Установка с погружным центробежным насосом для поддержания пластового давления

Полезная модель относится к области нефтедобычи и может быть использована в погружных установках лопастных насосов, используемых для закачки жидкости в пласт для поддержания пластового давления в скважине.
Известен электрический погружной насос из патента RU 2476726 для использования в скважине, содержащий: моторную секцию; насосную секцию; защитную секцию, расположенную между моторной секцией и насосной секцией, и вращающийся вал, проходящий через моторную, защитную и насосную секции; при этом моторная, защитная и насосная секции содержат каждая множество функциональных компонентов и втулок, установленных на валу с образованием по существу непрерывной трубы вокруг вала; при этом предусмотрены фитинги наверху и внизу вала для удерживания в сжатом состоянии компонентов и втулок, образующих трубу.
Однако множество функциональных компонентов и втулок, установленных на валу с образованием по существу непрерывной трубы вокруг вала защитной и моторной секции, снижает надежность работы установки. Так как это существенно увеличивает размерную цепочку от осевой опоры верхней ступени насоса до осевой опоры, которая при такой конструкции должна быть установлена в нижней части двигателя.
Известна установка погружного лопастного насоса компрессионного типа из патента RU 2620626, включающая в себя двигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере, одну насосную секцию, которая включает в себя: вал, корпус, основание, головку, сборку пакета ступеней, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, ступицу. Рабочие колеса на валу сжаты гайкой по ступицам, направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга. Рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна, на ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец, вал нижней насосной секции опирается на вал в протекторе, у которого осевая опора изготовлена в виде гидродинамического подшипника.
Недостатком является то, что приходится делать монтажную высоту рабочих колес и направляющих аппаратов высокой точности, а также необходимость иметь специальное устройство в виде гайки для сжатия рабочих колес увеличивает стоимость изделия. При использовании известного технического решения обнаруживается низкая надежность при работе в погружных установка для закачки жидкости в пласт для поддержания пластового давления в скважине, так как при повороте насоса на сто восемьдесят градусов не предусмотрена осевая опора для вала.
Известна установка погружного лопастного насоса пакетно-компрессионного типа из патента RU 2622680, включающая: двигатель, протектор с осевой опорой вала, по меньшей мере, одну насосную секцию, которая включает основание, головку, вал, корпус, промежуточные подшипники, ступени, каждая ступень содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, рабочие колеса содержат ведущий и покрывной диски, между которыми размещены лопасти, паз, в котором установлена шайба осевой опоры, и ступицу. Длины ступиц рабочих колес по номиналу совпадают с монтажной высотой направляющих аппаратов. Направляющие аппараты зафиксированы относительно корпуса, а валы насосных секций в рабочем состоянии опираются друг на друга. В секции насоса установлены центробежные ступени, рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены в виде цельнолитых конструкций из чугуна. На ведущем диске рабочих колес выполнен лопаточный венец, а ступени и промежуточные подшипники установлены в виде пакетов, причем в каждом пакете установлена втулка вала, за счет которой выровнены длины статора и ротора пакета.
Недостатком является то, что приходится делать монтажную высоту рабочих колес и направляющих аппаратов высокой точности, также необходимы дополнительные втулки вала в каждом пакете, что увеличивает стоимость изделия. При использовании известного технического решения обнаруживается низкая надежность при работе в погружных установка для закачки жидкости в пласт для поддержания пластового давления в скважине, так как при повороте насоса на сто восемьдесят градусов не предусмотрена осевая опора для вала.
Известен погружной многоступенчатый центробежный насос типа из патента RU 2564742, в состав которого входят вал, по крайней мере, одна ступень, содержащая направляющий аппарат, выполненный в виде цельнолитой конструкции из чугуна, состоящий из обечайки, нижнего диска со ступицей, верхнего диска, между дисками изготовлены лопатки, рабочее колесо, выполненное в виде цельнолитой конструкции из чугуна, которое содержит ведущий диск со ступицей и покрывной диск, между дисками размещены лопасти, причем между верхним диском направляющего аппарата и ведомым диском рабочего колеса, между ступицей направляющего аппарата и ведущим диском рабочего колеса установлены осевые опоры, в состав которых входят опорные шайбы, на валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, длина которой составляет не менее пятидесяти процентов длины ступицы направляющего аппарата, на внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата, со стороны ступицы рабочего колеса, изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса.
