МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к области нефтяного машиностроения, в частности к малогабаритному глубинному насосному оборудованию для работы в сильноискривленных и горизонтальных скважинах.
Известен погружной центробежный насосный агрегат малого габарита (патент РФ на полезную модель №22205, МПК F04D 13/10, опубликовано 10.03.2002 г.), состоящий из центробежного насоса с предвключенными устройствами, погружного электродвигателя, гидрозащиты и токоподводящего кабеля, выполненного в соответствующем поперечном габарите. Агрегат выполнен в малом габарите условной группы 3 - поперечным габаритом 98,3 мм для скважин с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 105 мм и условной группы 4 - поперечным габаритом 105 мм для скважин с внутренним диаметром не менее 112 мм.
Недостатком описанной конструкции насосного агрегата является сложность применения в горизонтальных скважинах, спуск в которые осуществляется через сильноискривленные участки, а также в скважинах с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 88,9 мм.
Известна конструкция насосов в составе малогабаритного погружного насосного агрегата, описанная в каталоге продукции компании ЗАО «Новомет-Пермь» (https://www.novomet.ru/rus/products/request_product_catalog/, 02.11.2016 г.), в состав которых входят ступени, изготовленные из металлических материалов (приложение Б «Энергоэффективные насосы», стр. 2, таблица 1).
Недостатками данной конструкции является подклинивание деталей ступени при повышенном содержании абразивных частиц, в том числе солеотложений, падение подачи и деградация всей рабочей характеристики при солеотложениях, дисбаланс ротора и вибрация агрегата при работе, особенно при горизонтальном расположении агрегата в скважине, обусловленные применением ступеней, изготовленных из металлических материалов.
Наиболее конструктивно близким к заявляемой конструкции является малогабаритный погружной насосный агрегат (патент РФ на полезную модель №109513, МПК F04D 13/10, опубликовано 20.10.2011 г.), взятый в качестве прототипа. Малогабаритный погружной насосный агрегат состоит из центробежного насоса с предвключенными устройствами, вентильного электродвигателя, гидрозащиты и токоподводящего кабеля. Агрегат с учетом габаритов токоподводящего кабеля выполнен с поперечным размером, не превышающим 82 мм. Вентильный электродвигатель имеет регулируемую частоту вращения. Применен токопроводящий кабель с плоскими изолированными жилами, разнесенными по периметру агрегата. Малогабаритный погружной насосный агрегат спускается в скважину, обсаженную колонной с внутренним диаметром 88,9 мм.
Недостатком прототипа является сложность монтажа специального токоподводящего кабеля с разнесенными по периметру агрегата плоскими изолированными жилами, что увеличивает время спуска агрегата в скважину, а также повышенная вибрация и деградация рабочей характеристики агрегата.
Задачей заявляемого малогабаритного погружного насосного агрегата является обеспечение возможности его применения в горизонтальных скважинах с сильноискривленными участками и внутренним диаметром обсадной колонны не менее 88,9 мм, предотвращение подклинивания деталей ступени при повышенном содержании абразивных частиц, в том числе солеотложений, снижение деградации рабочей характеристики, дисбаланса ротора и вибрации агрегата, упрощение монтажа токоподводящего кабеля.
Технический результат достигается тем, что малогабаритный погружной насосный агрегат, предназначенный для работы в эксплуатационной колонне с внутренним диаметром не менее 88,9 мм, состоит из центробежного насоса с предвключенными устройствами, имеющего рабочие колеса, направляющие аппараты и втулки защитные вала, электродвигателя, гидрозащиты, токоподводящего кабеля. При этом агрегат имеет поперечный габаритный размер 83,5±1 мм с учетом габаритов токоподводящего кабеля, токоподводящий кабель выполнен плоским бронированным, а рабочие колеса центробежного насоса выполнены с применением полимерных материалов. В частном случае реализации полезной модели, токоподводящий кабель может быть выполнен трехжильным с круглыми жилами. В центробежном насосе направляющие аппараты и втулки защитные вала выполнены с применением полимерных материалов.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен малогабаритный погружной насосный агрегат, на фиг. 2 - схема расположения токоподводящего кабеля, на фиг. 3 - схема условного расположения агрегата в искривленном участке обсадной колонны, на фиг. 4 - сечение по А-А по фиг. 3, на фиг. 5 - сечение Б-Б по фиг. 3, фиг. 6 - вариант расположение кабеля по фиг. 4, фиг. 7 - вариант расположение кабеля по фиг. 5, фиг. 8 - погружной центробежный насос в разрезе, фиг. 9 - рабочие характеристики.
