ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС ДЛЯ ОТКАЧИВАНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ROTARY PUMP FOR DRY-UP JOB (VERSIONS) AND METHOD OF ITS PRODUCTION (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к устройствам, используемым при бурении скважин и, более конкретно, к центробежным насосам для перекачивания текучих сред, а также к способам их изготовления. Например, центробежные насосы используются в электропогружных откачивающих устройствах, размещенных в буровых скважинах для добычи или другого перемещения текучих сред в буровой скважине. Центробежные насосы создаются с комплектами чередующихся рабочих колес и диффузоров, которые обеспечивают принудительное перемещение текучей среды от впускного отверстия насоса к выпускному отверстию. Рабочие колеса вращаются посредством вала и обеспечивают перемещение откачиваемой насосом текучей среды при помощи лопаток рабочего колеса насоса. Когда текучая среда выходит из проточного канала каждого рабочего колеса, она направляется через канал диффузора к следующему рабочему колесу и в конечном итоге к выпускному отверстию.
Многие конструкции центробежных насосов являются неэффективными вследствие значительных потерь при разделении текучей среды. Например, центробежные насосы с радиальными конфигурациями лопаток имеют чрезмерное торможение в каналах, соединяющих лопаточные каналы. Чрезмерное торможение может иметь место в проточных каналах между лопатками диффузора или лопатками рабочего колеса, а также чрезмерное торможение может иметь место на переходном участке от задней кромки диффузора к каналу, ведущему к выходному отверстию диффузора. Другим участком, чувствительным к чрезмерному торможению, является переходный участок от входа впускного канала рабочего колеса к передней кромке лопатки рабочего колеса.
В некоторых ступенях радиального типа задняя кромка лопатки диффузора выполнена в виде толстого округленного элемента для регулирования чрезмерного торможения в проточном канале диффузора, однако данный подход ведет к значительным потерям при торможении и разделении текучей среды в канале непосредственно ниже по потоку от задней кромки диффузора. Альтернативный подход заключался в выполнении задней кромки диффузора в виде относительно тонкого элемента для минимизации изменения площади на переходном участке, однако данный подход приводит к чрезмерному торможению потока в канале диффузора.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является система и способ ускорения прокачивания текучих сред путем уменьшения вязкости текучих сред, раскрытые в патентной заявке US 2003/0010501 А1. В системе используется центробежный насос, содержащий множество рабочих колес, причем каждым рабочим колесом является радиальное рабочее колесо, выполненное с возможностью вращения на валу. Вращающиеся рабочие колеса направляют текучую среду в проточную камеру и затем выпускают текучую среду радиально через радиальное выпускное отверстие и в смежный диффузор. Текучая среда затем поступает к верхним лопаткам диффузора.
В данном документе раскрыт также способ изготовления центробежного насоса для уменьшения разделения текучей среды, в котором обеспечивают множество радиальных диффузоров, причем каждый диффузор содержит лопатки.
Недостатком такого выполнения насоса является чрезмерное торможение в проточных каналах между лопатками диффузора.
Задачей настоящего изобретения является создание центробежного насоса, увеличивающего его эффективность, а также способа изготовления такого насоса. Это достигается за счет того, что центробежный насос содержит диффузоры, которые оптимизируют график изменения площади через диффузор для уменьшения суммарной скорости текучей среды и восстановления скоростного напора при минимизации разделения потока. Каждый диффузор содержит, по меньшей мере, одну лопатку диффузора, имеющую заднюю кромку, которая заходит, по меньшей мере, на тридцать градусов в выпускной канал диффузора. Такое перемещение в выпускной канал диффузора устраняет любые резкие изменения площади и уменьшает разделение текучей среды, что в свою очередь повышает эффективность насоса. В некоторых вариантах осуществления каждое рабочее колесо содержит, по меньшей мере, одну лопатку рабочего колеса, которая заходит, по меньшей мере, на тридцать градусов во впускной канал рабочего колеса. Данное перемещение рабочего колеса также уменьшает разделение текучей среды и повышает эффективность насоса.
Более подробно, поставленная задача достигается за счет того, что центробежный насос для откачивания текучих сред, содержит множество рабочих колес, причем каждым рабочим колесом является радиальное рабочее колесо; и множество диффузоров, причем каждым диффузором является радиальный диффузор с множеством лопаток диффузора, содержащих задние кромки, сгибающиеся на переходном участке под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие выпускные каналы диффузоров, при этом множество лопаток диффузора образуют каналы диффузора, которые проходят через переходный участок и в соответствующий выпускной канал диффузора с минимальным изменением площади, чтобы таким образом уменьшить разделение текучей среды.
