ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ПЕРЕДНЕЙ КРОМКОЙ
IMPELLER BLADE WITH IMPROVED FRONT EDGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к электрическим погружным насосам (ЭПН), а в частности к лопатке рабочего колеса, профиль передней кромки которой обеспечивает увеличение турбулентности потока флюида (текучей среды), контактирующего с этой передней кромкой.
Уровень техники
Погружные насосные системы часто используют в скважинах, предназначенных для добычи углеводородов с целью выкачивания флюидов из этих скважин на поверхность. Эти флюиды обычно представляют собой жидкости и включают добываемый жидкий углеводород, а также воду. В одной из систем такого типа используется электрический погружной насос (ЭПН). ЭПН-ы обычно располагаются на конце лифтовой колонны и имеют двигатель, питаемый электричеством. Подача электрической энергии к двигателю насоса часто осуществляется через кабель. Насосная установка обычно располагается в скважине прямо над участком перфорирования продуктивного интервала, из которого осуществляется добыча углеводородов.
В центробежных погружных насосах обычно используется пакет (сборка) из вращающихся рабочих колес и неподвижных диффузоров, в котором рабочие колеса и диффузоры располагаются поочередно и соосно друг другу. Проходы, предусмотренные как в рабочих колесах, так и в диффузорах, определяют путь движения потока, по которому принудительно направляется флюид, в то время как его давление в насосе повышается. Изменения в плотности выкачиваемого флюида, связанные с присутствием в нем газа или эмульсий, могут приводить к закупориванию канала движения потока через насос, что выражается в снижении коэффициента полезного действия и производительности последнего.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается электрический погружной насос (ЭПН), имеющий повышенный коэффициент полезного действия, особенно в случае выкачивания флюида с неравномерным распределением плотности. В одном варианте осуществления этот ЭПН содержит двигатель, вал, соединенный с двигателем и селективно (избирательно) вращаемый последним, и собственно насос. В этом варианте осуществления насос включает группу рабочих колес, имеющих входной канал для флюида, кольцевую втулку, соединенную с валом, проходы для потока, простирающиеся радиально и/или аксиально между втулкой и внешней периферией рабочего колеса, и лопатку между проходами для потока, простирающуюся радиально между втулкой и внешней периферией рабочего колеса. Обращенный к втулке конец лопатки имеет волнообразный профиль, определяющий переднюю кромку. Поэтому при контакте флюида, поступающего из входного канала, с этой передней кромкой происходит увеличение его турбулентности, приводящее к перемешиванию и гомогенизации флюида, благодаря чему предотвращается закупоривание канала движения потока. Лопатка имеет поперечное сечение с удлиненной стороной, причем волнообразный профиль простирается вдоль этой удлиненной стороны. Кроме того, насос содержит верхний и нижний диски рабочего колеса, простирающиеся радиально наружу от втулки до внешней периферии рабочего колеса и соответственно расположенные на верхней и нижней поверхностях лопатки. В одном варианте осуществления входной канал для флюида сформирован в осевом направлении и проходит через нижний диск рабочего колеса, а передняя кромка находится в непосредственной близости к этому входному каналу. В альтернативных вариантах осуществления волнообразный профиль содержит участки волнообразной неровности, имеющие примерно одинаковые или разные высоту и длину. Наружная поверхность лопатки между передней кромкой и внешней периферией рабочего колеса может быть, по существу, плоской. В одном варианте осуществления волнообразный профиль содержит два участка волнообразной неровности, но в альтернативных вариантах может содержать и более двух таких участков. Толщина лопатки может уменьшаться в непосредственной близости к передней кромке.