Малогабаритный погружной насосный агрегат содержит погружной центробежный насос 1, приемное устройство 2, гидрозащиту 3, электродвигатель 4, плоский бронированный кабель 5. Поперечный размер агрегата D1 составляет 83,5±1 мм и является достаточным для спуска в скважину с обсадной колонной 6 внутренним диаметром D=88,9 мм. Токоподводящий кабель 5 имеет защитные элементы 7, предохраняющие кабель от повреждения при спуске через сильноискривленные участки обсадной колонны 6. Погружной центробежный насос 1 в своем составе содержит направляющие аппараты 8, рабочие колеса 9, втулки защитные вала 10, изготовленные с применением полимерных материалов. Малогабаритный погружной насосный агрегат соединяется с насосно-компрессорными трубами 11.
Малогабаритный погружной насосный агрегат спускается в скважину с обсадной колонной 6 с внутренним диаметром D не менее 88,9 мм. Пластовая жидкость поступает через приемное устройство 2 в полость погружного центробежного насоса 1. По кабелю 5 осуществляется подвод питающего напряжения к электродвигателю 4. Вращение от последнего передается к гидрозащите 3 и далее через приемное устройство 2 к погружному центробежному насосу 1. Приобретя с помощью работы погружного электроцентробежного насоса необходимое давление, жидкость по насосно-компрессорным трубам 11 поднимается на поверхность. Поперечный размер агрегата D1 с учетом габаритов кабеля 5 в зависимости от конструкции защитных элементов составляет 83,5±1 мм и относится к окружности, проходящей через корпус агрегата и защитные элементы 7. Малогабаритный погружной насосный агрегат может располагаться в обсадной колонне скважины с углом кривизны а. При этом, в зависимости от расположения кабеля 5, возможны различные варианты сопряжения агрегата с поверхностью обсадной колонны. На фиг. 4 - фиг. 7 представлены варианты сопряжения агрегата с поверхностью обсадной колонны на различных участках, представленные в виде сечений. На фиг. 4 и фиг. 5 рассмотрен экстремальный случай с минимальным зазором между агрегатом и внутренней поверхностью обсадной колонны, где контур поперечного размера D1 не выступает за контур отверстия обсадной колонны диаметром D. Может возникать случай с максимальным зазором между агрегатом и внутренней поверхностью обсадной колонны как показано на фиг. 6 и фиг. 7, где контур поперечного размера D1 может выступать за контур отверстия обсадной колонны диаметром D. Оба описанных случая расположения агрегата с кабелем 5 гарантируют его размещение в обсадной колонне внутренним диаметром не менее 88,9 мм.
Применение в качестве токоподводящего кабеля распространенного плоского бронированного кабеля 5, например, с круглыми жилами, упрощает монтаж и снижает время спуска малогабаритного погружного насосного агрегата.
Для достижения требуемых рабочих характеристик малогабаритные насосные агрегаты работают при повышенных частотах вращения вала электродвигателя, как правило, свыше 3500 до 6000 об/мин, по отношению к обычным погружным агрегатам с частотой вращения вала около 3000 об/мин. Работа при повышенных частотах вращения вала приводит к повышению вибрации агрегата с металлическими рабочими колесами из-за их дисбаланса и низкой стойкости к солеотложениям. Применение полимерных материалов в рабочих колесах 9 позволяет снизить вращающиеся массы и дисбаланс ротора за счет более высокой точности изготовления и меньшей, более чем в 3 раза, массы полимерных рабочих колес в сравнении с металлическими аналогами и, в конечном итоге, позволяет снизить вибрацию всего агрегата, особенно при повышенных частотах вращения вала. Кроме того, при работе в скважинах, осложненных отложениями солей, последние, налипая на поверхности металлического рабочего колеса, могут дополнительно повысить дисбаланс ротора в целом, особенно при горизонтальном расположении агрегата в скважине, характеризующимся непосредственным контактом агрегата с внутренней стенкой обсадной колонны. Повышение дисбаланса ротора в таком случае приводит к появлению критических вибраций агрегата, особенно при повышенных частотах вращения вала, которые передаются к обсадной колонне и способны вызвать ряд негативных последствий: во-первых, истирание токоподводящего кабеля в местах контакта с обсадной колонной и последующее короткое замыкание, влекущее за собой останов агрегата; во-вторых, механическое разрушение колонны и выход из строя как агрегата, так и всей скважины. В свою очередь, применение полимерных рабочих колес значительно уменьшает описанное негативное влияние роста вибрации по причине солеотложений на металлических рабочих колесах, ввиду сниженной, более чем в 3 раза, скорости отложения солей на полимерных поверхностях.