Предпочтительно задние кромки сгибаются под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие выпускные каналы диффузоров.
Дополнительно, каждое рабочее колесо может содержать множество лопаток рабочего колеса, сгибающихся под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Более предпочтительно, лопатки рабочего колеса сгибаются под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Другим аспектом изобретения является способ изготовления центробежного насоса для уменьшения разделения текучей среды, в котором осуществляют формование множества радиальных диффузоров, причем каждый диффузор содержит лопатки с задними кромками, каждая из которых сгибается на переходном участке под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора; сохранение постоянной площади потока между лопатками и в соответствующих выпускных каналах диффузора; и соединение множества диффузоров с множеством рабочих колес в центробежный насос.
Предпочтительно формование включает в себя формование каждого диффузора с задними кромками, сгибающимися под углом, по меньшей мере, шестьдесят градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора.
Более предпочтительно формование включает в себя формование каждого диффузора с задними кромками, сгибающимися под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора.
Дополнительно в способе осуществляют формование каждого диффузора с множеством лопаток диффузора, которые определяют площади потока на выходах задних кромок лопаток диффузоров, причем каждая площадь потока является по существу такой же, как площадь потока на входе соответствующего выпускного канала диффузора.
Кроме того, формование может включать в себя формование каждой задней кромки лопатки диффузора таким образом, что она сгибается под углом, по меньшей мере, тридцать градусов.
Дополнительно формование включает в себя формование каждой задней кромки лопатки диффузора таким образом, что она сгибается под углом приблизительно девяносто градусов.
Предпочтительно способ включает также размещение множества радиальных рабочих колес между множеством диффузоров и выполнение каждого рабочего колеса с лопатками рабочего колеса, сгибающимися под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Более предпочтительно формование включает в себя формование каждого рабочего колеса с лопатками рабочего колеса, сгибающимися под углом, по меньшей мере, шестьдесят градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Еще одним вариантом осуществления изобретения является способ изготовления центробежного насоса для уменьшения разделения текучей среды, в котором осуществляют формование множества радиальных рабочих колес, причем каждое рабочее колесо содержит множество лопаток рабочего колеса, сгибающихся на переходном участком под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса; сохранение постоянной площади потока между лопатками рабочего колеса и в соответствующих выпускных каналах диффузора; и соединение множества рабочих колес со множеством диффузоров в центробежный насос.
Предпочтительно способ включает также выполнение каждого рабочего колеса с лопатками рабочего колеса, сгибающимися под углом, по меньшей мере, шестьдесят градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Более предпочтительно, способ включает также выполнение каждого рабочего колеса с лопатками рабочего колеса, сгибающимися под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения является центробежный насос для откачивания текучих сред, содержащий электропогружной двигатель; и погружной насос, приводимый в действие посредством электропогружного двигателя, причем погружной насос содержит радиальные диффузоры, каждый из которых содержит лопатки диффузора с задними кромками, сгибающимися на переходном участке под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора, при этом лопатки диффузора образуют каналы диффузора, которые проходят через переходный участок и в соответствующие выпускные каналы диффузора с минимальным изменением площади, чтобы таким образом уменьшить разделение текучей среды.
Предпочтительно каждый диффузор содержит лопатки диффузора с задними кромками, сгибающимися под углом, по меньшей мере, шестьдесят градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора.
Более предпочтительно каждый диффузор содержит лопатки диффузора с задними кромками, сгибающимися под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие выпускные каналы диффузора.
Дополнительно электропогружной насос содержит рабочие колеса, каждое из которых содержит лопатки рабочего колеса, сгибающиеся под углом приблизительно девяносто градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Кроме того, центробежный насос может содержать также устройство для защиты двигателя, размещенное между электропогружным двигателем и погружным насосом.
Предпочтительно площадь потока на выходе из каждой задней кромки является по существу такой же, как площадь потока на входе в соответствующий выпускной канал диффузора.
Еще одним вариантом осуществления изобретения является центробежный насос для откачивания текучих сред, содержащий множество рабочих колес, причем каждым рабочим колесом является радиальное рабочее колесо с множеством лопаток рабочего колеса, сгибающимися на переходном участке под углом, по меньшей мере, "тридцать градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса без какого-либо существенного изменения площади потока так, что форма площади потока уменьшает диффузию и разделение текучей среды; и множество диффузоров.
