ВХОДНОЙ МОДУЛЬ ФИЛЬТРАЦИИ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к насосостроению и может быть использована, в частности, в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для предотвращения выноса механических примесей с извлекаемой пластовой жидкостью.
Из уровня техники известен фильтрующий модуль (патент РФ на полезную модель №120999, МПК E21B 43/08, опубл. 10.10.2012), содержащий фильтрующий модуль, выполненный в виде перфорированной цилиндрической трубы с радиальными отверстиями, который снабжен, по меньшей мере, одним центральным и двумя периферийными подшипниками скольжения, фиксировано установленными в осевом направлении между валом и внутренней поверхностью корпуса с возможностью вращения в них вала. При этом количество отверстий, диаметром 8-30 мм, выполнено в количестве, обеспечивающем проходную площадь 0,5-5% от площади цилиндрической трубы. Фильтрующий модуль снабжен центратором и устройством для оптимального сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении. Центратор выполнен в виде цилиндрической решетки «беличьего колеса» и содержит две втулки, жестко связанные между собой продольными дискретно установленными стержнями, и расположен коаксиально между корпусом и фильтрующим элементом с примыканием втулок к цилиндрическим поверхностям корпуса и фильтрующего элемента в обеих торцевых зонах, а зазор между корпусом и фильтрующим элементом образован в промежутках между стержнями. Фильтрующий элемент установлен коаксиально с корпусом снаружи его, по всей ее длине, с перекрытием радиальных отверстий корпуса и с образованием между ними радиального зазора. Фильтрующий элемент состоит, по меньшей мере, из одного блока автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок, снабженных торцевыми кольцевыми наконечниками. Втулки и наконечники жестко связаны между собой, выполнены заподлицо с фильтрующей поверхностью и последовательно установлены вдоль корпуса с плотным примыканием друг к другу торцами торцевых кольцевых наконечников, выполненных с взаимно сопряженным профилем.
Недостатками известной конструкции являются:
- технологическая сложность, трудоемкость изготовления большого количества (несколько сотен) радиальных отверстий в круглой трубе с последующим удалением заусенцев внутри трубы для прохода опор подшипников;
- на опорах подшипников установлены резиновые кольца, которые проходя через острые кромки большого количества радиальных отверстий, имеют возможность быть срезанными, тем самым уменьшая степень фиксации опор подшипников в корпусе. При этом отсутствует возможность контроля целостности резиновых колец в собранном изделии;
- поток пластовой жидкости проходит в непосредственной близости от зоны пар трения подшипников скольжения, что увеличивает вероятность попадания в подшипники посторонних твердых мелкодисперсных частиц, ведущих к разрушению подшипников, увеличению вибрации и разрушению вала фильтрующего модуля и всей УЭЦН;
- резкое, переменное сечение протоки через осевые каналы опор подшипников, что является существенным местным гидравлическим сопротивлением: резкое сужение канала - увеличение скорости потока жидкости, затем резкое расширение - торможение потока. При этом данное гидравлическое сопротивление повторяется многократно вдоль всего корпуса модуля;
- отсутствие описания конструкции, графического изображения, принципа действия и места расположения перепускного клапана в составе модуля на случай полного засорения фильтроэлементов;
- втулки центраторов типа «беличьего колеса» не позволяют потоку пластовой жидкости двигаться вдоль наружной поверхности корпуса и частично перекрывают протоку через фильтроэлементы.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности является входной модуль погружного насосного агрегата с щелевым фильтром, содержащий корпус, соединенные с ним соответственно снизу и сверху основание и головку, размещенный в полости корпуса на подшипниках вал, передающий вращение от электродвигателя к насосу и фильтроэлементы. Полость, образованная между цилиндрическим корпусом и щелевым фильтроэлементом, соединена с выходом из модуля посредством каналов, выполненных в головке, при этом в резьбовых патрубках и в корпусах промежуточных подшипников выполнены радиальные отверстия для подвода жидкости для охлаждения и смазки подшипников (патент РФ на полезную модель №107295, МПК F04D 13/10, опубл. 19.01.2011).