Кроме того, в настоящем изобретении предлагается установка электрического погружного насоса (ЭПН) для использования в скважине, содержащая двигательную секцию, включающую двигатель, вал, соединенный с двигателем и селективно вращаемый последним, и насосную секцию, включающую пакет рабочих колес. В этом варианте осуществления каждое рабочее колесо содержит кольцевую втулку, соединенную с валом и могущую вращаться при вращении вала, лопатки, радиально выступающие между втулкой и внешней периферией рабочего колеса и расположенные на некотором расстоянии друг от друга с целью образования проходов для потока между соседними лопатками, входные каналы для впуска флюида в каждый из проходов для потока, примыкающих к втулке, путь движения потока в каждом проходе, простирающийся от каждого входного канала через каждый проход вдоль примыкающих к нему лопаток в направлении внешней периферии каждого рабочего колеса, и волнообразный профиль на конце каждой лопатки в непосредственной близости к втулке, определяющий переднюю кромку и находящийся на пути движения потока флюида. Волнообразный профиль вносит возмущение в поток, так что при прохождении потока флюида вдоль пути его движения к передней кромке происходит увеличение турбулентности потока, приводящее к перемешиванию флюида. Кроме того, ЭПН содержит в насосной секции диффузоры, расположенные соосно с каждым соседним рабочим колесом. Каждый волнообразный профиль на лопатке может быть расположен вдоль пути, примыкающего к границе раздела между лопаткой и примыкающим проходом для потока. В одном варианте осуществления каждая лопатка имеет поперечное сечение с удлиненной стороной, причем волнообразный профиль простирается вдоль этой удлиненной стороны. В различных вариантах осуществления каждый волнообразный профиль содержит участки волнообразной неровности, имеющие примерно одинаковые или разные размеры. Каждое рабочее колесо включает верхний диск, простирающийся радиально наружу от втулки до внешней периферии рабочего колеса и охватывающий боковую сторону каждой лопатки, и нижний диск, простирающийся радиально наружу от втулки до внешней периферии рабочего колеса и охватывающий боковую сторону каждой лопатки, удаленную от верхнего диска.
Краткое описание чертежей
Для обеспечения более детального понимания настоящего изобретения и получения ясного представления об его отличительных признаках, преимуществах, объектах и прочих аспектах ниже приведено более подробное описание изобретения, кратко раскрытого выше, в котором пример осуществления изобретения иллюстрируется приложенными чертежами, составляющими часть настоящей заявки. Следует, однако, отметить, что эти чертежи иллюстрируют лишь предпочтительный вариант осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, поскольку настоящее изобретение допускает и другие в равной степени эффективные варианты осуществления.
На чертежах показано:
фиг. 1 - схематическое изображение установки электрического погружного насоса, размещенной в скважине,
фиг. 2 - перспективное изображение рабочего колеса установки электрического погружного насоса, показанной на фиг. 1,
фиг. 3 - частичное перспективное изображение лопатки рабочего колеса, показанного на фиг. 2,
фиг. 4 - перспективное изображение (вид сверху) лопатки, показанной на фиг. 3,
фиг. 5 - перспективное изображение (вид спереди) лопатки, показанной на фиг. 3,
фиг. 6 - вид сбоку в разрезе рабочего колеса в альтернативном варианте осуществления,
фиг. 7 - вид в разрезе передней кромки рабочего колеса в альтернативном варианте осуществления.
Подробное описание осуществления изобретения
Ниже приведено более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, иллюстрирующие варианты осуществления изобретения. Настоящее изобретение может быть, однако, реализовано во многих различных формах, поэтому иллюстрируемые варианты осуществления не следует интерпретировать как ограничения. Эти варианты осуществления приведены, скорее, для придания настоящему изобретению большей детализации и завершенности, и они полностью доносят объем изобретения до специалистов в данной области. Схожие численные обозначения относятся к схожим элементам по всему тексту описания, а обозначения со штрихом, будучи использованными, указывают на схожие элементы в альтернативных вариантах осуществления.
Для обеспечения всестороннего понимания настоящего изобретения в нижеследующем описании приведено много конкретных деталей. Тем не менее, специалистам в данной области будет ясно, что настоящее изобретение может быть применено на практике и без этих конкретных деталей. Кроме того, детали, относящиеся к работе, конструкции и т.д. ЭПН, можно в большинстве случаев опустить, поскольку эти детали не рассматриваются как необходимые для получения полного представления о настоящем изобретении, а считаются известными специалистам в соответствующих областях.
На фиг. 1 представлен пример установки электрического погружного насоса (ЭПН) 11, показанной в частичном боковом разрезе. ЭПН 11 размещен в скважине 29, обсаженной обсадной колонной 12. В показанном варианте осуществления ЭПН 11 включает собственно насос 13, который находится в верхней части установки и приводится в действие двигателем 15. Двигатель 15 насоса снабжается энергией через кабель питания 17, соединенный с источником электрической энергии (не показан). Кроме того, на чертеже показана секция 19 гидрозащиты, прикрепленная к верхнему концу двигателя 15 и расположенная между ним и насосом 13. Входные каналы 23 для флюида, предусмотренные в наружном корпусе насоса 13, обеспечивают сообщение пространства снаружи от насоса 13 с пакетом 25 рабочих колес, размещенных одно над другим в насосе 13 и показанных штриховыми линиями. Поток флюида 31 выходит из пласта, окружающего обсадную колонну 12, и проходит через перфорационные отверстия 33 в обсадной колонне 12 вверх по стволу скважины 29 к входным каналам 23 для скважинного флюида 31. Через входные каналы 23 флюид 31 поступает в насосную секцию 13, где он движется в направлении пакета 25 рабочих колес. Скважинный флюид 31 может включать жидкие углеводороды, газообразные углеводороды и/или воду. Между секцией 19 гидрозащиты и насосной секцией 13 могут быть смонтированы газовый сепаратор и линия впуска флюида (не показаны).
