ОПОРНЫЙ УЗЕЛ ПОГРУЖНОЙ ОДНОВИНТОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
SUBMERGED ONE-AUGER PUMP BEARING UNIT

Устройство относится к технике добычи нефти, а именно к погружным одновинтовым скважинным насосам с приводом от погружного электродвигателя, и может быть использовано в нефтедобывающих отраслях промышленности при подъеме пластовых жидкостей на большую высоту.
Известно устройство гидрозащиты погружного электродвигателя типов ГЗН, ПБ92, ГБ52 / Международный транслятор. Установки погружных ценробежных насосов для добычи нефти. Под ред. В.Ю.Алекперова, В.Я.Кершенбаума. Москва, 1999 г., RU №96112091 А. Протектор для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя/. Устройство предназначено для защиты погружных маслозаполненных электродвигателей от проникновения пластовой жидкости в их внутреннюю полость, компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при эксплуатации. Гидрозащита содержит головку, верхний, средний и нижний ниппель, два корпуса и основание, последовательно соединенные между собой резьбой. На валу гидрозащиты установлены три радиальных подшипника скольжения. Осевые нагрузки на вал через пяту воспринимаются верхним и нижним подпятниками (опорными подшипниками скольжения). На обоих концах вала выполнены шлицы для соединения с электродвигателем и насосом. На валу последовательно установлены три торцевых уплотнения, зафиксированных пружинными кольцами. Внутри корпусов размещены две эластичные диафрагмы - верхняя и нижняя, концы которых хомутами герметично закреплены на опорах.
Недостатком данного устройства является низкая несущая способность опорного подшипника скольжения (пяты и подпятников), которая не допускает эксплуатацию погружного винтового насоса с осевой нагрузкой на вал более 600…700 кг, что ограничивает высоту подъема пластовой жидкости. Кроме того, расположение опорного подшипника скольжения в нижней части гидрозащиты ведет к потере валом гидрозащиты продольной устойчивости, его прогибам и колебаниям. В целом снижается надежность устройства и уменьшается его долговечность.
Наиболее близким по своей сути является устройство, описанное в и принятое за прототип. Разгрузочный узел для погружных винтовых насосов содержит корпус, вал с размещенными на нем опорными элементами, при этом узел снабжен герметичной камерой, заполненной гидравлическим маслом, с системой обратных клапанов и диафрагмой, служащей для выравнивания давления внутри камеры с давлением пластовой жидкости, а опорные элементы выполнены в виде осевых упорных подшипников, размещенных в герметичной камере, с регулировочными винтами, обеспечивающими равномерное распределение осевой нагрузки /Патент RU №2290539. Разгрузочный узел для погружных винтовых насосов/.
Недостатками прототипа являются:
Низкая несущая способность разгрузочного узла вследствие расположения опорных элементов в нижней части устройства. Вал, размещенный в верхней части устройства в подшипниках скольжения, испытывает значительные радиальные нагрузки от ротора винтового насоса, совершающего планетарное вращение, а так же испытывает сжимающие напряжения от действия осевой нагрузки. Радиальная нагрузка приводит к повышенному износу подшипников скольжения, а передаваемая осевая сила может вызвать потерю продольной устойчивости вала, его прогибы и колебания.
- Низкая надежность из-за наличия регулировочных винтов для выравнивания осевой нагрузки между опорными подшипниками и необходимости технологической операции регулировки при сборке устройства.
- Низкая надежность из-за отсутствия масляного насоса, обеспечивающего циркуляцию гидравлического масла и теплоотвод от упорных подшипников, что может привести к локальному перегреву зоны опорных элементов.
Задачей изобретения является увеличение нагрузочной способности одновинтовой насосной установки, повышение надежности и долговечности устройства за счет равномерности распределения нагрузки и, тем самым, снижение затрат на спускоподъемные операции погружного оборудования, обеспечение непрерывной работы оборудования и безостановочной добычи нефти, а также упрощение технологии изготовления за счет исключения регулировочно-установочных работ.
Требуемый результат достигается тем, что опорный узел погружной одновинтовой насосной установки, состоящий из последовательно соединенных подшипникового узла, соединительного устройства и гидрокомпенсатора, вал которого соединен с одной стороны с валом протектора электродвигателя, а с другой через соединительное устройство - с входным концом вала подшипникового узла, на котором размещены масляный насос, уплотнения, устройство предварительного натяжения и фиксации подшипниковых модулей на валу, с двух концов радиальные роликовые подшипники и последовательно расположенные между ними упорные осевые подшипниковые модули, включающие упорные роликовые подшипники с цилиндрическими или коническими роликами, кольцевые нажимные и опорные обоймы с кольцевыми канавками по поверхности соприкосновения с подшипниковыми кольцами, внутренние и внешние втулки, при этом в обоймах упорных осевых подшипниковых модулей в кольцевых углублениях установлены кольцевые демпферы из проволочного проницаемого материала, выступающие над опорной поверхностью обойм, обращенной к подшипниковому кольцу, причем профиль поперечного сечения кольцевого демпфера повторяет форму поперечного сечения кольцевого углубления, при этом профиль поперечного сечения кольцевого демпфера не повторяет форму поперечного сечения кольцевого углубления, корпус подшипникового узла выполнен составным из головки и трубы, причем верхнее торцевое уплотнение размещено в головке, а гидрокомпенсатор выполнен в виде поршневого модуля.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Фиг.1. Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки с упорными роликовыми подшипниками с цилиндрическими роликами.
