ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОНАСОС И ОПОРНЫЙ МОДУЛЬ ПОГРУЖНОГО СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРОНАСОСА

Технические решения относятся к гидромашиностроению и могут быть использованы при изготовлении погружных скважинных винтовых и центробежных электронасосов для добычи нефти, преимущественно высоконапорных насосов для добычи нефти из глубоких и сверхглубоких скважин.
Известен погружной скважинный электронасос (см. патент RU 57845 U1, 2006.10.27), содержащий насосный модуль и электродвигатель с гидрозащитой. Протектор гидрозащиты включает в себя корпус, вал, выполненный с возможностью восприятия осевых усилий со стороны вала насосного модуля и осевую гидродинамический опору вала, которая содержит закрепленный на валу упорный элемент (пяту) и опорный элемент (подпятник), установленный в корпусе протектора без возможности вращения. Зазор между пятой и подпятником заполнен маслом, нагнетаемым гидравлическим насосом объемного действия, приводимым в действие валом протектора. Описанная конструкция обеспечивает повышение несущей (нагрузочной) способности осевой опоры за счет гидростатической разгрузки давлением, создаваемым гидравлическим насосом. Основным недостатком аналога является отсутствие возможности кратного увеличения несущей способности опоры путем использования
многорядной конструкции, что существенно ограничивает сферу применения устройства.
Известен погружной скважинный электронасос с опорным модулем, описанный в патенте RU 2290539 С2, 2006.08.10, содержащий, по меньшей мере, один насосный модуль, электродвигатель с гидрозащитой, а также расположенный между насосным модулем и гидрозащитой опорный модуль, включающий в себя корпус, вал, выполненный с возможностью восприятия осевых усилий со стороны вала насосного модуля, и три установленные последовательно осевые опоры вала, образующие многорядную конструкцию. Каждая осевая опора содержит упорный элемент (пяту), закрепленный на валу опорного модуля и опорный элемент (подпятник), установленный в корпусе опорного модуля без возможности вращения. Корпус опорного модуля заполнен маслом, при этом опорный модуль включает в себя систему регулирования давления масла в полости корпуса.
Недостатком аналога является пониженная несущая способность, а также надежность и долговечность осевых опор вследствие отсутствия средств, обеспечивающих равномерное распределение осевой нагрузки между осевыми опорами, что может привести к их неравномерному износу и аварийному или преждевременному выходу из строя.
Наиболее близким аналогом (прототипом) для каждой полезной модели заявленной группы является погружной скважинный электронасос с опорным модулем, описанный в патенте RU 64301 U1, 2007.06.27, выполненный аналогично описанному выше и отличающийся тем, что опорные
элементы осевых опор (подпятники) установлены с возможностью перемещения в осевом направлении и опираются на пакеты тарельчатых пружин, размещенные в соответствующих обоймах. Таким образом обеспечивается самоустановка подпятников по высоте и перераспределения осевой нагрузки между осевыми опорами.
Основными недостатками прототипа является низкая точность перераспределения осевой нагрузки вследствие наличия внутреннего трения в пакетах пружин и отклонений в характеристиках пружин, связанных с технологическими допусками при их изготовлении. В результате не достигается увеличение несущей способности кратно числу установленных осевых опор, при этом надежности многорядной опоры всегда существенно ниже, чем у однорядной. Кроме того, одним из основных условий нормального функционирования высоконагруженной опоры является ее эффективное охлаждение, требующее организации циркуляции охлаждающей среды через контактную зону осевых опор, что не обеспечивается конструкцией прототипа.
Таким образом, задача, на решение которой направлена каждая из полезных моделей заявленной группы, состоит в создании высоконапорного погружного скважинного винтового и центробежного электронасоса для добычи нефти из глубоких и сверхглубоких скважин с усиленным опорным модулем.
Технический результат, достигаемый при реализации первого технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в обеспечении возможности использования в составе погружного скважинного
электронасоса насосного модуля с увеличенным напором и подачей при сохранении диаметрального габарита электронасоса за счет повышение несущей способности, надежности и долговечности осевых опор опорного модуля электронасоса.
