РАБОЧЕЕ КОЛЕСО СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтяному насосостроению, в частности к многоступенчатым скважинным насосам и может быть использовано в вертикальных погружных насосных агрегатах, предназначенных для откачки пластовой жидкости, в частности, из низкодебитных нефтяных скважин с малопродуктивными пластами, которые характеризуются низкой пористостью и проницаемостью.
Данное решение также позволит заменить штанговые насосы, используемые для добычи пластовой жидкости из старых, отработанных и малодебетных месторождениях. Основным недостатком штанговых насосов является то, что процент аварий по сравнению с многоступенчатыми центробежными насосами намного выше, а ликвидация аварий намного дороже.
Из уровня техники известны различные ступени погружных насосов.
Так, известен центробежный погружной многоступенчатый насос для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин с использованием ступени, которая включает рабочее колесо, содержащее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками, и направляющий аппарат с лопатками, входные кромки которых выступают за внешний диаметр наружной крышки аппарата, отличающаяся тем, что на периферии ведущего диска рабочего колеса на его боковой поверхности установлены трехсторонние ячейки, открытые с внешней стороны диска, а на сопряженной колесу поверхности наружной крышки направляющего аппарата выполнен боковой кольцевой канал (патент РФ №2138691 С1, опубликован 27.09.1999).
Также из описания к патенту РФ №2201533 (опубликован 27.03.2003) ступень скважинного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат с лопатками, диаметр расположения внешних кромок которых больше диаметра нижнего диска направляющего аппарата, и рабочее колесо с ведущим диском, на верхней поверхности которого выполнены выемки, открытые с верхней поверхности ведущего диска, при этом дно каждой выемки выполнено лежащим на поверхности, пересекающей нижнюю поверхность ведущего диска по линии, расположенной от оси ведущего диска на расстоянии меньшем, чем внешний радиус ведущего диска рабочего колеса.
Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является рабочее колесо погружного центробежного колеса, известное из патента РФ №62671 (опубликован 27.04.2007), которое содержит ступицу с ведущим диском, ведомый диск, имеющий больший диаметр, чем ведущий диск, лопатки, установленные между дисками, образующие проточную часть и выполненные на выходном участке с внешней кромкой, параллельной оси вращения рабочего колеса, при этом направляющая кромка ведомого диска рабочего колеса по периферии выполнена профилированной с началом закругления, при котором расстояние между крайними точками ведущего и ведомого дисков на выходном участке рабочего колеса равно высоте лопатки в проточной части
Недостатками известных конструкций являются сложность изготовления рабочего колеса, поскольку применяется метод штамповки с последующей склейкой или спайкой ведомого и ведущего диска между собой, что приводит к снижению прочностных характеристик рабочего колеса. Кроме этого, при выходе из строя одного рабочего колеса при ремонте подвергаются замене все рабочие колеса насоса.
3
Техническим результатом патентуемого решения является снижение энергопотребления при работе насоса и создание ступеней погружного многоступенчатого насоса, обеспечивающих повышение напора до 4,25 м при малых подачах жидкости (от 10 до 35 м), в частности, из низкодебитных нефтяных скважин с малопродуктивными пластами, которые характеризуются низкой пористостью и проницаемостью.
Технический результат достигается за счет того, что в рабочем колесе насоса, включающем ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки, установленные между дисками, согласно полезной модели, высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском составляет 3,5-5 мм.
Как показали проведенные исследования, расстояние между ведущим и ведомым диском (высота лопатки) равная 3,5-5 мм обеспечивает ламинарный режим движения перекачиваемой жидкости, что приведет к предотвращению засорения колеса твердыми примесями, увеличению его износостойкости, а, следовательно, увеличению долговечности насоса, особенно при перекачивании двух- и трехфазных смесей.
При увеличении расстояния между ведущим и ведомым диском более 5 мм наблюдается турбулентный режим течения жидкости с образованием каверн, что приводит к увеличению сопротивления и, соответственно, увеличению энергозатрат на перекачивание и износу деталей.
При расстоянии между ведомым и ведущим колесом менее 3,5 мм наблюдается засоряемость рабочей ступени, а, следовательно, снижение производительности насоса.
Как показали проведенные испытания, геометрия предложенного рабочего колеса позволяет увеличить напор насоса до 4,25 м и КПД - до 34% в отличие от известных насосов, напор одной ступени которых достигает 3,2 м, а КПД - 19%.
Выбор расстояния между дисками менее 3,5 увеличивает вероятность засорения протока рабочего колеса и снижает ресурс насоса и объем перекачиваемой жидкости, что не соответствует заданному объему.
Кроме этого, для увеличения прочности конструкции поверхность ведущего диска предпочтительно должна быть выполнена гладкой, а колесо должно быть изготовлено методом литья.
При этом под поверхностью ведущего диска подразумевается внутренняя кромка ведущего диска, которая, в отличие от конструкции рабочего колеса наиболее близкого аналога, выполнена без закругления.
При выполнении лопаток рабочего колеса с левым направлением вращения потока перекачиваемой жидкости, направление вращения потока перекачиваемой жидкости будет совпадать с направлением силы Кориолиса, что позволит увеличить КПД насоса и снизить потребляемую насосом мощность.
При этом количество лопаток, установленных между ведущим и ведомым дисками, желательно выбирать равным шести.
Выбор количества лопаток связан с обеспечением максимального КПД насоса при его использовании в низкодебитных нефтяных скважинах с малопродуктивными пластами, которые характеризуются низкой пористостью и проницаемостью. Количество лопаток определялось опытным путем, исходя из следующего.