Недостатками известного входного модуля являются:
- наличие большого количества промежуточных резьбовых патрубков, связывающих между собой подшипники модуля. Каждый посадочный центрирующий поясок корпусов промежуточных подшипников и промежуточных резьбовых патрубков выполняется с определенным допуском на биение. В результате многоразового повторения и вероятностного суммирования этих геометрических отклонений общее биение одного конца вала по отношению к другому может достигнуть критического значения отклонения от прямолинейности корпуса, а вместе с ним и вала, что критично при высокой (до 3.600 об/минут) частоте вращения вала;
- невозможность проконтролировать отклонение от прямолинейности общей оси сборного корпуса модуля, в то время, когда общепринятый допуск на отклонение от прямолинейности вала находится в жестких пределах 0…0,05 мм на 1 м длины вала;
- резкое, переменное сечение протоки через осевые каналы опор подшипников, что является существенным местным гидравлическим сопротивлением: резкое сужение канала - увеличение скорости потока жидкости, затем резкое расширение - торможение потока. При этом данное гидравлическое сопротивление повторяется многократно вдоль всего корпуса модуля;
- наличие местных гидравлических сопротивлений в осевых каналах опор подшипников способствует изменению характера потока внутри модуля от ламинарного к турбулентному, который в свою очередь способствует попаданию мелкодисперсных твердых частиц через радиальные отверстия в промежуточных резьбовых патрубках в зону подшипников скольжения и преждевременному их износу;
- наличие радиальных отверстий в промежуточных резьбовых патрубках приводит в момент остановки работы насоса к осаждению шлама из пластовой жидкости, в том числе и в зону радиального подшипника особенно нижнего основания многосекционного модуля;
- отсутствие предохранительного клапана в составе модуля на случай полного засорения фильтроэлемента, что приведет к срыву подачи пластовой жидкости и необходимости подъема насосной установки из скважины;
- отсутствие защиты фильтроэлемента от непосредственного механического контакта с внутренними стенками и стыками искривленной обсадной трубы и возможного разрушения и забивания ржавчиной фильтроэлемента при спуско-подъемных операциях;
- отсутствие жестких элементов в средней части модуля, не спрятанных под пористый фильтроэлемент, что не позволяет при испытаниях фильтра на обкаточном стенде замерить уровень вибрации в подшипниках модуля;
- отсутствие центраторов фильтра относительно внутреннего диаметра обсадной колонны, что может привести к перекрыванию пор фильтролемента стенками обсадной колонны.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание надежной конструкции входного модуля фильтрации погружного электроцентробежного насоса, обеспечивающей повышение срока службы УЭЦН при работе в условиях высоких статических давлений и температуры, а так же химической агрессивности и механической загрязненности твердыми частицами пластовой жидкости.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в повышении эксплуатационной надежности УЭЦН при работе в осложненных условиях за счет улучшения качества фильтрации, исключения отложения механических примесей в кольцевой полости между корпусом и фильтром.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что во входном модуле фильтрации погружного электроцентробежного насоса, содержащем корпус, соединенные с ним соответственно снизу и сверху основание и головку, размещенный в полости корпуса на подшипниках вал, передающий вращение от электродвигателя к насосу и фильтроэлементы, корпус выполнен в виде сварной конструкции, включающей цилиндрическую трубу с равномерно размещенными, продольно расположенными по ее наружной поверхности стержнями и возможностью обеспечения протока пластовой жидкости по продольным с постоянным сечением каналам, образованным наружной поверхностью трубы корпуса, образующими стержней и внутренней образующей фильтроэлементов.
Кроме того, труба корпуса выполнена калиброванной по внутреннему диаметру с допуском 0…0,12 мм с возможностью обеспечения более плотной посадки неподвижных опор подшипников внутри корпуса, Кроме того, труба корпуса выполнена калиброванной по прямолинейности корпуса с допуском не более 0,15 мм на 1 м длины последнего с возможностью обеспечения прямолинейности оси вала.
Кроме того, неподвижные опоры подшипников зафиксированы в осевом направлении втулками, а от проворота внутри корпуса - резиновыми кольцами.
Кроме того, внутри неподвижных опор подшипников выполнены сквозные продольные отверстия диаметром 2…6 мм.
Кроме того, фильтроэлементы размещены между головкой модуля и перфорированной втулкой, снабженной предохранительным клапаном со срезным фиксатором и закрепленной на основании.
Кроме того, фильтроэлементы выполнены с возможностью одинаковой тонкости фильтрации от 100 до 500 мкм.
Кроме того, фильтроэлементы выполнены с возможностью разной тонкости фильтрации: увеличением тонкости фильтрации от головки 100 мкм к основанию 500 мкм.
