ФИЛЬТРУЮЩИЙ ВХОДНОЙ МОДУЛЬ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
FILTER INLET MODULE OF SUBMERSIBLE ELECTRIC CENTROFUGAL PUMP

Область техники
Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в конструкции погружных электроцентробежных насосов для приема и очистки добываемой продукции от механических примесей, а также соединения гидрозащиты и секции насоса с передачей крутящего момента от вала гидрозащиты к валу секции насоса.
Уровень техники
Фильтрующие входные модули широко применяются для защиты погружных центробежных насосов от механических примесей, содержащихся в извлекаемых текучих средах. Конструкции существующих модулей известны, например, из патентов РФ №120999, №185867, №186587, №2551596, №189152, №144286.
В данных устройствах фильтрующий элемент состоит, по меньшей мере, из одного блока автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок, а в качестве фильтрующего материала взят проволочный нетканый материал, или «металлорезина», или спрессованная металлическая путанка, или пористый проницаемый материал, модули снабжены центратором и устройством для оптимального сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении, а также, по меньшей мере, одним центральным и двумя периферийными подшипниками скольжения, фиксированно установленными в осевом направлении между валом и внутренней поверхностью корпуса, могут быть снабжены перепускным клапаном.
Недостатком данных устройств является ограниченная площадь фильтрации боковой поверхности фильтрующих втулок, что приводит к низкому ресурсу фильтра в результате быстрого засорения фильтрационных каналов или росту стоимости изготовления при снижении надежности из-за необходимости увеличения длины фильтра и модуля для сохранения пропускной способности, что особенно критично для скважин с эксплуатационными колоннами малого диаметра, имеющих номинальный диаметр 114 мм и менее и большой кривизной ствола скважины.
Кроме того, недостатком данных устройств является расположение подшипников внутри корпуса с фильтроэлементом, что также ограничивает уменьшение габарита модуля без снижения пропускной способности.
Недостатком данных устройств является также невозможность обеспечить постоянную тонкость фильтрации по всей площади фильтроэлемента, в связи с применением автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок и устройства для сжатия фильтрующего элемента в осевом направлении. Сжатие происходит неравномерно как по блоку втулок, так и по длине самих втулок, что не может обеспечить постоянную тонкость фильтрации, соответственно уменьшает ресурс фильтра из-за преждевременного засорения или не обеспечивает необходимую фильтрацию добываемой жидкости.
Блок автономных сменных кольцевых фильтрующих втулок усложняет процесс сборки и ревизии модуля, требует применения специального стендового оборудования для их ревизии и промывки при сервисном обслуживании, что увеличивает затраты времени и ресурсов.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является устранение недостатков уровня техники, а именно увеличение удельной площади фильтрации, при этом без увеличения длины фильтрующего входного модуля.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности как эксплуатации фильтрующего входного модуля, так и очистки добываемой продукции скважин, оборудованных установками погружных электроцентробежных насосов при уменьшении внешнего диаметра модуля.
Настоящая задача решается, а технический результат достигается при помощи предложенного фильтрующего входного модуля погружного электроцентробежного насоса. Фильтрующий  входной модуль по настоящему изобретению содержит корпус в виде цилиндрической перфорированной трубы с резьбовыми окончаниями, при этом резьбовые окончания выполнены с возможностью резьбового соединения на верхнем конце корпуса с головкой, а на нижнем конце корпуса с переводником или основанием, при этом головка, переводник и основание содержат подшипниковый узел вала, выполненный таким образом, что в установленном состоянии подшипниковый узел расположен вне границ корпуса, при этом на корпусе герметично установлен фильтр, содержащий фильтроэлемент, выполненный из материала, содержащего гофрирование.
Фильтр содержит внутренний перфорированный кожух и внешний перфорированный кожух, между которыми расположен фильтроэлемент.
Гофрированный материал фильтроэлемента представляет собой сетчатый проницаемый материал, или объемный проволочный проницаемый материал, или пористый проницаемый материал.
Гофрированный материал подвергнут продольному, радиальному или винтовому гофрированию.
Герметичность установки фильтра на корпус обеспечена заглушками с уплотнительными кольцами.
Головка, переводник и основание имеют внешний диаметр резьбовых участков, по существу совпадающий с внешним диаметром фильтра.