Однако при использовании известного технического решения обнаруживается низкая надежность при работе в погружных установка для закачки жидкости в пласт для поддержания пластового давления в скважине, так как при повороте насоса на сто восемьдесят градусов не предусмотрена осевая опора для вала.
Наиболее близким аналогом является конструкция насоса из патента RU 2751684. В установке погружного многоступенчатого насоса, содержащей электродвигатель, протектор и лопастной насос, в состав которого входят вал, корпус, головка, основание, по крайней мере две ступени. Каждая ступень содержит рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, и направляющий аппарат, установленный в корпусе. Электродвигатель, протектор и лопастной насос установлены последовательно сверху вниз. На входе в лопастной насос установлен узел осевой опоры лопастного насоса, который включает две диагональные ступени, верхнее рабочее колесо установлено без возможности осевого перемещения по валу, по отношению к ступице нижестоящего рабочего колеса и по отношению к опорному кольцу, установленному на валу выше данного рабочего колеса. В каждой ступени между рабочим колесом и нижеустановленным направляющим аппаратом изготовлены две осевые пары трения с большим и меньшим диаметром, образующие узел осевой опоры ступени, причем конструктивно узел осевой опоры ступени функционирует в замкнутой области, закрытой от контакта с пластовой жидкостью щелевым уплотнением с принудительной центробежной сепарацией механических примесей. Осевая опора ступени с большим диаметром выполнена с возможностью в момент пуска установки выполнять функцию торцевого уплотнения для осевой опоры меньшего диаметра.
Данное техническое решение при использовании в секциях с центробежными ступенями приведет к снижению КПД и надежности, так как работа верхних диагональных ступеней в узле осевой опоры будет в режиме, отличном от оптимального. Недостатком является увеличение себестоимости за счет отсутствия унификации с серийными секциями, количество ступеней в которых уменьшится, так как диагональные ступени имеют большую монтажную высоту. При закачивании воды в скважину часто можно использовать ступени из более дешевого материала, например, серого чугуна. За счет этого снизить себестоимость. Но данное решение не позволяет это сделать, так как ступицы колес и направляющих аппаратов из серого чугуна не могут контактировать друг с другом в паре трения.
Технической проблемой является создание конструкции лопастного насоса для погружных установок поддержания пластового давления, обладающего надежностью в работе и низкой себестоимостью.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности лопастного насоса для погружных установок поддержания пластового давления, снижение себестоимости.
Сущность полезной модели.
В установке погружного многоступенчатого насоса для поддержания пластового давления, содержащей электродвигатель, протектор, компенсатор, секцию лопастного насоса, установленные последовательно сверху вниз, в состав секции лопастного насоса входит вал, корпус, головка, основание, по крайней мере две ступени, каждая ступень содержит рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, и направляющий аппарат, установленный в корпусе, при этом на входе в секцию установлен узел осевой опоры насоса, который включает две ступени, установленные по компрессионной схеме, верхнее рабочее колесо установлено без возможности осевого перемещения по валу, по отношению к ступице нижестоящего колеса и по отношению к опорному кольцу, установленному на валу выше этого рабочего колеса, в каждой ступени между рабочим колесом и ниже установленным направляющим аппаратом изготовлены осевые пары трения, образующие узел осевой опоры ступени, рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены в виде цельнолитой конструкции из чугуна, на валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, на внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата со стороны ступицы рабочего колеса изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса.
Заявляемая установка погружного многоступенчатого насоса для поддержания пластового давления имеет следующие аспекты выполнения.
На периферии ведущего диска рабочих колес узла опоры изготовлена дополнительная лопастная решетка для принудительной центробежной сепарации механических примесей.
Для осевых опор пары трения изготовлены в виде опорных шайб.
Для осевых опор пары трения изготовлены в виде опорных шайб с толщиной не менее двух миллиметров.
На внешнем диаметре уплотнительной втулки изготовлена винтовая канавка.
Чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
углерод
3,5-3,9
кремний
2,1-2,7
марганец
0,4-0,6
хром
<0,12
сера
0,05-0,07
фосфор
<0,3
церий
<0,03
бор
<0,01
Чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%
углерод
3,25-3,6
кремний
1,8-2,4
марганец
0,5-0,85
хром
0,1-0,2
никель
0,1-0,3
медь
0,2-0,5
сера
0,09-0,15
фосфор
<0,1
олово
0,06-0,1
Компенсатор изготовлен в виде модуля, образующего замкнутую область для сбора свободного газа, гидравлически связанную с двигателем и не имеющую гидравлической связи с затрубным пространством.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
Если электродвигатель, протектор, погружной насос установлены последовательно сверху вниз, это позволит закачивать рабочую жидкость, обычно воду, в пласт за счет поворота традиционной установки для добычи пластовой жидкости на сто восемьдесят градусов.