Кроме того, фильтроэлементы выполнены в виде набора пакетов пористого проволочного материала с необходимой тонкостью фильтрации и снабжены обечайками жесткости.
Кроме того, фильтроэлементы выполнены в виде цилиндрической трубы с щелевыми отверстиями.
Кроме того, на корпус через 300…600 мм установлены стальные кольца, наружный диаметр которых выступает за габарит фильтроэлементов.
Выполнение корпуса входного модуля фильтрования в виде сварной конструкции, включающей цилиндрическую трубу с равномерно размещенными, продольно расположенными по ее наружной поверхности стержнями и возможностью обеспечения протока пластовой жидкости по продольным с постоянным сечением каналам, образованным наружной поверхностью трубы корпуса, образующими стержней и внутренней образующей фильтроэлементов, обеспечивает достаточную прочность корпуса, позволяющую воспринимать вибрацию в пределах 0-40 мм/с и минимальные гидравлические потери.
Выполнение трубы корпуса калиброванной по внутреннему диаметру с допуском 0…0,12 мм с возможностью обеспечения более плотной посадки неподвижных опор подшипников внутри корпуса уменьшает возможную вибрацию входного модуля фильтрации при эксплуатации на частоте вращения вала до 3600 об/мин. Увеличение разброса допуска на диаметр свыше 0,12 мм и по прямолинейности более 0,15 мм на изготовление внутреннего диаметра трубы приведет к увеличению зазора между корпусом и подшипником и заведомому искривление вала, а, следовательно, и к повышенной вибрации изделия.
Выполнение внутри неподвижных опор подшипников сквозные продольных отверстий диаметром 2…6 мм обеспечивает смазку и охлаждение пар трения. Выполнение отверстий менее 2 мм может привести к быстрому заиливанию их, а более 6 мм невозможно из-за размеров подшипников.
Размещение фильтроэлементов между головкой модуля и перфорированной втулкой, снабженной предохранительным клапаном со срезным фиксатором и закрепленной на основании, позволяет продолжать эксплуатировать погружной центробежный электронасос и после полного засорения фильтроэлементов. Наличие предохранительного клапана со срезным фиксатором обеспечивает отсутствие перепада давления потока пластовой жидкости после открытия предохранительного клапана и улучшение условий всасывания погружного электроцентробежного насоса даже в условиях резкого понижения динамического уровня пластовой жидкости в скважине.
Выполнение фильтроэлементов с возможностью разной тонкости фильтрации: увеличением тонкости фильтрации от головки 100 мкм к основанию 500 мкм обеспечивает плавный переход от тонкой к более грубой очистке пластовой жидкости в процессе эксплуатации. Применение тонкости фильтрации менее 100 мкм приведет к быстрому засорению фильтроэлементов, а применение тонкости фильтрации более 500 мкм не требует специальных фильтроэлементов (достаточно простой сетки, что и обычно используется во входных модулях насосов).
Установка на корпус через 300…600 мм стальных колец, наружный диаметр которых выступает за габарит фильтроэлементов, способствует сохранению целостности фильтроэлементов при спуско-подъемных операциях на скважине.
Из уровня техники не выявлены решения, которые имели бы признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого входного модуля фильтрации погружного электроцентробежного насоса, поэтому последний отвечает условию патентоспособности "новизна", а возможность использования в производстве оборудования для предприятий нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии условию "промышленная применимость".
Входной модуль фильтрации погружного электроцентробежного насоса поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид входного модуля, продольный разрез;
- на фиг. 2 то же, разрез А-А.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы устройства для отбора проб жидких продуктов из резервуара обозначены следующими позициями:
1. - корпус;
2. - вал;
3. - радиальный подшипник скольжения;
4. - фильтроэлемент;
5. - головка;
6. - основание;
7. - перфорированная втулка;
8. - предохранительный клапан;
9. - цилиндрическая труба корпуса;
10. - продольный стержень корпуса;
11. - канал;
12. - втулка;
13. - резиновое кольцо;
14. - продольное отверстие;
15. - срезной фиксатор;
16. - кольцо.
Входной модуль фильтрации погружного электроцентробежного насоса содержит корпус 1, соединенные с ним соответственно снизу и сверху основание 6 и головку 5, размещенный в полости корпуса 1 на подшипниках 3 вал 2, передающий вращение от электродвигателя к насосу, и фильтроэлементы 4.