Фиг.2. Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки с упорными роликовыми подшипниками с коническими роликами.
Фиг.3. Подшипниковый узел с упорными роликовыми подшипниками с цилиндрическими роликами и ступенчатыми обоймами.
Фиг.4. Подшипниковый узел с упорными роликовыми подшипниками с коническими роликами и фасочными обоймами.
Фиг.5. Подшипниковый узел с упорными роликовыми подшипниками с цилиндрическим роликами и фасочными обоймами.
Фиг.6. Компоновка погружной одновинтовой насосной установки.
Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки (фиг.1) предназначен для восприятия осевых и радиальных сил, возникающих при работе винтового насоса, и устанавливается между винтовым насосом и протектором (гидрозащитой) погружного электродвигателя. Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки (фиг.1, 2) состоит из подшипникового узла 1 и гидрокомпенсатора 2, соединенных ниппелем 3. Непосредственно подшипниковый узел 1 предназначен для восприятия осевых и радиальных нагрузок, возникающих при подъеме нефти или иной пластовой жидкости. Гидрокомпенсатор 2 служит для размещения масла, используемого для смазки и отвода тепла и компенсации его температурного расширения. Ниппель 3 предназначен для соединения между собой подшипникового узла и гидрокомпенсатора.
Подшипниковый узел 1 (фиг.1, 2) состоит из головки 4, цилиндрического корпуса 5 и установленного в нем вала 6 со шлицами с обоих концов. На валу установлены подшипники 7, 8, 9, 10, образующие несколько опор. Радиальные роликовые подшипники 8 и 9 предназначены для восприятия радиальных сил, действующих на вал, и установлены по разные стороны от середины вала. Применение радиальных роликовых подшипников позволяет существенно повысить радиальные нагрузочные возможности погружной одновинтовой насосной установки. Для восприятия осевых нагрузок предназначены упорные осевые подшипниковые модули, устанавливаемые последовательно между радиальными подшипниками 8 и 9. Упорные осевые подшипниковые модули включают в себя роликовые подшипники с цилиндрическими роликами 7 (фиг.1) или упорные роликовые подшипники с коническими роликами 10 (фиг.2). Применение для упорных подшипниковых модулей стандартных серийно выпускаемых упорных роликоподшипников с цилиндрическими или коническими роликами позволяет упростить технологию изготовления опорного узла.
Упорные цилиндрические 7 (фиг.3, 5) или упорные конические 10 (фиг.4) роликоподшипники устанавливлены между нажимной 11 и опорной 12 обоймами (фиг.3, 4, 5), имеющими форму кольцевого диска, между внутренней 13 и наружной 14 цилиндрическими втулками, так что образован унифицированный упорный осевой подшипниковый модуль. Цилиндрические кольцевые обоймы 11, 12 могут иметь различный профиль поперечного сечения (фиг.3, 4, 5), но такой, чтобы сопряженные поверхности двух соседних обойм различных подшипниковых модулей не соприкасались друг с другом и обеспечивали прохождение масла или охлаждающей жидкости по кольцевым зазорам. Наличие кольцевых зазоров достигается не только за счет профиля сечения нажимной и опорной обойм, но и за счет высоты проставочных втулок 13, 14, которые должны быть одного размера, что обеспечивает равномерность зазора между различными подшипниками. В случае, если установочные размеры подшипниковых колец одинаковы, на втулках выполняют пояски, имеющие для внутренних втулок больший наружный размер, для наружных втулок меньший внутренний диаметр. Такая конструкция втулок обеспечивает кольцевые зазоры для смазывающей и охлаждающей жидкости, а также модульность конструкции.
В нажимных и опорных обоймах со стороны поверхностей, обращенных к кольцам подшипников, выполнены кольцевые углубления, в которых размещены демпферы 15 (фиг.3, 4, 5). Профиль поперечного сечения кольцевого углубления может быть произвольным, но технологически более простым является прямоугольный. Демпферы 15 выполнены в форме кольца из проволочного проницаемого материала, представляющего собой определенным образом ориентированную проволочную спираль, которая в результате холодного прессования образует проницаемую во всех направлениях открытую пористую систему, обеспечивающую требуемую механическую прочность и упругость, гидравлическую проницаемость для масла и хорошую теплопроводность для отвода от зоны контакта с кольцом подшипника тепла. Профиль поперечного сечения кольцевого демпфера либо повторяет профиль поперечного сечения кольцевого углубления в обоймах, либо отличается. Но, в любом случае, демпфер должен выступать над опорной поверхностью обоймы, обращенной к кольцу упорного подшипника.