Технический результат, достигаемый при реализации второго технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в повышение несущей способности осевых опор опорного модуля, а также их надежности и долговечности за счет обеспечения равномерности распределения осевой нагрузки между осевыми опорами, исключения механического трения в системе распределения осевой нагрузки, а также за счет обеспечения эффективного охлаждения осевых опор.
Погружной скважинный электронасос, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, содержит, по меньшей мере, один насосный модуль, электродвигатель с гидрозащитой и опорный модуль, размещенный между насосным модулем и гидрозащитой, включающий в себя корпус, вал, выполненный с возможностью восприятия осевых усилий со стороны вала насосного модуля, и по меньшей мере, две осевые опоры вала, каждая из которых включает в себя упорный элемент, закрепленный на валу и опорный элемент, установленный в корпусе опорного модуля с возможностью перемещения в осевом направлении и без возможности вращения. При этом в отличии от прототипа каждая осевая опора снабжена поршнем, на котором закреплен упомянутый опорный элемент, причем поршень выполнен с возможностью осевого перемещения в соответствующей камере, подпоршневая
полость которой заполнена несжимаемой рабочей средой и гидравлически изолирована от полости корпуса опорного модуля, при этом полости под поршнями всех осевых опор гидравлически соединены между собой.
Опорный модуль для погружного скважинного электронасоса, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, содержит корпус, вал, выполненный с возможностью восприятия осевых усилий со стороны своего верхнего торца и, по меньшей мере, две осевые опоры вала, каждая из которых включает в себя упорный элемент, закрепленный на валу и опорный элемент, установленный в корпусе опорного модуля с возможностью перемещения в осевом направлении и без возможности вращения. Корпус, заполнен жидкой средой, предназначенной для обеспечения функционирования осевых опор вала, а опорный модуль включает в себя систему регулирования давления жидкой среды в полости корпуса. При этом в отличии от прототипа опорный модуль выполнен с возможность обеспечения циркуляции упомянутой жидкой среды через контактную зону осевых опор, а каждая осевая опора снабжена поршнем, на котором закреплен упомянутый опорный элемент, причем поршень выполнен с возможностью осевого перемещения в соответствующей камере, подпоршневая полость которой заполнена несжимаемой рабочей средой и гидравлически изолирована от полости корпуса опорного модуля. При этом полости под поршнями всех осевых опор гидравлически соединены между собой.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели в корпусе выполнены каналы для обеспечения движения жидкой среды через периферийную зону корпуса, а в упорном и опорном элементах каждой осевой опоры выполнены осевые каналы для обеспечения движения жидкой среды через центральную зону опорного модуля.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели в упорном элементе каждой осевой опоры выполнен, по меньшей мере, один осевой и один радиальный канал для обеспечения движения жидкой среды.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели канал опорного элемента совмещен с центральным отверстием для прохода вала опорного модуля
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели включает в себя нижнюю и верхнюю накопительные емкости для жидкой среды.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели система регулирования давления в полости корпуса включает в себя два обратных клапана, связывающих нижнюю часть одной из емкостей для жидкой среды с затрубным пространством в прямом и обратном направлениях при повышении или снижении давления в указанной емкости соответственно, промежуточную камеру, отделенную вертикальной цилиндрической стенкой от части емкости, в которой расположены клапаны, и гидравлически связанную с ней каналом в верхней части промежуточной камеры, система
включает в себя трубку, связывающую часть полости корпуса, в которой расположены осевые опоры, с нижней частью промежуточной камеры.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели система регулирования давления в полости корпуса включает в себя упругую диафрагму, разделяющую одну из емкостей для жидкой среды на концентрично расположенные внешнюю и внутреннюю полости, при этом внешняя полость соединена с затрубным пространством, а внутренняя полость гидравлически соединена с частью полости корпуса, в которой расположены осевые опоры, между внешней и внутренней полостями установлен обратный клапан, обеспечивающий возможность перетекания жидкой среды из внутренней полости во внешнюю при повышении давления во внутренней полости.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели жидкая среда представляет собой высоковязкое масло.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели рабочая среда представляет собой машинное масло.
