СТУПЕНЬ (РАБОЧИЙ ОРГАН) ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАСОСА

Полезная модель относится к устройствам для добычи нефти и нефтяных жидкостей из скважин, преимущественно к многоступенчатым центробежным и центробежно-вихревым насосам для добычи пластовой жидкости и работы в системе поддержания пластового давления. Рабочий орган погружного многоступенчатого насоса включает рабочее колесо, содержащее ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками, и направляющий аппарат с профилированными лопатками.
Современное состояние нефтедобывающей промышленности характеризуется существенным ухудшением эксплуатационных условий скважинного оборудования.
Факторов, влияющих на работу установок электрических центробежных насосных (УЭЦН), очень много: начиная от конструкций скважины и насоса, и заканчивая процессами, проходящими в самом пласте. Совокупность всех осложнений приводит к резкому снижению эффективности работы УЭЦН. В связи с этим становятся актуальными разработки, направленные на повышение показателей эффективности работы насоса.
К основным осложняющим факторам, приводящим к снижению эффективности работы УЭЦН, можно отнести: газ, вода, отложение солей и асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО), наличие механических примесей в добываемой из пласта жидкости и др.
Вследствие того, что безводный период эксплуатации скважин занимает малую часть от общего периода, влияние воды на работу УЭЦН
начинается практически с момента начала работы скважины. Появление в нефти пластовой воды приводит к целому ряду осложнений при эксплуатации УЭЦН.
По своему химическому составу нефть склонна к образованию эмульсий, поскольку в ее состав входят активные эмульгаторы-асфальтены и смолы. Процессу образования эмульсий способствуют глина и песок, принесенные с поверхности или из пласта. Так как вязкость и устойчивость эмульсии зависят от дисперсности водонефтяных смесей, а УЭЦН является одним из лучших диспергаторов, то в процессе прохождения жидкости через рабочие колеса образуется эмульсия, вязкость которой может повышаться в десятки раз по сравнению с чистой нефтью. Увеличение вязкости негативно отражается на рабочих характеристиках УЭЦН.
Другой формой осложнения является появление высокоминерализованной пластовой воды, что приводит к сильной коррозии и активному солеотложению в органах насоса. Это связано с высокой коррозионной активностью пластовой воды. Сочетание воздействия высокоминерализованной воды и электрического тока приводят к возникновению электрохимической коррозии металла. Если к этим факторам добавляется низкое забойное давление, то происходит активное солеотложение в рабочих органах насоса.
Другим постоянным спутником нефти при ее добыче является газ. При попадании газа в рабочие органы насоса образуются газовые каверны, величина которых соизмерима с размерами канала ступени. При этом происходит ухудшение энергообмена между рабочим колесом и жидкостью. Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием все возрастающей разности давления жидкости и давления
внутри пузырька и движутся к его центру ускоренно. При полной конденсации пузырька происходит столкновения частиц жидкости, сопровождающиеся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен мегапаскаль. Это приводит к разрушению поверхности рабочих органов насоса. В добываемой жидкости находятся различные механические примеси. Это могут быть соли, продукты разрушения пласта и механические примеси, принесенные с поверхности при ремонтах скважин. Создание на забое скважины перепада давления приводит к частичному разрушению скелета горной породы. Мелкие частицы породы вместе с жидкостью попадают в насос и абразивно изнашивают поверхности рабочих органов.
Из-за изменения геометрических параметров рабочих колес, вследствие износа поверхности рабочих органов и их значительной массы возникает дисбаланс и, как следствие, это приводит к существенной вибрации УЭЦН. При этом собственная вибрация насоса передается практически на всю длину эксплуатационной колонны. Повышенные виброперемещения вызывают знакопеременные напряжения в области соединения узлов УЭЦН между собой, стимулируя их разрушение в месте соединения. В результате под воздействием вибрации нарушается герметичность колонны, а следовательно, появляются межколонные перетоки.
Таким образом, рабочие органы погружных насосов для добычи нефти в процессе их эксплуатации подвергаются интенсивному гидроабразивному износу. Это приводит, во-первых, к снижению напора в насосной установке, а во-вторых, к появлению повышенных вибраций, которые впоследствии приводят к нарушению герметичности колонны.
Наличие в пластовой жидкости сопутствующих газов приводит к
возникновению эрозии поверхности проточной части рабочих органов и вследствие этого к увеличению гидродинамического сопротивления и снижению КПД насоса.
Наличие в пластовой жидкости агрессивных газов и жидкостей вызывает интенсивную коррозию рабочих органов.
Наличие электрохимического потенциала в сочетании с высокой агрессивностью пластовой жидкости и электропроводностью рабочих органов вызывает интенсивную электрохимическую коррозию последних.
Вследствие электропроводности материала, из которого изготовлены рабочие органы, при наличии в пластовой жидкости солей происходит интенсивное солеотложение на поверхности проточной части рабочих органов. В результате сечение проточной части забивается и существенно снижается напор в насосе.
