ОБРАТНЫЙ КЛАПАН УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН), предназначенных для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин и форсированного отбора жидкости. Установку ЭЦН можно применять для добычи жидкостей, содержащих газ, песок и коррозионно-активные элементы.
Предпосылки для создания полезной модели.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее.
Установка ЭЦН состоит из погружного насосного агрегата, кабеля в сборе, наземного электрооборудования - трансформаторной комплексной подстанции. Насосный агрегат состоит из погружного центробежного насоса и двигателя с гидрозащитой и спускается в скважину на колонне насосно -компрессорных труб (НКТ).
Внутрискважинное оборудование установки включает в себя:
1. Погружной электродвигатель (ПЭД);
2. Узлы гидрозащиты двигателя - компенсатор и протектор;
3. Электропогружной центробежный насос модульного исполнения (ЭЦНМ);
4. Клапанные узлы - обратный и сливной.
Насосный агрегат (ПЭД с узлами гидрозащиты, ЭЦН и клапанные узлы), спускают в скважину на колонне НКТ, по центральному каналу которых затем поднимается на поверхность откачиваемая насосом продукция пласта.
Особенностью запуска центробежных насосов является то, что насос должен запускаться при нулевой подаче, т.е. при закрытой задвижке. Для облегчения запуска погружного электронасоса и предотвращения обратного вращения ротора насоса (турбинный режим) под воздействием столба жидкости в колонне труб при остановке насоса в конструкцию включают обратный клапан.
3
Обратные клапанные узлы рассчитаны на подачу до 2000 м/сут, конструктивно одинаковы и имеют резьбы и муфты под насосно-компрессорные трубы диаметром 73 мм, 89 мм.
Применяют клапанные узлы различных конструкций: шаровые, тарельчатые или иной конструкции, которые приведены ниже.
Известен клапан обратный (шаровой), который состоит из корпуса, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба для подсоединения спускного клапана, а с другой стороны - наружная коническая резьба для ввинчивания в головку ловильную верхней секции насоса. В корпусе установлена направляющая втулка и ограничительный стержень. Седло упирается буртиком в корпус клапана посредством стального кольца. Шарик садиться в седло и перекрывает проходное отверстие. (Метод, указание. Е.Б. Думлер, Г.И. Бикбулатова. Погружные центробежные насосные установки, - АГНИ, 2009. - 41 с).
В процессе эксплуатации установок, оснащенных шаровыми клапанами был выявлен ряд недостатков:
- негерметичная посадка шарика в седло при содержании крупных механических примесей в продукции пласта;
- скорость срабатывания клапана меньше чем у клапана тарельчатого типа.
Известен многофункциональный клапанный узел, который выполняет функции обратного и сливного клапанов. Клапан состоит из корпуса, подвижной втулки, двух переводников, соединенных с корпусом на резьбе. В корпусе выполнены радиальные каналы. Втулка имеет нижнее седло (на нее садится шар), и верхнее седло, выполненное в виде уплотнителя и кулачков, причем последние установлены во втулке с возможностью их радиального перемещения и взаимодействия с корпусом и рабочим инструментом-шаром. Радиальные каналы втулки совмещаются в ее крайнем нижнем положении с радиальными каналами корпуса, при этом затрубное пространство скважины сообщается с внутренней полостью труб (Насосы погружные центробежные и центробежно-вихревые модульные. Каталог ЗАО «НОВОМЕТ - ПЕРМЬ». - Пермь, 1999 г. - 12 с.).
Несмотря на многофункциональность и возможность обеспечения проведения различных операций в процессе эксплуатации установки, клапанный узел имеет некоторые недостатки: частичное разрушение штуцера, связанное с потерей герметичности шара, низкий срок службы, усложнение скважинного оборудования, что увеличивает его стоимость.
Наиболее близким аналогом, то есть прототипом является обратный клапан типа КО, который расположен между насосом 1 и спускным клапаном. Обратный клапан состоит из корпуса 13, с одной стороны которого имеется внутренняя коническая резьба для подсоединения спускного клапана, а с другой стороны - наружная коническая резьба для ввинчивания в ловильную головку верхней секции насоса 1. Внутри корпуса 13 размещается металлическое седло с резиновой вставкой 14, на которое опирается тарелка клапана 15. Тарелка клапана 15 имеет возможность осевого перемещения в направляющей втулке 16. Под воздействием потока перекачиваемой жидкости тарелка клапана 15 поднимается, тем самым, открывая проход в клапане. Предохранительная манжета 17 смягчает удары тарелки клапана 15 о направляющую втулку 16 при открывании клапана. При остановке насоса 1 тарелка клапана 15 опускается на металлическое седло с резиновой вставкой 14 под воздействием столба жидкости в напорном трубопроводе, то есть клапан закрывается. На период транспортирования и хранения обратный клапан типа КО закрыт крышками 19 и 20. (Метод, указание. Техника и технология добычи и подготовки нефти и газа, - АГНИ, 2011. - 36 с.)