Предпочтительно каждый диффузор содержит множество лопаток диффузора, сгибающихся под углом, по меньшей мере, шестьдесят градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Более предпочтительно лопатки рабочего колеса сгибаются под углом, по меньшей мере, девяносто градусов в соответствующие впускные каналы рабочего колеса.
Ниже описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых " подобные ссылочные номера обозначают подобные элементы и на которых изображено:
Фиг.1 - вид спереди буровой скважины, содержащей центробежный насос, размещенный в стволе скважины, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - местный разрез центробежного насоса, изображенный в буровой скважине на фиг.1, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - схематичную иллюстрацию диффузора для использования в центробежном насосе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - схематичную иллюстрацию графика изменения площади для диффузора, изображенного на фиг.3, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 - вид с поперечным разрезом части центробежного насоса в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 - увеличенный вид с поперечным разрезом одного проточного канала рабочего колеса в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
В приведенном ниже описании изложено множество деталей для обеспечения понимания настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено без данных деталей и что возможно множество изменений и модификаций описанных вариантов осуществления.
Настоящее изобретение относится вообще к центробежному насосу, который может быть использован во множестве устройств. Данный центробежный насос выполнен с диффузорами и/или рабочими колесами, которые являются менее чувствительными к чрезмерному торможению и возникающему в результате разделения текучей среды. В качестве примера центробежным насосом может быть погружной насос, используемый в устройствах, связанных с буровыми скважинами. Например, центробежный насос может быть использован в электропогружном откачивающем устройстве, используемом для откачки текучих сред в буровой скважине. Уникальная конструкция диффузоров и/или рабочих колес насоса уменьшает потери при разделении текучей среды и повышает эффективность центробежного насоса в погружных и других устройствах.
Пример центробежного насоса 30, используемого в устройстве, связанном с буровой скважиной, изображен на фиг.1. Однако изображенный вариант осуществления является лишь одним из примеров множества применений и устройств, которые получают преимущество от усовершенствованной конструкции центробежного насоса 30. На фиг.1 изображен центробежный насос 30, размещенный в погружном откачивающем устройстве 32, например, электропогружном откачивающем устройстве. Погружное откачивающее устройство 32 может содержать множество компонентов в зависимости от конкретного применения скважины или внешних условий, в которых она используется. Примерами компонентов, используемых в дополнение к центробежному насосу 30, являются, по меньшей мере, один электропогружной двигатель 34 и одно или более устройств 36 для защиты электродвигателя, соединенных вместе для образования погружного откачивающего устройства.
В изображенном варианте осуществления погружное откачивающее устройство 32 выполнено с возможностью размещения в буровой скважине 38 в пределах продуктивного пласта 40, который может содержать требуемые продуктивные текучие среды, такие как текучие среды на углеводородной основе. Продуктивный пласт 40 может быть доступен при помощи ствола скважины 42, который пробурен в продуктивном пласте 40 и проходит вниз от устья 44 скважины. Ствол 42 скважины может быть облицован обсадной колонной 46 ствола скважины, которая перфорируется при помощи множества отверстий 48 для обеспечения прохождения текучих сред между окружающим продуктивным пластом 40 и стволом 42 скважины.
Погружное откачивающее устройство 32 размещается в стволе 42 скважины при помощи перемещающего устройства 50, которое может иметь множество конфигураций. Например, перемещающее устройство 50 может содержать трубу 52, например, гибкую насосно-компрессорную трубу, намотанную на барабан, или эксплуатационную насосно-компрессорную колонну, соединенную с погружным откачивающим устройством 32 через соответствующее соединительное устройство 54. Энергия подается, по меньшей мере, в один электропогружной двигатель 34 через кабель электропитания 56, который проходит вниз вдоль перемещающего устройства 50 и погружного откачивающего устройства 32 для соединения с электропогружным двигателем 34. Электропогружной двигатель 34 в свою очередь приводит в действие центробежный насос 30, который может быть использован для засасывания текучей среды через всасывающее отверстие 58 насоса. В центробежном насосе 30 множество рабочих колес вращаются для обеспечения откачки, например, добычи текучей среды через трубу 52 в требуемый участок, такой как участок для сбора, расположенный на земной поверхности 60. Однако множество других компонентов и конфигураций устройств может быть использовано для выполнения многих типов операций откачки.