Поверхности рабочих органов, изготовленных из металла, обладают достаточно высокой адгезионной способностью. При наличии в пластовой жидкости парафинов в проточной части рабочих органов происходит их интенсивное отложение. В результате каналы быстро забиваются и напор соответственно падает. Усугубляет ситуацию тот факт, что осложнения не встречаются по отдельности. Чаще всего эксплуатируемые скважины имеют целый набор осложнений, которые снижают эффективность работы УЭЦН. Один вид осложнения может привести к появлению новых проблем при эксплуатации.
Известны технические решения, которые направлены на повышение коррозионной стойкости, износостойкости, и, как следствие, повышение надежности погружных многоступенчатых насосов (см. например, RU 2274769, 20.04.2006; RU 55901, 27.08.2006; RU 54630, 10.07.2006; RU 24517, 10.08.2002).
В известных технических решениях, в частности, предлагается изготавливать рабочее колесо насоса из пластмассы или с пластмассовым покрытием или из упрочненного пористого порошкового материала, или из чугуна с насыщенным диффундирующим веществом, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости, поверхностным слоем.
Однако все эти технические решения не обеспечивают в достаточной степени повышение коррозионной стойкости, износостойкости, надежности погружного многоступенчатого насоса.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является:
1. Повышение коррозионной стойкости рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
2. Защита от электрохимической коррозии рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
3. Повышение износостойкости рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
4. Повышение стойкости к эрозионному износу рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
5. Снижение солеотложения в проточной части рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
6. Снижение асфальто-смоло-парафиновых отложений в проточной части рабочих органов погружных насосов для добычи нефти;
7. Снижение веса погружного оборудования;
8. Снижение вибрации насосного оборудования;
9. Увеличение КПД насосного оборудования.
Поставленная задача решается следующим образом.
В первом варианте выполнения полезной подели:
2
3
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены профилированные лопатки. При этом ступень изготовлена из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на ступени сформировано керамическое покрытие АlО из не менее чем двух слоев.
Кроме того:
2
3
- первый - нижний барьерный слой керамического покрытия АlО имеет толщину от 0,01 мкр до 4 мкр и высокую плотность - около 100%;
2
3
- суммарная толщина керамического покрытия AlО находится в диапазоне от 2 до 1000 мкм;
2
3
- пористость верхних слоев керамического покрытия AlО находится в диапазоне от 1 до 50%;
- размер пор находится в диапазоне 0,1 мкм до 15 мкм;
- толщина покрытия на основе алюминия составляет от 2 мкм до 1000 мкм и более.
Во втором варианте выполнения полезной подели:
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены
2
3
профилированные лопатки. При этом рабочее колесо изготовлено из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на проточной части рабочего колеса, которая образована внутренними поверхностями его дисков, а также его лопатками, сформировано керамическое покрытие AlО из не менее чем двух слоев.
Кроме того:
2
3
- первый - нижний барьерный слой керамического покрытия АlО имеет толщину от 0,01 мкр до 4 мкр и высокую плотность - около 100%;
2
3
- суммарная толщина керамического покрытия AlО находится в диапазоне от 2 до 1000 мкм;
2
3
- пористость верхних слоев керамического покрытия АlО находится в диапазоне от 1 до 50%;
- размер пор находится в диапазоне 0,1 мкм до 15 мкм;
- толщина покрытия на основе алюминия составляет от 2 мкм до 1000 мкм и более.
В третьем варианте выполнения полезной подели:
2
3
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены профилированные лопатки. При этом направляющий аппарат изготовлен из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на проточной части направляющего аппарата, которая образована внутренними поверхностями его стакана с дисками, а также его лопатками, сформировано керамическое покрытие АlО из не менее чем двух слоев.
Кроме того:
2
3
- первый - нижний барьерный слой керамического покрытия AlО имеет толщину от 0,01 мкр до 4 мкр и высокую плотность - около 100%;
2
3
- суммарная толщина керамического покрытия АlО находится в диапазоне от 2 до 1000 мкм;
2
3
- пористость верхних слоев керамического покрытия AlО находится в диапазоне от 1 до 50%;
- размер пор находится в диапазоне 0,1 мкм до 15 мкм;
- толщина покрытия на основе алюминия составляет от 2 мкм до 1000 мкм и более.
В четвертом варианте выполнения полезной подели:
2
3
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены профилированные лопатки. При этом ступень изготовлена из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на ступени сформировано керамическое покрытие AlО из не менее чем двух слоев, а на керамическое покрытие нанесено полимерное покрытие с высокой антиадгезионной способностью.
Кроме того:
- в качестве полимерного покрытия использовано тефлоновое покрытие.
В пятом варианте выполнения полезной подели:
2
3
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены профилированные лопатки. При этом рабочее колесо изготовлено из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на проточной части рабочего колеса, которая образована внутренними поверхностями его дисков, а также его лопатками, сформировано керамическое покрытие AlО из не менее чем двух слоев, а на керамическое покрытие нанесено полимерное покрытие с высокой антиадгезионной способностью.