Корпус 1 выполнен из конструкционной или коррозионностойкой стали в виде сварной конструкции, включающей цилиндрическую трубу 9 с равномерно размещенными, продольно расположенными по ее наружной поверхности стержнями 10 и возможностью обеспечения протока пластовой жидкости по продольным с постоянным сечением каналам, образованным наружной поверхностью трубы 9 корпуса, образующими стержней 10 и внутренней образующей фильтроэлементов 4. Цилиндрическая труба 9 корпуса 1 выполнена калиброванной по внутреннему диаметру с допуском 0…0,12 мм с возможностью обеспечения более плотной посадки неподвижных опор подшипников 3 внутри корпуса 1 и калиброванной по прямолинейности корпуса с допуском не более 0,15 мм на 1 м длины последнего с возможностью обеспечения прямолинейности оси вала.
Внутри неподвижных опор подшипников 3 выполнены сквозные продольные отверстия диаметром 2…6 мм. Неподвижные опоры подшипников 3 зафиксированы в осевом направлении втулками 12, а от проворота внутри корпуса - резиновыми кольцами 13.
Фильтроэлементы 4 размещены между головкой 5 модуля и перфорированной втулкой 7, снабженной предохранительным клапаном 8 со срезным фиксатором 15 и закрепленной на основании 6. Фильтроэлементы 4 выполнены с возможностью одинаковой тонкости фильтрации от 100 до 500 мкм или разной тонкости фильтрации: увеличением тонкости фильтрации от головки 5-100 мкм к основанию 6-500 мкм. При этом на корпусе входного модуля фильтрации размещается группа фильтроэлементов с тонкостью фильтрации 100 мкм далее (к основанию) группа фильтроэлементов с тонкостью фильтрации 200 мкм, далее 300 мкм, далее 400 мкм и далее 500 мкм. Т.е. по мере засорения фильтроэлементов с более тонкой фильтрацией постепенно насос переходит на перекачивание менее очищенной пластовой жидкости и в конечном итоге откроется предохранительный клапан и насос будет качать пластовую жидкость с тонкостью фильтрации, определяемой перфорацией втулки клапана.
Фильтроэлементы 4 выполнены в виде набора пакетов пористого проволочного материала (например, спрессованная металлическая проволока-путанка, материал сталь 12X18H10T диаметром от 0,1 до 1 мм) с необходимой тонкостью фильтрации и снабжены обечайками жесткости. Кроме того, фильтроэлементы 4 могут быть выполнены в виде цилиндрической трубы с щелевыми отверстиями.
На корпус 1 через 300…600 мм установлены стальные кольца 16, наружный диаметр которых выступает за габарит фильтроэлементов.
Входной модуль фильтрации погружного электроцентробежного насоса работает следующим образом.
При работе УЭЦН пластовая жидкость за счет перепада давления (разницы давлений, определенных величиной уровня пластовой жидкости в обсадной колонне и давлением всасывания насоса) из затрубного пространства процеживается через фильтроэлементы и далее через продольные каналы 11 (образованные наружной поверхностью трубы 9 корпуса 1, образующими продольных стержней 10 и внутренней образующей фильтроэлементов 4) поступает в наклонные каналы головки 5 входного модуля фильтрации для последующего подвода в электроцентробежный насос. В случае засоренности фильтроэлементов 4 возрастает перепад давления на фильтроэлементах 4 и предохранительном клапане 8. При достижении критического значения перепада давления клапан 8 срезает фиксатор 15 и открывает протоку пластовой жидкости в обход фильтроэлементов 4, при этом тонкость фильтрации определяется размерами каналов перфорированной втулки 7. Отсутствие пружины, возвращающей клапан 8 в закрытое положение, позволяет избежать автоколебаний клапана (пульсации подачи насоса, потребляемой мощности и вибрации установки в целом). Кроме того не подпружиненный клапан имеет минимальное гидравлическое сопротивление, нежели если бы клапан был подпружинен.
Предлагаемый входной модуль фильтрации погружного электроцентробежного насоса имеет простую конструкцию и обеспечивает повышение эксплуатационной надежности УЭЦН при работе в осложненных условиях за счет улучшения качества фильтрации, исключения отложения механических примесей в кольцевой полости между корпусом и фильтром.