Каждый объем между лопатками имеет вход и выход, через которые в единицу времени происходит заполнение полости между лопатками и выброс центробежной силой этого объема через направляющий аппарат на прием следующего колеса. При меньшем количестве лопаток происходит повышенная потребляемая мощность и уменьшается напор. При выполнении количества лопаток больше шести, КПД повышается незначительно, при этом возрастает материалоемкость насоса.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурой 1, на которой представлен продольный разрез рабочего колеса.
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурой 1, на которой представлен продольный разрез рабочего колеса, а также фигурой 2, на которой приведен вид спереди рабочего колеса патентуемого насоса.
Рабочее колесо погружного центробежного насоса состоит из ступицы 1, посредством которой рабочее колесо размещено на валу 2 насоса, ведущего диска 3 и ведомого диска 4. Между дисками 3 и 4 установлены лопатки 5, образующие проточную часть рабочего колеса и обеспечивающие левое вращение потока перекачиваемой жидкости.
Работа рабочего колеса погружного центробежного насоса осуществляется следующим образом.
При вращении вала 2 насоса жидкость поступает в радиальный участок проточной части рабочего колеса, образованной лопатками 5. Под действием вращающихся лопаток 5 жидкость приобретает скорость и давление. Далее на выходном участке рабочего колеса ведомого диска 4 поток жидкости переходит из радиального направления движения в осевое и входит в направляющий аппарат (не показан), где приобретенная жидкостью кинетическая энергия преобразуется в напор, который складывается с напором, создаваемым центробежной частью рабочего колеса. При этом турбулентные потоки от лопаточных стенок ячеек в независимости от подачи обеспечивают дополнительную диспергацию при перекачке нефтеводогазовых сред, что повышает устойчивость работы ступеней.
На фигуре 3 приведены кривая производительности одной ступени насоса ТД160 в зависимости от напора (кривая 1), кривая зависимости коэффициента полезного действия (КПД, %) от производительности (кривая 2) для рабочей ступени насоса и кривая зависимости мощности одной ступени насоса от производительности (кривая 3).
3
3
Из приведенной зависимости видно, что наиболее оптимальный диапазон работы ступени обеспечивается при подаче от 10-35 м. Для извлечения пластовой жидкости с глубины 1900 м и объемом 15 м/сут., если использовать патентуемое колесо, КПД насоса составляет более 26%, в то время как при использовании ступени, выполненной в соответствии с наиболее близким аналогом, КПД насоса составляет 18%.
3
Приведенная взаимосвязь технического результата и совокупности существенных признаков подтверждается с помощью примеров при заданном отборе (откачке) 30 м/с и ниже. При этом примеры №№1-2 показывают характеристики известных рабочих колес насоса, а примеры 3-5 демонстрируют характеристики патентуемого насоса.
Пример 1.
Исследовали работу известного рабочего колеса погружного насоса ТД180, содержащего ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки, установленные между дисками, при этом высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском была выбрана 3,2 мм. Колесо было изготовлено методом литья.
3
3
Насосом осуществляли подъем 30 м жидкости с глубины 2000 м. Использовалось 526 ступеней. Производительность - 30 м/час. Потребляемая мощность насоса составила 28,8 кВт. Имелись случаи выхода из строя насоса по причине засорения, особенно, после гидроразрыва пласта проппантом.
Пример 2.
Исследовали работу известного рабочего колеса погружного насоса ТД 230, содержащего ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки, установленные между дисками, при этом высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском была выбрана 5,0 мм. Колесо было изготовлено методом литья.
3
Насосом осуществляли подъем жидкости на высоту. 2000 м. Производительность составляла 40 м/чac (данное колесо в данном случае не пригодно, поскольку объем добычи превышает возможности скважины). Использовалось 465 ступеней. Потребляемая мощность составлялась 28.5кВт
Пример 3.
Исследовали работу патентуемого рабочего колеса погружного насоса ТД 160, содержащего ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки в количестве 6 штук, установленные между дисками, при этом высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском была выбрана 4,25 мм. Колесо было изготовлено методом литья.
3
Насосом осуществляли подъем жидкости на высоту 2000 м. Производительность составляла 27 м/чac. Использовалось 470 ступеней. Потребляемая мощность составила 23.5кВт.
Пример 4.
Исследовали работу патентуемого рабочего колеса погружного насоса ТД 160, содержащего ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки в количестве 6 штук, установленные между дисками, при этом высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском была выбрана 5 мм. Колесо было изготовлено методом литья.
3
Насосом осуществляли подъем жидкости на высоту 2000 м. Производительность составляла 29 м/час. Использовалось 460 ступеней. Потребляемая мощность составила 23 кВт.
Пример 5.
Исследовали работу патентуемого рабочего колеса погружного насоса ТД 160, содержащего ступицу с ведущим диском, ведомый диск, лопатки в количестве 6 штук, установленные между дисками, при этом высота рабочего канала колеса между ведомым и ведущим диском была выбрана 3,5 мм. Колесо было изготовлено методом литья.
3
Насосом осуществляли подъем жидкости на высоту 2000 м. Производительность составляла 25 м/час. Использовалось 480 ступеней. Потребляемая мощность составила 24 кВт.
Как видно из приведенных примеров, использование патентуемого рабочего колеса позволило снизить энергопотребление при работе насоса.
Как показали проведенные испытания, геометрия предложенного рабочего колеса позволяет увеличить напор насоса до 4,25 м и КПД - до 34% в отличие от известных насосов, напор одной ступени которых достигает 3,2 м, а КПД - 19%.
3
Таким образом, использование патентуемого решения позволит уменьшить затраты электроэнергии на 1 м добытой жидкости и сократить себестоимость добытой жидкости, что улучшит экономические показатели нефтедобывающих компаний.