Кроме того:
- в качестве полимерного покрытия использовано тефлоновое покрытие.
В шестом варианте выполнения полезной подели:
Ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса содержит рабочее колесо с ведущим и ведомым дисками, между которыми размещены лопатки, и направляющий аппарат, который включает в себя стакан с верхним и нижним дисками, между которыми размещены профилированные лопатки. При этом направляющий аппарат изготовлен из алюминиевого сплава либо из стали или чугуна с нанесенным на стальную или чугунную поверхность покрытием на основе алюминия, при этом на проточной части направляющего аппарата, которая образована
2
3
внутренними поверхностями его стакана с дисками, а также его лопатками, сформировано керамическое покрытие AlО из не менее чем двух слоев, а на керамическое покрытие нанесено полимерное покрытие с высокой антиадгезионной способностью.
Кроме того:
- в качестве полимерного покрытия использовано тефлоновое покрытие.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показана ступень (рабочий орган) погружного многоступенчатого насоса, на фиг.2 - рабочее колесо погружного многоступенчатого насоса, на фиг.3 - направляющий аппарат погружного многоступенчатого насоса.
На указанных фигурах обозначены следующие позиции:
1. Вал
2. Защитная втулка
3. Текстолитовое кольцо
4. Рабочее колесо
5. Направляющий аппарат
6. Проточная часть
7. Поток пластовой жидкости
8. Ведущий диск рабочего колеса
9. Защитное покрытие проточной части рабочего колеса
10. Лопатка рабочего колеса
11. Ведомый диск рабочего колеса
12. Стакан с верхним диском направляющего аппарата
13. Защитное покрытие проточной части направляющего аппарата
14. Лопатка направляющего аппарата
15. Нижний диск направляющего аппарата.
2
3
Нижний слой защитного керамического покрытия АlO (защитное покрытие обозначено поз.9, 13 на фиг.2 и 3) благодаря сверхвысокой плотности и исключительной коррозионной стойкости надежно защищает проточную часть рабочего органа от коррозии, в частности от воздействия сероводорода. Второй основной рабочий слой покрытия толщиной от 2 до 1000 мкм имеет очень высокую твердость и прочность. При этом по мере углубления в рабочий слой покрытия его твердость возрастает. Его твердость достигает до 2500 единиц по Виккерсу. Данное покрытие по твердости уступает только алмазу.
2
3
2
3
Керамическое покрытие АlО обладает очень высокой гидроабразивной износостойкостью. Оно является диэлектриком и пробивное напряжение прямо пропорционально толщине покрытия. Покрытие АlO обладает очень высокой коррозионной стойкостью. После шлифовки покрытия его поверхность имеет очень низкую адгезионную способность и маленький коэффициент трения. Данное покрытие обладает очень высокой стойкостью к эрозионному износу. Покрытие обладает высокой теплостойкостью (около 10000С).
Толщина рабочего слоя керамического покрытия диктуется, с одной стороны, требуемым ресурсом по износостойкости, а с другой стороны, экономической целесообразностью. Чем большая требуется износостойкость покрытия - тем большая выбирается толщина покрытия. Для чисто коррозионно-стойкого исполнения выбирается минимальная толщина покрытия. При возникновении необходимости наложения покрывного полимерного покрытия толщина рабочего слоя керамического покрытия выбирается из соображения обеспечения
высокой адгезии полимерного покрытия.
Для обеспечения повышенной стойкости к электрохимической коррозии выбирается увеличенная толщина покрытия (повышаются диэлектрические свойства).
Наименьшая пористость рабочего слоя покрытия и наименьший размер пор выбирается при формировании покрытий коррозионно-стойких и износостойких, а также для покрытий стойких к солеотложению.
2
3
Повышенная пористость рабочего слоя покрытия выбирается для рабочих органов, стойких к асфальто-смоло-парафиновым отложениям. В последнем случае сверху рабочего слоя покрытия наносится полимерное покрытие, обладающее очень высокой антиадгезионной способностью (например, тефлон). Повышенная пористость покрытия, а также увеличенный размер пор обеспечивает высокую адгезию полимерного покрытия к основному рабочему слою AlO. При этом износостойкость керамического покрытия с повышенной пористостью снижается.
Рабочие органы насосов, изготовленные из алюминиевого сплава с керамическим покрытием, имеют вес почти в три раза меньший, чем стальные или чугунные. Они не подвергаются коррозии, износу, отложению солей, парафинов. Благодаря этому вибрация насосов с подобными рабочими органами сводится к минимуму или исключается вообще.
Выше перечисленные факторы вследствие снижения гидродинамического сопротивления обеспечивают повышение КПД насосного оборудования, а также значительно увеличивают наработку на отказ насосов и, следовательно, снижают число текущих ремонтов скважин.