Внутренняя поверхность головки и внутренняя поверхность переводника содержат углубление относительно резьбового участка под корпус, при этом подшипниковый узел вала расположен на уровне углубления.
Подшипниковый узел содержит ряд окружных отверстий, при этом диаметр и количество окружных отверстий рассчитывается так, что площадь проходного сечения подшипникового узла составляет не менее 90% площади проходного сечения кольцевого канала, образованного в корпусе.
Основание содержит по меньшей мере один предохранительный клапан.
Материал внутреннего перфорированного кожуха представляет собой стальную трубу, на боковой поверхности которой выполнены сквозные отверстия, либо щелевую каркасно-проволочную конструкцию, либо металлическую сетку.
Материал внешнего перфорированного кожуха представляет собой стальную трубу на боковой поверхности которой выполнены сквозные отверстия, либо щелевую каркасно-проволочную конструкцию, либо металлическую сетку.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - продольный разрез фильтрующего входного модуля;
Фиг. 2 - поперечное сечение гофрированного в продольном направлении фильтроэлемента.
Подробное описание изобретения
Фильтрующий входной модуль состоит из корпуса 1, выполненного в виде цилиндрической перфорированной трубы с резьбовыми окончаниями с внешней резьбой. На корпусе 1 установлен фильтр 2. Герметичность соединения фильтра 2 с корпусом 1 обеспечивается уплотнительными кольцами 3.
В случае применения в составе фильтрующего входного модуля одного фильтра, головка 4 и основание 5 накручиваются на резьбовые окончания корпуса 1, удерживая фильтр 2 от осевого перемещения. Вал 6 установлен в головке 4 и основании 5 посредством подшипников скольжения 7.
В случае применения в составе фильтрующего входного модуля двух и более фильтров, каждый фильтр 2 устанавливается на отдельном корпусе 1, головка 4 накручивается в верхней части на первый корпус, а основание 5 накручиваются на нижнюю часть последнего корпуса 1. Корпуса 1 фильтров 2 между первым и последним корпусами соединяются между собой переводником 8, с промежуточным подшипником скольжения 9. В этом случае первый сверху фильтр 2 удерживается от осевого перемещения сверху головкой 4, снизу переводником 8. Последний, самый нижний фильтр 2 удерживается от осевого перемещения сверху переводником 8, снизу основанием 4. Остальные фильтры 2 удерживается от осевого перемещения переводниками 8.
Подшипники 7 и 9 в собранном состоянии фильтрующего входного модуля, расположены вне границ корпуса фильтра. Такое расположение позволяет уменьшить внешний диаметр фильтрующего входного модуля. Подшипники 7 и 9 относятся к радиальным подшипникам скольжения, выполнены в виде двух втулок, внешней и внутренней, из износостойкого материала. Внутренняя втулка крепится на валу 6 с помощью шпонки, внешняя запрессована в цилиндрическую выточку в теле головки 4, основания 5, переводника 8.
С тем, чтобы с уменьшением диаметра фильтра не уменьшилась полезная площадь фильтрования, фильтроэлемент выполнен гофрированным.
В корпусе 1 выполнены боковые отверстия 10. В головке 4 и переводнике 8 выполнены окружные ряды отверстий 11. Между валом 6 и корпусом 1 образуется проходной кольцевой канал 12. Диаметр и количество отверстий 11 являются расчетными величинами, которые рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить проходное сечение, площадь которого составляет не менее 90% от площади проходного сечения кольцевого канала в корпусе 1. Такое соотношение обеспечивает поддержание скорости потока для обеспечения производительности насоса на уровне номинальной даже с учетом малого диаметра кольцевого канала корпуса 1 и сужения проходного сечения в области подшипника. Указанная площадь проходного сечения окружных отверстий обеспечивается за счет конструкции головки и переводника, внутреннее пространство которых расширено на уровне подшипника по отношению к внутреннему пространству их резьбовых участков, то есть внутренние поверхности головки и переходника содержат углубления относительно резьбовых участков. Такое выполнение позволяет уменьшить внешний диаметр модуля без потери производительности насоса. Кроме того, благодаря такому расположению обеспечивается лучший теплоотвод от подшипников, что повышает надежность и ресурс работы.
Благодаря тому, что резьба на корпусе 1 выполнена внешней, проходное сечение кольцевого канала остается постоянным, то есть не сужается, в области резьбовых окончаний, что является преимущественным в условиях малого диаметра кольцевого канала.