Недостатком клапанных узлов является повреждение направляющей втулки, вследствие приведения в действие сливного клапанного узла, который устанавливается в компоновке внутрискважинного оборудования установки над обратным.
Для предотвращения разрушения деталей клапанного узла и устранения несовершенства известных устройств предлагается создать клапанный узел, в котором отсутствуют недостатки вышеуказанных конструкций.
Задачей полезной модели является создание устройства, которое увеличивает эксплуатационные показатели надежности, упрощает конструкцию, увеличивает межремонтный период и увеличивает срок службы насосного оборудования.
Поставленная задача решается предлагаемым обратным клапаном УЭЦН.
Обратный клапан УЭЦН содержит седло, запорный орган (в дальнейшем тарелку клапана) и предохранительную манжету.
Новым является то, что предлагаемая конструкция обратного клапана УЭЦН устанавливается в нижней части верхнего модуля секции насоса и может быть изготовлена в двух исполнениях: с металлическим седлом или с резиновым седлом в корпусе насоса.
Новым является и то, что для предотвращения осевого смещения защитной втулки вала предусмотрено стопорное кольцо, в обоих исполнениях клапана предлагается установить защитную втулку вала на валу верхним концом встык с опорной втулкой, а в нижней части следует застопорить защитную втулку вала стопорным кольцом.
Устраняется причина преждевременного выхода из строя направляющей втулки существующей конструкции обратного клапана типа КО (прототип), которая описана выше, что в свою очередь увеличивает межремонтный период установки и срок службы заявляемой полезной модели.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - Существующий общий вид установки погружного центробежного электронасоса типа ЭЦН;
- на фиг. 2 - Общий вид установки погружного центробежного электронасоса типа ЭЦН (предлагаемая конструкция);
- на фиг. 3 - Обратный клапан типа КО (прототип);
- на фиг. 4 - Конструкция обратного клапана УЭЦН;
- на фиг. 5 - Конструкция обратного клапана УЭЦН с резиновым седлом;
- на фиг. 6 (а, б) - Схемы расположения клапанных узлов в корпусе УЭЦН.
На фиг. 1 представлен существующий общий вид установки погружного центробежного электронасоса типа УЭЦН где: насос с электродвигателем 1, компенсатор 2, протектор 3, ЭЦН 4, обратный и сливной клапанные узлы 5, монтажный пояс 6, кабельная линия 7, автотрансформатор 8, выносной подключательный пункт 9, станция управления 10, оборудование устья скважины 11, колонна насосно-компрессорных труб 12.
На фиг. 2 представлен общий вид установки погружного центробежного электронасоса типа УЭЦН (предлагаемая конструкция). Где соответственно: электродвигатель 1, компенсатор 2, протектор 3, ЭЦН 4, сливной клапан 5, монтажный пояс 6, кабельная линия 7, автотрансформатор 8, выносной подключательный пункт 9, станция управления 10, оборудование устья скважины 11, колонна насосно-компрессорных труб 12.
На фиг. 3 представлен обратный клапан типа КО (прототип) состоящий из: корпуса 13, металлического седла с резиновой вставкой 14, тарелки клапана 15, направляющей втулки 16, предохранительной манжеты 17, ограничительного кольца 18, защитной крышки 19, защитной пробки 20.
На фиг. 4 представлена предлагаемая конструкция обратного клапана УЭЦН с металлическим седлом с резиновой вставкой 14. Основными деталями которого являются: металлическое седло с резиновой вставкой 14, тарелка клапана 15, защитная втулка вала 21, предохранительная манжета 17.
На фиг. 5 представлен предлагаемый обратный клапан УЭЦН с резиновым седлом. Клапанный узел включает в себя следующие детали: резиновое седло 22, тарелку клапана 15, защитную втулку вала 21, предохранительную манжету 17.
На фиг. 6 представлены схемы расположения обратного клапана в корпусе УЭЦН в двух исполнениях: а) с металлическим б) резиновым седлом.
На схемах соответственно:
а) металлическое седло с резиновой вставкой 14, тарелка клапана 15, защитная втулка вала 21, стопорное кольцо 23, опорная втулка 24, основание (модуль головка) 25, корпус насоса 26, подшипник нижний 27, предохранительная манжета 17.