На фиг.2 изображен один вариант осуществления центробежного насоса 30, который содержит множество ступеней 62 насоса, распределенных вдоль значительной части его длины. На фиг.2 показано только несколько ступеней 62 для облегчения объяснения. Центробежный насос 30 содержит также наружный корпус 64, который может быть трубчатым по форме и проходит между первым концом 66 насоса и вторым концом 68 насоса. Ось 70 установлена с возможностью вращения в наружном корпусе 64, обычно вдоль оси 72 центробежного насоса 30.
Каждая ступень 62 насоса содержит диффузор 74 и рабочее колесо 76. В данном варианте осуществления центробежным насосом 30 является радиальный насос, содержащий радиальные рабочие колеса и диффузоры (Радиальные рабочие колеса и диффузоры выполнены таким образом, что основное направление потока текучей среды является, по существу, радиальным направлением потока относительно оси вращения насоса.). Обычно рабочие колеса 76 вращаются при помощи оси 70 и могут быть прикреплены с возможностью вращения к оси 70 при помощи, например, шпонки и шпоночной канавки. Вращающиеся рабочие колеса 76 сообщают движение текучей среде, проходящей через центробежный насос 30, и перемещают текучую среду с одной ступени 62 на другую до тех пор, пока текучая среда не будет выпущена через выпускные проточные каналы 78 в - первом конце 66 насоса. Диффузоры 74 закреплены с возможностью вращения в наружном корпусе 64 и служат для направления текучей среды с одного рабочего колеса 76 на другое.
На фиг.3 схематично показан один вариант осуществления диффузора 74, выполненного таким образом, чтобы предотвратить чрезмерное торможение и образующееся в результате разделение текучей среды, которые в противном случае могут привести к значительным потерям в насосе. Как показано, диффузор 74 содержит канал 80 диффузора, и, как правило, множество каналов 80 диффузора. Каждый канал 80 диффузора образуется, по меньшей мере, частично при помощи лопастей или лопаток 82, между которыми образуется канал. Кроме того, каждая лопатка 82 диффузора содержит переднюю кромку 84, которая принимает текучую среду из соседнего, расположенного рядом рабочего колеса 76. Текучая среда перемещается вдоль канала 80 диффузора на заднюю кромку 86 и затем на участок 88 выпускного канала диффузора (расположенный обычно над задней кромкой 86 в соответствии с фиг.3).
Задняя кромка 86 лопатки диффузора образует переходный участок 90 задней кромки канала диффузора, который поворачивается или сгибается по направлению к выпускному каналу 88 диффузора. Переходный участок 90 задней кромки канала диффузора выполнен с возможностью обеспечения минимального изменения площади при перемещении от задней кромки 86 лопатки 82 диффузора к выпускному каналу 88 диффузора. Это устраняет чрезмерное торможение и последующее разделение текучей среды, когда она проходит через переходный участок 90 задней кромки в выпускной канал 88 диффузора. Кроме того, каждая лопатка 82 диффузора выполнена с возможностью обеспечения регулируемого торможения, когда текучая среда проходит через канал. Следовательно, диффузор 74 способен уменьшить суммарную скорость текучей среды и восстановить скоростной напор при минимизации разделения потока.
Переходный участок 90 задней кромки 86 канала диффузора выполнен с дугообразным участком 92, который обеспечивает сгибание или поворот каждого канала 80 диффузора по направлению к выпускному каналу 88 диффузора для устранения любого значительного изменения площади. Как показано на графике изменения площади 94, схематично изображенном на фиг.4, минимальное изменение площади имеет место или вообще не имеет места, когда переходный участок 90 задней кромки каждого канала 80 диффузора переходит во впускное отверстие соответствующего выпускного канала 88 диффузора. Переходный участок и отсутствие какого-либо значительного изменения площади показано в точке 96 графика изменения площади 94. В результате, когда текучая среда проходит от задней кромки 86 каждой лопатки 82 диффузора в расположенный рядом выпускной канал 88 диффузора, имеет место относительно малое торможение, таким образом, эффективность откачки повышается.