Двигатель 15 вращает прикрепленный вал 35 в сборе (показан штриховыми линиями). Следует отметить, что хотя вал 35 изображен как цельный конструктивный элемент, он может содержать несколько сегментов. Вал 35 простирается от двигателя 15 через секцию 19 гидрозащиты к насосной секции 13, где он соединяется с пакетом 25 рабочих колес, приводя его в движение, вследствие чего этот пакет 25 вращается при вращении вала 35. Пакет 25 рабочих колес/диффузоров включает вертикальный пакет из отдельных рабочих колес 37, перемежающихся неподвижными диффузорами 38. Скважинный флюид 31, всасываемый в насос 13 через входные каналы 23, находится под давлением, поскольку вращающиеся рабочие колеса из пакета 25 вынуждают флюид 31 двигаться по спиральному лабиринту вверх через насос 13. Флюид направляется под давлением на поверхность по лифтовой колонне 27, прикрепленной к верхнему концу насоса 13.
В одном из вариантов осуществления изобретения пакет 25 рабочих колес включает одно или более рабочих колес 37, изображенных на фиг. 2. Рабочее колесо 37 представляет собой вращающийся конструктивный элемент насоса, придающий ускорение флюиду 31 (фиг. 1) путем передачи последнему кинетической энергии при своем вращении. Рабочее колесо 37 имеет центральное отверстие, определяемое внутренним диаметром втулки 39 рабочего колеса. Через это центральное отверстие втулки 39 рабочего колеса проходит вал 35 (фиг. 1). Сцепление рабочего колеса 37 с валом 35 может обеспечиваться любыми средствами, например шпонками (не показаны) или шпоночными пазами 41, что обусловливает вращение рабочего колеса 37 вместе с валом 35 (фиг. 1).
Как показано в примере на фиг. 2, рабочее колесо 37 включает группу лопаток 43. Лопатки 43 простираются в радиальном направлении через рабочее колесо 37 между его внутренней областью, примыкающей к втулке 39, и его кромкой 49, удаленной от втулки 39. Лопатки 43 рабочего колеса имеют криволинейный профиль на протяжении от втулки 39 до кромки 49 и могут крепиться к втулке 39 или быть выполненными как единое целое с последней. Лопатки 43, простирающиеся в радиальном направлении от втулки 39 рабочего колеса, могут располагаться перпендикулярно или наклонно относительно вала 35. В иллюстрируемом варианте осуществления лопатки 43 искривляются по мере удаления от втулки 39 таким образом, что выпуклая часть каждой лопатки 43 обращена в направлении вращения. Между поверхностями лопаток 43 сформированы проходы 45. Рабочее колесо 37 вращается на валу 35 (фиг. 1) вокруг оси 57, проходящей через втулку 39, в направлении, указанном стрелкой 59. При вращении рабочего колеса 37 флюид направляется в проходы 45 через входной канал 51, сообщающийся с нижней поверхностью рабочего колеса 37. Флюид, ускоряющийся при вращении рабочего колеса 37, движется по лопатке 43 в направлении поверхности 55 высокого давления, после чего выходит из соответствующего прохода 45. Поверхность 55 высокого давления представляет собой поверхность лопатки 43, входящую в контакт с флюидом и повышающую его давление, как это более подробно описано ниже. Каждая лопатка 43 имеет также поверхность 56 низкого давления на стороне, противоположной стороне поверхности 55 высокого давления.
Нижний диск 47 образует наружную кромку рабочего колеса 37 и может крепиться к кромке каждой лопатки 43 или составлять с ними единое целое. Нижний диск 47 определяет плоскую поверхность, пересекаемую осью 57 и примыкающую к нижней боковой стороне рабочего колеса 37. В некоторых вариантах осуществления нижний диск 47 крепится непосредственно или посредством лопаток 43 к втулке 39 рабочего колеса. В некоторых вариантах осуществления втулка 39, лопатки 43 и нижний диск 47 рабочего колеса формируют совместно методом литья или изготавливают из одной цельной заготовки. Нижний диск 47 может иметь нижний упорный выступ, входящий в контакт с упругим кольцом на диффузоре. Нижний упорный выступ может быть сформирован на нижней поверхности нижнего диска 47. Нижний диск 47 определяет входной канал 51 рабочего колеса на нижней поверхности нижнего диска 47. Входной канал 51 рабочего колеса обеспечивает прохождение потока флюида из области под рабочим колесом 37 в проходы 45, определяемые лопатками 43.