Фильтр 2 состоит из внутреннего перфорированного кожуха 13 и внешнего перфорированного кожуха 14, между которыми установлен фильтроэлемент 15. Сверху и снизу фильтр 2 герметично закрыт заглушками 16.
Для уменьшения повреждений при спуско-подъемных операциях (СПО) внешние поверхности элементов фильтрующего входного модуля расположены по существу заподлицо, что особенно важно при СПО в скважинах малого диаметра.
Фильтроэлемент 15 представляет собой сетчатый проницаемый материал, или объемный проволочный проницаемый материал, или пористый проницаемый материал, подвергнутый гофрированию, продольному, радиальному или винтовому. Фильтроэлемент в общем случае выполнен в виде полого элемента из проницаемого материала в форме тела вращения, например, усеченного конуса или цилиндра. Гофрирование может быть выполнено на участке материала полого элемента или по всей его длине. Гофрирование может быть продольным, радиальным или винтовым.
На фиг.2 отображен пример поперечного сечения фильтроэлемента цилиндрической формы с продольным гофрированием по всей длине материала фильтроэлемента.
Как видно из данной фигуры, фильтроэлемент выполнен в виде фильтрующих штор, содержащих гофры, свободное пространство между которыми действует подобно щелевому продольному зазору: между вершинами гофр происходит грубая очистка жидкости от крупных механических частиц, размером, превышающим расстояния между вершинами фильтрующих штор. При дальнейшей работе насоса формируется предварительный фильтр из мелких частиц. После грубой очистки, пройдя предварительный фильтр, текучая среда проходит сквозь фильтрующие шторы, где проходит одно-, двух- или многоступенчатую «тонкую» очистку от мехпримесей, в зависимости от дизайна гофрированной шторы, которая может состоять из одного, двух и более слоев проницаемого материала, в том числе слоя(-ев) более грубой фильтрации, используемых для придания жесткости фильтроэлементу, как снаружи, так и изнутри.
Слой грубой фильтрации может располагаться как с внешней стороны фильтроэлемента, так и с внутренней, и кроме того, можно разместить слой грубой фильтрации и в виде промежуточного слоя.
Фильтроэлемент может содержать несколько слоев грубой фильтрации в различном порядке Слой грубой фильтрации имеет тонкость фильтрации, превышающую тонкость фильтрации слоя фильтроэлемента с самой малой тонкостью фильтрации в два и более раз.
Слой грубой фильтрации может располагаться как с внешней стороны фильтроэлемента, так и с внутренней, и, кроме того, можно разместить слой грубой фильтрации в виде промежуточного слоя. Фильтроэлемент может содержать несколько слоев грубой фильтрации в различном порядке.
В многослойных фильтроэлементах каждый слой может иметь как одинаковую тонкость фильтрации, так и различную тонкость фильтрации. Таким образом, тонкая очистка может быть одно- или многоступенчатой.
Гофрированная конструкция фильтроэлемента, помимо прочего, позволяет обеспечить более долгую работу фильтра, поскольку не позволяет крупным частицам оседать на фильтре, что привело бы к быстрой закупорке пор. Как показывают испытания, крупные частицы, отбрасываются рикошетом от вершин фильтровальной шторы, не проходя в зазор между гофрами. Частицы с размером в пределах размеров зазора могут застревать в щелевых зазорах, способствуя образованию предфильтра. Ввиду своей произвольной формы крупная частица не закупоривает полностью поры фильтрующего материала и в нем остаются проходные каналы для текучей среды, так называемые поровые пространства. Со временем такие частицы забиваются по всей длине щелевого зазора, образуя предварительный фильтр. Более мелкие частицы удерживаются в поровом пространстве больших частиц, и далее в поровом пространстве более крупных частиц захватываются даже самые мелкие частицы, создавая так называемый «мостик», формирующий предфильтр.
Исследованиями установлено, что «мостик» из малых механических частиц формируется, когда диаметр частиц от 2 до 5 раз меньше размера фильтрационных отверстий, т.е. от 2 до 5 раз меньше величины тонкости фильтрации.
Авторы обнаружили, что для способствования созданию такого предфильтра необходимо соблюдать условие, при котором t ≤ 2S + 5*ТФ, где t – шаг гофрирования; S – толщина фильтроэлемента; ТФ – тонкость фильтрации фильтроэлемента.