б) резиновое седло 22, тарелка клапана 15, защитная втулка вала 21, стопорное кольцо 23, корпус насоса 26, предохранительная манжета 17, основание (модуль головка) 25, опорная втулка 24, подшипник нижний 27.
Для установки клапана с резиновым седлом 22, необходимо расточить коническую поверхность корпусной детали насоса 1, и затем резиновое седло 22 впрессовывают в корпус насоса 26. При проведении ремонтных работ, резиновое седло 22 следует извлечь из расточки корпуса насоса 26 и заменить на новое, предварительно очистив коническую поверхность под резиновое седло 22. Резиновое седло 22 следует изготовить из нефтестойкой - найритовой резины.
Для установки металлического седла с резиновой вставкой 14 выполняют цилиндрическую расточку основания (корпусной детали модуля секций). Защитная втулка вала 21 устанавливается на валу (на фиг. не обозначен). На защитную втулку вала 21 устанавливают тарелку клапана 15, которая имеет возможность осевого перемещения относительно этой защитной втулки вала 21. Перемещение тарелки клапана 15 ограничено буртом защитной втулки вала 21 и металлическим седлом с резиновой вставкой 14 клапана. Удар тарелки клапана 15 при подъеме о бурт защитной втулки вала 21 амортизирует предохранительная манжета 17, которая выполнена из нефтестойкой - найритовой резины. Резиновая вставка металлического седла 14 из этого же материала впрессована в металлическое седло клапанного узла, для увеличения степени герметичности при перекрытии проходного отверстия.
При проведении сборочных работ устанавливается обратный клапан УЭЦН в нижней части верхнего модуля секции насоса 1 в модуль головку 25. Далее производится сборка узлов насоса 1 и последующие испытания на стендах. После проведения сборочных работ и транспортировки насосного агрегата к скважине, проводится спуск насосного оборудования в скважину. УЭЦН спускается в скважину на колонне НКТ 12. Далее устанавливается оборудование устья скважины 11, комплекс наземного оборудования (автотрансформатор 7, выносной подключательный модуль 9, станция управления 10).
Оборудование должно быть заземлено. Пуск насоса 1 должен производиться в соответствии с нормативно-технической документацией квалифицированным персоналом.
Принцип действия обратного клапана УЭЦН: при запуске насоса 1 жидкость, засасываемая через приемный фильтр (на фиг. не указан), поступает на лопасти вращающегося рабочего колеса насоса 1. При вращении рабочего колеса, под действием лопаток, жидкость приобретает скорость и давление и далее движется вверх по колонне НКТ 12. Под действием давления жидкости тарелка клапана 15 движется вверх, относительно защитной втулки вала 21 до буртика, открывая проходное отверстие для перекачиваемой жидкости. По колонне НКТ 12 жидкость поступает в оборудование устья скважины 11 и далее транспортируется по трубопроводу.
При остановке насоса 1 перекачиваемая жидкость стекает вниз по колонне НКТ 12 и приводит в действие тарелку клапана 15, которая движется в осевом направлении вниз, садится в металлическое седло с резиновой вставкой 14 обратного клапана УЭЦН и предотвращает возможность слива жидкости из насоса 1. Тем самым обратный клапан УЭЦН облегчает запуск погружного электронасоса и предотвращает обратное вращение ротора насоса 1 (турбинный режим) под воздействием столба жидкости в колонне труб НКТ 12 при остановке насоса 1.
Принцип действия клапанного узла с резиновым седлом 22 аналогичен принципу действия вышеуказанной конструкции клапана. Особенностью является то, что при использовании резинового седла 22 достигается наибольшая герметичность клапанного узла из-за упругих свойств резины.
Особенностью данной конструкции является зазор между наружной поверхностью защитной втулки вала 21 и тарелки клапана 15, зазор должен обеспечивать свободное перемещение тарелки клапана 15. Величина зазора между тарелкой клапана 15 и защитной втулкой вала 21 должна быть не более 0,163 мм.
Преимуществами данной конструкции обратного клапана УЭЦН являются:
а) простота конструкции и изготовления;
б) простота ремонта и замены деталей;
в) снижение металлоемкости установки (за счет исключения из установки корпусной детали обратного клапана);
г) снижение затрат на изготовление;
д) снижение времени на проведение спуско-подъемных операций (СПО);
ж) сокращение количества составляющих узлов установки.
Предлагаемый обратный клапан позволит устранить недостатки выше приведенных клапанов, а также сократить длину всей установки в целом и в то же время сохранить свои функции.
Материал защитной втулки следует выбрать из антикоррозионного, антифрикционного, высокопрочного материала.
Таким образом, представленный обратный клапан УЭЦН устраняет несовершенства существующих клапанных узлов.