Как было описано выше, уменьшение чрезмерного торможения и возникающего в результате разделения текучей среды может быть обеспечено посредством выполнения диффузоров 74 с задними кромками, которые сгибаются/поворачиваются к выпускному каналу 88 диффузора таким образом, чтобы уменьшить изменение площади в данном переходном участке. Требуемое уменьшение разделения текучей среды может быть обеспечено посредством выполнения каждого диффузора 74 таким образом, чтобы задняя кромка 86 каждой лопатки 82 диффузора сгибалась или каким-либо другим образом заходила под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующий выпускной канал 88 диффузора, как показано при помощи угла 98 на фиг.5. В других вариантах осуществления и в зависимости от конфигурации лопаток 82 диффузора вероятность разделения текучей среды может быть дополнительно снижена посредством захода задней кромки 86 вдоль дуги, заходящей, по меньшей мере, на шестьдесят градусов в соответствующий выпускной канал 88 диффузора, как показано при помощи угла 100. Кроме того, некоторые варианты осуществления диффузора 74 способны обеспечить значительное уменьшение, а в некоторых случаях почти полное устранение разделения текучей среды посредством образования дуги задней кромки 86, заходящей приблизительно на девяносто градусов в соответствующий выпускной канал 88 диффузора, как показано при помощи угла 102. В качестве примера в диффузоре 74, показанном на фиг.3, используется переходный участок 90, в котором задняя кромка 86 заходит приблизительно на девяносто градусов во впускное отверстие выпускного канала 88 диффузора.
Как показано на фиг.5 и 6, чрезмерное торможение и возникающее в результате разделение текучей среды могут быть также уменьшены посредством распространения аналогичных методов выполнения на рабочие колеса 76. Во многих традиционных конфигурациях рабочего колеса значительное увеличение площади, например, на 60% или более, имеет место от впускного канала рабочего колеса до задней кромки лопатки рабочего колеса. Такое значительное увеличение площади часто приводит к значительным потерям при разделении текучей среды. Как показано, каждое рабочее колесо 76 содержит одну или более лопастей или лопаток 104, которые направляют поток текучей среды из впускного канала 106 рабочего колеса в соседний диффузор 74, расположенный рядом.
Каждая лопатка 104 рабочего колеса содержит переднюю кромку 108, через которую текучая среда впускается, и заднюю кромку 110, вдоль которой текучая среда выпускается в соседний диффузор, расположенный рядом. В изображенном варианте осуществления передняя кромка 108 лопатки 104 рабочего колеса выполнена с возможностью перемещения вдоль дуги по направлению к впускному каналу 106 рабочего колеса. Это гарантирует значительно меньшее увеличение площади при переходе от впускного канала 106 рабочего колеса в переднюю кромку 108 каждой лопатки рабочего колеса. Как и в диффузоре 74, значительные уменьшения в разделении текучей среды могут быть обеспечены посредством выполнения каждого рабочего колеса 76 таким образом, что передняя кромка 108 каждой лопатки 104 рабочего колеса сгибается или каким-либо иным образом заходит под углом, по меньшей мере, тридцать градусов в соответствующий впускной канал 102 рабочего колеса, как показано при помощи угла 112 на фиг.5 и 6. В других устройствах вероятность разделения текучей среды может быть дополнительно снижена посредством захода передней кромки 108 вдоль дуги, по меньшей мере, на шестьдесят градусов в соответствующий впускной канал 106 рабочего колеса, как показано при помощи угла 114. Кроме того, некоторые варианты осуществления рабочего колеса 76 способны дополнительно снизить вероятность разделения текучей среды посредством образования дуги передней кромки 108, заходящей приблизительно на девяносто градусов в соответствующий впускной канал 106 рабочего колеса, как показано при помощи угла 116. Необходимо отметить, что диффузорами 74 и рабочими колесами 76, показанными на фиг.5, являются радиальные диффузоры и рабочие колеса, которые могут размещаться в наружном корпусе 64 центробежного насоса 30.
Предлагаемое исполнение диффузоров 74 и/или рабочих колес 76 уменьшает чрезмерное торможение в участках насоса, которые в противном случае будут подвержены разделению текучей среды и возникающим в результате потерям в эффективности насоса. Однако конкретные размеры, конструкции, материалы и конфигурации диффузоров и рабочих колес могут выбираться в соответствии с исполнением всего откачивающего устройства, откачиваемой текучей средой, условиями, в которых используется откачивающее устройство и другими расчетными параметрами. Кроме того, предлагаемый более эффективный центробежный насос может быть использован во множестве откачивающих устройств, таких как электропогружные откачивающие устройства, и во множестве применений.
Следовательно, хотя выше были подробно описаны лишь некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможно множество модификаций без отхода от сущности настоящего изобретения. Предполагается, что такие модификации включаются в объем настоящего изобретения, определяемые формулой изобретения.