Если на входе в секцию установлен узел осевой опоры насоса для удержания веса вала, который включает две ступени, установленные по компрессионной схеме. При этом верхнее рабочее колесо установлено без возможности осевого перемещения по валу, по отношению к ступице нижестоящего колеса и по отношению к опорному кольцу, установленному на валу выше этого рабочего колеса, что позволит использовать две верхние ступени в качестве осевой опоры для вала секции. В варианте конструктивного исполнения длина ступицы верхнего рабочего колеса должна совпадать с монтажной высотой верхнего направляющего аппарата. Компрессионная схема сборки двух ступеней подразумевает, что после приработки будут задействованы одновременно пары трения обоих ступеней.
При закачивании воды в скважину, часто можно использовать ступени из дешевых материалов. Поэтому в новом техническом решении рабочее колесо и направляющий аппарат выполнены в виде цельнолитой конструкции из чугуна. За счет этого предлагается снизить себестоимость.
Ступицы колес и направляющих аппаратов из серого чугуна не могут контактировать друг с другом в паре трения.
Поэтому на валу для каждой ступени установлена уплотнительная втулка, которая устраняет перетечки между валом и направляющим аппаратом, одновременно служит радиальной опорой для вала. Втулка должна быть выполнена из материала, который может составить пару трения с чугуном, например, из латуни, бронзы, бронзографита и т.д.
На внутреннем диаметре ступицы направляющего аппарата со стороны ступицы рабочего колеса изготовлена проточка, диаметр которой заведомо больше наружного диаметра ступицы рабочего колеса. Проточка нужна, что бы исключить контакт короткой ступицы рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата, которые изготовлены из чугуна и не должны контактировать друг с другом в паре трения.
Если на периферии ведущего диска рабочих колес узла опоры изготовлена дополнительная лопастная решетка для принудительной центробежной сепарацией механических примесей, это позволит снизить количество абразивных частиц в области работы узла осевой опоры ступени, увеличить надежность работы этого узла.
Если для осевых опор пары трения изготовлены в виде опорных шайб. Это позволит минимизировать механические потери мощности, связанные с трением в осевой опоре, за счет того, что коэффициент трения опорных шайб меньше, чем у материала, из которого изготовлены ступени насоса.
Если толщина опорных шайб будет составлять не менее двух миллиметров, это, по крайней мере, в два раза больше толщины серийных шайб с толщиной один миллиметр, то срок работы узла опоры увеличится.
Наличие на внешнем диаметре уплотнительной втулки винтовой канавки позволит увеличить срок службы радиальной опоры ступени, за счет смазки и охлаждения. Позволит использовать более дешевые материалы.
Если чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, церий, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%:
углерод
3,5-3,9
кремний
2,1-2,7
марганец
0,4-0,6
хром
<0,12
сера
0,05-0,07
фосфор
<0,3
церий
<0,03
бор
<0,01
Или в варианте конструктивного исполнения чугун содержит, в частности, кремний, марганец, хром, никель, медь, фосфор и серу при следующем содержании указанных элементов, мас.%
углерод
3,25-3,6
кремний
1,8-2,4
марганец
0,5-0,85
хром
0,1-0,2
никель
0,1-0,3
медь
0,2-0,5
сера
0,09-0,15
фосфор
<0,1
олово
0,06-0,1
Это позволит использовать в качестве материала для изготовления ступеней для погружного насоса относительно дешевые материалы, которые, однако, обеспечат выполнения требуемых задач для скважин, где не требуется высокая коррозионная стойкость и износостойкость оборудования. В РФ такие скважины составляют более половины от всего фонда для поддержания пластового давления.
Если между каждым из установленных без осевого зазора по ступицам рабочих колес и установленными ниже их направляющими аппаратами установлены опорные шайбы, это позволит минимизировать механические потери мощности, связанные с трением в осевой опоре.