Как правило, малогабаритные насосные агрегаты эксплуатируются в скважинах в положениях, близким к горизонтальным. При этом, в отличие от относительно вертикальных скважин, все механические примеси, в том числе абразивные частицы и соли, осаждаются на горизонтальных участках скважины, то есть в зоне ствола, расположенной в непосредственной близости с входным устройством насоса. Таким образом, механические примеси напрямую могут попадать внутрь насоса в концентрациях больших, чем при работе в вертикальных скважинах, где указанные частицы под действием сил гравитации скапливаются преимущественно на дне скважины, и не попадают напрямую в агрегат, особенно при его запуске. Попадая внутрь насоса, а именно в радиальные пары трения ступеней насоса с металлическими рабочими колесами и направляющими аппаратами, абразивные частицы вызывают подклинивание сопрягаемых деталей, которое может вызвать в конечном итоге заклинивание указанных пар трения ротора и последующий останов агрегата.
Кроме того, эксплуатация малогабаритных погружных агрегатов может сопровождаться вынужденными остановами и повторными запусками, связанными, как правило, с геологическими или технологическими причинами. При данных перерывах в работе агрегата радиальные пары трения полностью металлических ступеней остывают и покрываются солеотложениями, которые при повторном запуске препятствуют вращению металлических рабочих колес или втулок защитных вала и также вызывают подклинивание ротора. Применение в указанных парах трения полимерных материалов в рабочем колесе и втулке защитной вала и металлических материалов в сопрягаемой части направляющего аппарата снижает вероятность их подклинивания из-за значительной разницы в твердости трущихся поверхностей, а также высокой стойкости полимерных поверхностей к осаждению солей.
Как уже было упомянуто, находясь в сильноискривленных и горизонтальных участках ствола скважины, насос малогабаритного погружного агрегата находится в условиях откачки жидкости с повышенным содержанием механических примесей, которые, попадая в полость насоса, могут откладываться не только на радиальных парах трения ротора, но и в проточных каналах рабочих колес и направляющих аппаратов, особенно, если они изготовлены из металлических материалов. При этом происходит уменьшение проходного сечения каналов рабочих колес и направляющих аппаратов, которое неизбежно приводит к деградации рабочей характеристики насоса агрегата, в том числе к снижению напора и коэффициента полезного действия, вызывая перегрев агрегата и ухудшение эффективности его эксплуатации. В этом случае, благодаря повышенной стойкости полимерных материалов к отложениям солей и механических примесей, их применение в проточных каналах направляющих аппаратов и в рабочих колесах вместо металлических материалов позволяет значительно снизить деградацию рабочей характеристики. Это подтверждается результатами исследований двух образцов с изначально схожими рабочими характеристиками и геометрическими параметрами, которые представлены на фиг. 9. На фиг. 9 видно, что образец 1, где рабочее колесо и направляющий аппарат имеют полимерные проточные каналы, после цикла работы в песчано-солевом растворе имеет на всем диапазоне подач Q значения как по напору Н, так и по КПД η значительно выше, чем у отработавшего в этих же условиях образца 2, где рабочее колесо и направляющий аппарат были полностью выполнены из чугуна.
Положительный эффект применения малогабаритного погружного насосного агрегата в горизонтальных скважинах с сильноискривленными участками и внутренним диаметром обсадной колонны не менее 88,9 мм обеспечивается его поперечным размером 83,5±1 мм с учетом габаритов токоподводящего кабеля. Предотвращение заклинивания деталей ступени при повышенном содержании абразивных частиц, в том числе солеотложений, падения подачи и деградации рабочей характеристики, дисбаланса и вибрации при повышенных частотах вращения вала обеспечивается применением полимерных материалов в составе направляющих аппаратов, рабочих колес и втулок защитных вала. Снижение трудоемкости монтажа токоподводящего кабеля достигается применением распространенного плоского бронированного кабеля вместо специального кабеля с раздельными изолированными жилами, разнесенными по периметру агрегата.