Каждое рабочее колесо 37 содержит кромку 49, представляющую собой поверхность на его наружном радиальном участке. В одном из вариантов осуществления кромка 49 представляет собой наиболее удаленную от центра часть нижнего диска 47. Кромка 49 не обязательно должна представлять собой наиболее удаленную от центра часть рабочего колеса 37. Диаметр кромки 49 немного меньше внутреннего диаметра диффузора, в котором располагается рабочее колесо 37.
Кроме того, в примере, показанном на фиг. 2, рабочее колесо 37 включает верхний диск 53, расположенный напротив нижнего диска 47 и соединенный с верхней боковой кромкой каждой лопатки 43. Верхний диск 53 обычно определяет верхнюю границу проходов 45 между лопатками 43. Верхний диск 53 может уплотняться нажимным кольцом (не показано) диффузора 38 (фиг. 1), расположенного над рабочим колесом 37. Поджимное кольцо (не показано) может располагаться между обращенной вниз поверхностью рабочего колеса 37 и обращенной вверх поверхностью диффузора 38, расположенного под рабочим колесом 37.
Одно или более из рабочих колес 37, составляющих группу рабочих колес в одном общем корпусе насоса, могут конструктивно отличаться от одного или более из остальных рабочих колес 37, например, иметь другой шаг лопаток 43. Группа рабочих колес 37 может быть установлена на валу 35 (фиг. 1). Диффузоры 38 установлены поочередно между рабочими колесами 37. Узел, включающий вал 35, рабочие колеса 37 и диффузоры 38, смонтирован в насосе 13.
На фиг. 3-5 представлен пример осуществления лопатки 43, показанной в боковом перспективном изображении с поверхностью 55 высокого давления, находящейся на внешней периферии лопатки в радиальном направлении. Как показано на фиг. 2, поверхность 55 высокого давления простирается между нижним 47 и верхним 53 дисками. Поверхность 55 высокого давления, показанная на фиг. 3, может также находиться в непосредственной близости к входному каналу 51 (фиг. 2). Как показано на фиг. 3, каждая лопатка 43 содержит криволинейную переднюю кромку 63, сформированную на ее участке, находящемся в непосредственной близости к втулке 39 (фиг. 2). В одном варианте осуществления передняя кромка 63 простирается по всей высоте 65 лопатки 43 от верхнего диска 53 до нижнего диска 47. Передняя кромка 63 имеет волнообразный профиль в направлении вдоль высоты 65. В одном варианте осуществления передняя кромка 63 представляет собой кромку, соединяющую поверхность 55 высокого давления и поверхность 56 низкого давления и, как показано на фиг. 4, имеющую толщину, которая уменьшается в непосредственной близости к ее концу. Волнообразный профиль передней кромки 63 определяется впадинами 67 и гребнями 69, причем впадины 67 простираются внутрь лопатки 43 от линии 71, охватывающей вершины гребней 69, которые простираются наружу от линии 73 на лопатке 43, охватывающей нижние точки впадин 67. Линии 71 и 73 разделяет расстояние 75, определяемое применительно к гребням 69 как амплитуда. Поверхность 55 может включать однородную поверхность, простирающуюся от линии 73 до задней кромки (поверхность 77 на фиг. 2). Поверхность 55 высокого давления и поверхность 56 низкого давления сужаются на протяжении от толщины 79 до передней кромки 63 в такой степени, что эти поверхности являются, по существу, ровными поперек передней кромки 63, как показано на фиг. 4 и 5.
В одном примере осуществления рабочее колесо 37 вращается в процессе работы в направлении, указанном стрелкой 59 на фиг. 2, а поток флюида, проходящий через входной канал 51, движется поперек передней кромки 63. При этом давление флюида повышается, а сам он ускоряется вдоль поверхности 55 высокого давления 55. Впадины 67 и гребни 69 увеличивают турбулентность потока поперек поверхности 55 высокого давления вследствие образования завихрений в потоке при прохождении им выступов 69 и впадин 67. Эти завихрения могут повысить степень перемешивания флюида, поток которого проходит через проход 45 (фиг. 2), и, следовательно, увеличить этот поток через проход 45. Благодаря росту степени перемешивания в проходе 45, газ не может скапливаться вдоль поверхности 56 низкого давления, как это происходит в конструкциях существующего уровня техники. Таким образом, настоящее изобретение снижает вероятность образования газовых пробок и закупоривания в ЭПН 11 (фиг. 1).