Компенсатор гидрозащиты должен быть изготовлен в виде модуля, образующего замкнутую область для сбора свободного газа, гидравлически связанную с двигателем и не имеющую гидравлической связи с затрубным пространством. При использовании предлагаемой конструкции насоса можно допустить некоторое количество свободного газа на входе. Газ будет диспергироваться дополнительной лопастной решеткой для принудительной центробежной сепарации механических примесей. Проникая через диафрагму в протекторе двигателя, газ будет подниматься наверх, и собираться в компенсаторе. За счет этого пары трения в двигателе будут работать в масле.
Исходя из вышесказанного, конструктивные варианты полезной модели позволяют использовать две верхние ступени насоса в качестве осевой опоры для вала секции, при этом, обеспечив высокую надежность, унификацию с серийными насосами и низкую себестоимость изделия.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схема погружной установки в составе насосно-компрессорной трубы, компенсатора гидрозащиты, двигателя, протектора, лопастного насоса;
на фиг. 2 - общий вид секции насоса в разрезе;
на фиг. 3 - укрупненно верхняя часть секции насоса в разрезе со ступенями;
на фиг. 4 - уплотнительная втулка с винтовой канавкой;
на фиг. 5 - укрупненно верхняя часть секции насоса в разрезе с центробежными ступенями;
на фиг. 1-5 позициями 1-19 обозначены:
1) труба;
2) компенсатор гидрозащиты;
3. двигатель;
4) протектор;
5) лопастной насос;
6) корпус насоса;
7) вал насоса;
8) головка;
9) основание;
10) рабочее колесо;
11) ступица рабочего колеса;
12) направляющий аппарат;
13) рабочее колесо на входе в секцию;
14) опорное кольцо;
15) направляющий аппарат на входе в секцию;
16) опорные шайбы;
17) уплотнительная втулка;
18) втулка;
19) дополнительная лопастная решетка;
20) винтовая канавка.
Погружная установка содержит в своем составе насосно-компрессорную трубу 1, компенсатор гидрозащиты 2, двигатель 3, протектор 4, лопастной насос 5.
Секция погружного многоступенчатого насоса установки поддержания пластового давления содержит корпус 6, внутри которого установлен вал 7. К корпусу 6 присоединены головка 8 и основание 9. В корпусе установлены ступени, каждая ступень содержит рабочее колесо 10 со ступицей 11, установленное на валу 7, и направляющий аппарат 12, установленный в корпусе 6. На входе в секцию установлена ступень, в которой рабочее колесо 13 установлено без возможности осевого перемещения по валу 7, по отношению к ступице нижестоящего колеса и по отношению к опорному кольцу 14, установленному на валу 7 выше этого рабочего колеса 13. Между рабочим колесом 13 верхней ступени и установленным за ним направляющим аппаратом 15 и ниже установленным на валу 7 рабочим колесом и направляющими аппаратом установлены опорные шайбы 16.
Между ступицами 11 рабочих колес установлена уплотнительная втулка 17 с винтовой канавкой 20. Между ступицей рабочего колеса 13 верхней ступени и опорным кольцом 14 установлены без зазора втулки 18.
Установка работает следующим образом.
После включения двигателя 3 в начальный момент включения вес вала 7 секции насоса 5 воспринимается осевой опорой, образованной из двух верхних ступеней, в которых рабочие колеса 13 опираются на соответствующие им направляющие аппараты 14, при этом шайбы 16 образуют пары трения.
При дальнейшем вращении вала 7 погружного многоступенчатого лопастного насоса 5 крутящий момент через ступицы 11 передается на рабочие колеса 10. Пластовая жидкость входит в секцию через основание 9, установленное сверху на корпусе 6. Последовательно жидкость проходит через рабочие колеса 10, направляющие аппараты 12, выходит через головку 8. При этом происходит повышение давления рабочей жидкости (воды).
Перепад давления, возникший на входе и выходе из секции, воздействуя на вал 7, поднимает его. Осевая сила, действующая на вал вследствие перепада давления, воспринимается осевой опорой в протекторе гидрозащиты 4.
Дополнительная лопастная решетка 19 на периферии ведущего диска рабочих колес 13 узла опоры ступени обеспечивает принудительную центробежную сепарацию механических примесей. За счет этого снижается количество абразивных частиц в области работы узла осевой опоры ступени, увеличивается надежность работы этого узла и установки в целом. Могут быть использованы пары трения из более дешевых материалов.
Таким образом, решается проблема полезной модели по повышению надежности и снижения себестоимости.