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели упорный элемент представляет собой пяту гидродинамического подшипника скольжения, а опорный элемент представляет собой соответствующий подпятник
Кроме того, в частном случае первого варианта реализации полезной модели осевая опора представляет собой шариковый или роликовый упорный подшипник качения, при этом упорный и опорный элементы представляют
собой, соответственно, верхнее и нижнее кольцо подшипника.
Использование нескольких последовательно расположенных осевых опор в одном опорном модуле позволяет практически неограниченно увеличивать несущую (нагрузочную) способность опорного модуля без увеличения диаметрального габарита, что принципиально важно для скважинного нефтедобывающего оборудования. Дополнительное увеличение несущей способности, а также существенное повышение надежности и долговечности опорного модуля и насоса в целом обеспечивается путем перераспределения и выравнивания осевого усилия между осевыми опорами с помощью гидравлической системы распределения нагрузки. В результате несущая способность такого опорного модуля будет равна суммарной несущей способности используемых в нем осевых опор. Гидравлическая система перераспределения нагрузки полностью изолирована от жидкой среды (высоковязкого масла), заполняющей полость корпуса и необходимой для обеспечения функционирования осевых опор. Это позволяет избежать создания высокого давления в полости корпуса опорного модуля.
Охлаждение трущихся поверхностей, необходимое для нормального функционирования высоконагруженной опоры, реализовано за счет циркуляции заполняющей корпус опорного модуля жидкой среды (высоковязкого масла) через контактную зону осевых опор и организации системы регулирования давления жидкой среды в полости корпуса при ее тепловом расширении и пр., которая необходима для нормальной эксплуатации опорного модуля в скважине.
Возможность осуществления каждой полезной модели заявленной группы подтверждается описанием погружного скважинного электронасоса с опорным модулем, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 - опорный модуль погружного скважинного электронасоса.
На Фиг.2 - принципиальная схема опорного модуля с первым вариантом реализации системы регулирования давления в полости корпуса.
На Фиг.3 - принципиальная схема опорного модуля со вторым вариантом реализации системы регулирования давления в полости корпуса.
Погружной скважинный электронасос содержит одну или несколько модуль-секций многоступенчатого центробежного насоса или винтовой насосный модуль, электродвигатель с гидрозащитой (на чертежах не показаны) и опорный модуль 1, размещенный между насосным модулем и гидрозащитой.
Опорный модуль включает в себя корпус, состоящий из головки 2, верхнего 3 и нижнего 4 ниппелей, обоймы 5 и основания 6, соединенных между собой с помощью резьбовых соединений. Для соединения корпуса опорного модуля к насосному модулю и протектору гидрозащиты используются фланцевые соединения 7 и 8. Крутящий момент от погружного электродвигателя к расположенным выше опорного модуля агрегатам электронасоса передается с помощью шлицевых муфт 9 через вал 10, установленный в корпусе посредством
радиальных подшипников 11 и снабженный торцевыми уплотнениями 12. Корпус заполнен высоковязким маслом.
Внутри обоймы 5 расположены осевые опоры 13 и 14 вала 10, установленные последовательно вдоль вала. В описываемой конструкции в качестве осевой опоры используется опора гидродинамического типа. Однако, опорный модуль может быть оснащен и другими типами осевых опор, например, с использованием упорных подшипников качения. Описываемый опорный модуль включает в себя две осевые опоры, но количество осевых опор определяется условиями эксплуатации электронасоса и может быть практически любым.
