 1.
3
Вышеуказанное соотношение размеров направляющего аппарата было выбрано в ходе проведенных исследований и позволяет достичь максимального значения КПД насосной установки при оптимальной подаче 30 м/сут, пересчитанной на 2910 об/мин.
3
3
На фиг. 2 приведены характеристики одной ступени насоса с наружным диаметром 55 мм, в которой нижний диск направляющего аппарата выполнен с внешним диаметром 34 мм и с соотношением остальных габаритных размерах в заявляемых пределах. Из графиков видно, что при оптимальной подаче 30 м/сут достигается точка максимального КПД. Значение КПД при подаче 30 м/сут, равное 60%, является высоким результатом для любого габарита насоса, в том числе и для малых г абаритов.
Кроме перечисленных, возможны различные соотношения формы и размеров других элементов направляющего аппарата и насоса, оказывающих влияние на характеристику насоса, но не изменяющих заявляемых соотношений размеров направляющего аппарата.