Это условие необходимо, чтобы исключить образование предфильтра из механических частиц, размер которых будет сопоставим с размером тонкости фильтрации на боковой поверхности, образованной вершинами гофры, в противном случае площадь фильтрации кратно снижается, становится сопоставимой с площадью поверхности, образованной вершинами гофры.
Таким образом, ввиду наличия гофрирования с заданными характеристиками, фильтроэлемент позволяет увеличить наработку на отказ.
Коэффициент гофрирования, представляющий собой отношение длины предназначенного для гофрирования материала или участка материала до гофрирования к длине этого материала или участка материала после гофрирования, влияет на количество гофр. Значение коэффициента гофрирования должно составлять по меньшей мере 2, поскольку в ином случае площадь фильтрации может быть снижена. Кроме того, чем больше гофр, тем конструкция более устойчива к провисанию с течением времени и к прогибу стенки во время работы насоса.
При работе насоса в режиме всасывания гофрированный фильтроэлемент подвержен прогибу в направлении потока жидкости. Предварительный фильтр, образующийся в суженном, ввиду прогиба, зазоре между гофрами, эффективно распадается при возвращении фильтроэлемента в исходное положение при завершении работы насоса, способствуя самоочищению.
Регенерация такого фильтроэлемента улучшена, за счет конструкции, способной к расширению под давлением обратного потока жидкости. Щелевые каналы, расширяясь, позволяют высвобождать скопившиеся после грубой очистки засорения. Промывка происходит быстрее и эффективнее.
В частном случае выполнения фильтроэлемент является полностью гофрированным, то есть гофрирование выполнено по всей поверхности фильтроэлемента.
В частном случае выполнения фильтроэлемент является частично гофрированным, то есть гофрирование выполнено только на части поверхности фильтроэлемента.
В частном случае выполнения фильтроэлемент содержит по меньшей мере два слоя проницаемого материала, один из которых является гофрированным полностью или частично.
Дополнительно в основании 5 может быть установлен, по крайней мере, один предохранительный клапан 17, открывающийся при заданном перепаде давления в случае засорения фильтра 2. Количество, габариты и давление срабатывания предохранительного клапана 18 являются расчетными величинами и соответствуют производительности фильтрующего входного модуля и насосной установки.
Необходимое количество предохранительных клапанов рассчитывается по формуле:
Н
кл
N = Q/q,
Н
где Q – номинальная производительность насоса;
кл
q – номинальный расход через один клапан, который определяется по формуле:
кл
q = С*Δp,
где С – пропускная способность клапана;
Δp – гидравлические потери давления в клапане.
СК
Давление срабатывания предохранительного клапана (Р) подбирается из условия:
ПНМ
СК
РФ
Р> Р < 0,5*Р,
ПНМ –
где Рминимальноедавление подпора погружной электроцентробежной насосной установки;
РФ
Р - избыточное давление, при котором произойдет разрушение фильтроэлемента.
Пропускная способность для выбранного размера предохранительного клапана определяется из гидравлических характеристик, которые получают по результатам стендовых испытаний клапана, как зависимость гидравлических потерь давления от пропускной способности.
При необходимости защиты от высокого газового фактора добываемой продукции скважины, фильтруюущий входной модуль может быть дополнительно укомплектован газосепарирующим и/или диспергирующим узлом.
Фильтрующий входной модуль погружного электроцентробежного насоса работает следующим образом:
После включения насосной установки текучая среда проходит через отверстия внешнего кожуха 14 и гофрированный фильтроэлемент 15, отфильтровывается от механических примесей. Далее очищенная текучая среда проходит через отверстия внутреннего кожуха 13, боковые каналы 10 корпуса 1, поступает на прием насосных секций ЭЦН, двигаясь по кольцевому каналу 12 и через окружные ряды отверстий 11. При этом клапан предохранительный 17 закрыт.
При засорении фильтрующего элемента частицами механических примесей происходит увеличение перепада давления жидкости между давлением снаружи и давлением во внутренней полости фильтра. При этом под действием перепада давления жидкости происходит открытие предохранительного клапана 17. Пластовая жидкость через отверстие проходного канала предохранительного клапана 17 из затрубного пространства проходит внутрь фильтра, двигаясь по кольцевому каналу 12 и окружные ряды отверстий 11 поступает на прием насосных секций ЭЦН, исключая срыв подачи насоса и отказ установки ЭЦН в целом.