Каждая осевая опора состоит из пяты 15, закрепленной на валу 10 с помощью полуколец 16 и шпонки, а также опорного поршня 17 с установленным на нем подпятником 18, которые выполнены с центральным отверстием для прохода вала 10 и циркуляции масла через контактную зону осевых опор. При этом в пяте 15 выполнены специальные осевой 19 и радиальный 20 каналы для обеспечения циркуляции масла. Опорный поршень 17 установлен в соответствующей камере 18 с возможностью перемещения вдоль продольной оси опорного модуля и образует гидроцилиндр. Полости 21 под опорными поршнями изолированы от остального объема корпуса опорного модуля, соединены между собой каналами 19 и заполнены машинным маслом через пробки 22. Верхняя осевая опора 13 кроме опорного поршня, нижнего подпятника и пяты содержит еще верхний подпятник 35, неподвижно закрепленный в ниппеле 3 и ограничивающий осевое перемещение вала 10 вверх,
что может произойти, например, при пуске или обратном вращении вала насоса. Компенсация теплового расширения масла в подпоршневых полостях реализована за счет обеспечения соответствующего хода вал 10 в осевом направлении подбором зазора между пятой 15 и верхним подпятником 35. Компенсация возможных утечек масла в системе перераспределения осевой нагрузки реализована за счет подбора соответствующего объема подпоршневых полостей.
Ниже и выше осевых опор размещены емкости 23 и 24 для высоковязкого масла. В обойме 5 и ниппелях 3 и 4 выполнены каналы 25, обеспечивающие циркуляцию высоковязкого масла между емкостями 23 и 24 через контактную зону осевых опор.
В нижней части емкости 4, показанного на Фиг.2, расположена система регулирования давления в полости корпуса, обеспечивающая сброс излишка жидкости в затрубное пространство при повышении давления в полости корпуса вследствие теплового расширения масла, а также подсос жидкости из затрубного пространства при снижении давления. Указанная система обеспечивает также удаления газа, который попадает внутрь корпуса вместе со скважинной жидкостью. Система выполнена в виде пары обратных клапанов 26 и 27, промежуточной камеры 28 и трубки 29, связывающей камеру 28 с основной полостью корпуса. Обратные клапаны связывают нижнюю часть емкости 4 с затрубным пространством в прямом (клапан 26) и обратном (клапан 27) направлениях при повышении или снижении давления в указанной емкости относительно заданного значения. Промежуточная камера 28
отделена вертикальной цилиндрической стенкой 30 от части емкости 3, в которой расположены клапаны 26 и 27 и гидравлически связана с ней каналом (отверстием) 31 в верхней части промежуточной камеры. Емкость 4 и промежуточная камера 28 с трубкой 29 образуют лабиринтный канал, препятствующий проникновению скважинной жидкости, подсосанной через обратный клапан 26, в район расположения осевых опор.
Опорный модуль, принципиальная схема которого приведена на Фиг.3, отличается тем, что компенсация температурного изменения объема происходит путем упругих деформаций диафрагмы 32. Система регулирования давления выполнена в виде дополнительной емкости 33, разделенной на две части диафрагмой 32. В случае значительного увеличения объема высоковязкого масла вследствие нагрева часть масла может перетечь из полости А в полость В через пару последовательно установленных обратных клапанов 34. Полость В сообщается с затрубным пространством, и избыточный объем масла будет удален из опорного модуля. В случае уменьшения объема высоковязкого масла гибкая диафрагма сокращает объем полости А, а освободившееся пространство в полости В заполняется скважинной жидкостью. Обратные клапаны 34 препятствуют перетеканию скважинной жидкости из полости В в полость А, и далее в зону расположения осевых опор.
Возникающие в процессе работы погружного электронасоса осевые усилия передаются через вал 10, полукольца 16, пяту 15 и подпятник 18 на один из опорных поршней 17. Поршень вытесняет часть масла через канал 19 в полость под вторым опорным поршнем и создает давление, под действием
которого второй опорный поршень через свой подпятник воспринимает осевое усилие. За счет равенства давления в полостях и равенства площадей опорных поршней осевое усилие, воспринимаемое обеими осевыми опорами, будет одинаковым. Произойдет перераспределение осевого усилия между двумя расположенными последовательно осевыми опорами. Несущая способность такого опорного модуля равна суммарной несущей способности используемых в нем осевых опор.