Специалисту в данной области будет ясно, что профиль передней кромки 63 можно существенно варьировать. Например, можно требуемым образом изменять расстояние 75, чтобы привести в соответствие тип потока и тип рабочего колеса, в котором располагается лопатка 43. Аналогичным образом, хотя гребни 69 и впадины 67, показанные на фиг. 3, расположены с одинаковыми интервалами вдоль передней кромки 63, специалисту в данной области будет ясно, что гребни 69 и впадины 67 могут располагаться с разными интервалами, иметь разные расстояния 75 от высшей точки гребня 69 до низшей точки впадины 67 для соседних гребней 69 и впадин 67. Кроме того, между верхним диском 53 и нижним диском 47 может находиться большее или меньшее количество гребней 69 и впадин 67. Передняя кромка 63 может также содержать поверхность, определяющую толщину лопатки между поверхностью 55 высокого давления и поверхностью 56 низкого давления. В других вариантах осуществления задняя кромка или поверхность 77 может включать гребни и впадины аналогично передней кромке 63.
На фиг. 6 представлен альтернативный вариант осуществления рабочего колеса 37А, показанного в боковом разрезе. В данном примере передняя кромка 63А лопатки 43А простирается вдоль линии, проходящей в целом с наклоном относительно оси 57А рабочего колеса 37А, и находится на пути движения потока флюида, показанного стрелками А и поступающего из входного канала 51А в проход 45А. Передняя кромка 63А на фиг. 6 сформирована таким образом, что она содержит в целом прерывистую поверхность, вносящую существенное возмущение в поток флюида, проходящий из входного канала 51А в проход 45А, увеличивая его турбулентность. В одном примере осуществления прерывистая поверхность представляет собой поверхность, содержащую участок, расположенный вне плоскости, пересекающей соседние участки. Различные варианты осуществления включают поверхности со сформированными на них гребнями или впадинами. Поэтому при прохождении потока флюида над прерывистой поверхностью происходит изменение скоростей во флюиде, входящем в контакт и т.п. с неоднородностями структуры.
На фиг. 7 представлен пример передней кромки 63В лопатки 43В, показанной в боковом разрезе и имеющей неоднородности структуры для внесения возмущения в поток флюида с целью увеличения турбулентности. Эти неоднородности включают впадину 81, сформированную в поверхности 63В, скругленный выступ 83, выдающийся из этой поверхности, а также остроконечные выступы 85, которые могут иметь разную ширину и высоту. Таким образом, в различных вариантах осуществления передние кромки 63В могут включать впадины 81, скругленные выступы 83, остроконечные выступы 85, а также комбинации этих элементов. Неоднородности структуры на поверхности 63В не ограничиваются этими иллюстрациями, а могут включать элементы любой симметричной или асимметричной формы или конфигурации, в том числе элементы, имеющие в целом прямоугольную форму.
В соответствии с вышесказанным, настоящее изобретение предоставляет возможность получения многих преимуществ. Например, настоящее изобретение улучшает эксплуатационные характеристики насоса и расширяет диапазон его применения. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает увеличение турбулентности в насосе, способствующее устранению закупоривания или застоя внутри рабочего колеса и ограничению скапливания газа, благодаря чему повышается высота напора. Далее, указанные преимущества могут достигаться без какого-либо существенного изменения влекущей силы потока внутри рабочего колеса.
Следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть реализовано во многих формах и вариантах осуществления. Соответственно, в представленных выше вариантах осуществления могут быть выполнены различные изменения в пределах сущности или объема настоящего изобретения. Таким образом, следует отметить, что в представленном описании настоящего изобретения, включающем ссылки на конкретные предпочтительные варианты его осуществления, последние носят скорее иллюстративный, чем ограничивающий характер, и что настоящее изобретение предусматривает вариации, модификации, изменения и замены в широком диапазоне, а некоторые отличительные признаки настоящего изобретения могут быть использованы в ряде случаев без соответствующего использования других отличительных признаков. После изучения приведенного выше описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения специалисты в данной области могут счесть многие из таких вариаций и модификаций очевидными и желательными. Например, в настоящем изобретении принимаются во внимание варианты осуществления ЭПН 11, включающие газовый сепаратор, используемый с рабочими колесами, примеры которых приведены в настоящем описании. В соответствии с этим, приложенная формула изобретения подразумевает широкую интерпретацию в пределах объема настоящего изобретения.