Между радиальными роликовыми подшипниками с обоих концов вала 6 установлены устройства предварительного натяжения 16, представляющие собой цилиндрические втулки с аксиальными отверстиями и расположенными внутри них цилиндрическими пружинами.
Все упорные осевые подшипниковые модули, радиальные подшипники и устройства предварительного натяжения 7, 8, 9, 10, 16 установлены на вал, который со стороны головки 4 снабжен упорным буртиком, а с другой стороны имеет резьбовую пару 40 (фиг.1, 2), обеспечивающую фиксацию всех узлов на валу.
Вал 6 за пределами опор снабжен многозаходной резьбой прямоугольного профиля, которая при взаимодействии с аналогичной резьбой, размещенной в головке 4, образует масляный насос 17. Масляный насос обеспечивает прокачку масла через все подшипники 7, 8, 9, 10 опорного узла. Возврат масла к насосу происходит по осевому каналу внутри вала.
Гидрокомпенсатор 2 (фиг.1, 2) состоит из цилиндрического корпуса 18, основания 19 и переходника 20. Внутри корпуса на валу 24 установлена специальная цилиндрическая втулка 21 с двумя предохранительными клапанами 23, расположенными со стороны ниппеля 3 аксиально валу 24, с размещенной на ней в средней части эластичной диафрагмой 22, образующей полость для масла. В полости, образованной эластичной диафрагмой 22, находится запас масла, предназначенный для компенсации утечек и компенсации теплового расширения. Предохранительные клапаны 23, установленные последовательно, предохраняют эластичную диафрагму 22 от разрушения в случае чрезмерного повышения давления масла во внутренней полости устройства путем отвода масла в окружающую пластовую жидкость (внешнюю среду).
Вал 24, проходящий внутри корпуса, основания и переходника, опирается на радиальные подшипники скольжения и передает крутящий момент от электродвигателя через вал 6 подшипникового узла 1 к винтовому насосу. Вал 24 гидрокомпенсатора 2 соединен с валом 6 подшипникового узла 1 посредством шлицевой муфты 41.
Для повышения интенсивности охлаждения масла и обеспечения работы при повышенных температурах, а также для уменьшения габаритных размеров опорного узла эластичная диафрагма может быть заменена компенсатором изменения объема масла поршневого типа. В этом случае на вал устанавливается кольцевой поршень, перемещение которого обеспечивает компенсацию утечек и температурных расширений масла.
Подшипниковый узел 1, ниппель 3 и гидрокомпенсатор 2 образуют общую масляную полость. Герметичность этой полости обеспечивается конструкцией резьбовых соединений корпуса, ниппеля и основания, уплотненных резиновыми кольцами. Также в головке 4 подшипникового узла 1 и в основании 19 гидрокомпенсатора 2 установлены торцевые уплотнения 25 и 26, предотвращающие попадание пластовой жидкости в подшипниковый узел и в гидрокомпенсатор.
Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки 27 (фиг.6) устанавливается между винтовым насосом 28 и протектором 29 погружного электродвигателя 30. Крутящий момент от электродвигателя 30 через протектор 29 передается на вал 24 гидрокомпенсатора 2 (фиг.1, 2), далее через шлицевую муфту 41 - на вал 6 подшипникового узла 1 и далее через гибкий вал 32 - на ротор 31 винтового насоса 28 (фиг.6). Забор пластовой жидкости производится через перфорированный корпус 33 винтового насоса, внутри которого и размещен гибкий вал 32.
Опорный узел погружной одновинтовой насосной установки работает следующим образом. При подъеме пластовой жидкости реактивная осевая сила от ротора 31 винтового насоса через гибкий вал 32 передается на вал 6 подшипникового узла 1 и воспринимается упорными роликовыми подшипниками с цилиндрическими 7 (фиг.1) или коническими 10 (фиг.2) роликами. Пропорциональное разделение осевой силы по числу упорных подшипников обеспечивает снижение действующей нагрузки на каждый подшипник и, тем самым, повышает несущую способность конструкции в целом. Технологические неточности изготовления нажимных 11 и опорных 12 кольцевых обойм, внутренних 13 и наружных 14 цилиндрических втулок компенсируют упругие демпферы 15 подшипникового узла за счет их формы и свойств материала, что повышает равномерность разделения нагрузки между упорными подшипниками.
Радиальная нагрузка от гибкого вала 32 передается на вал 6 подшипникового узла через шлицевую муфту или резьбовое соединение и воспринимается радиальными роликовыми подшипниками 8 и 9.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить нагрузочную способность одновинтовой насосной установки, увеличить надежность и долговечность устройства за счет равномерности распределения нагрузки, упростить технологию изготовления и, тем самым, снизить затраты на спускоподъемные операции погружного оборудования, обеспечив непрерывную работу оборудования и безостановочную добычу нефти, а также упростить технологию изготовления за счет исключения регулировочно-установочных работ.
За счет применения заявляемой конструкции существенно упрощается технология изготовления установки в целом, не требуется применения дорогостоящей технологической оснастки и обеспечивается высокая надежность конструкции.
Заявляемое устройство позволяет улучшить технические и технологические показатели погружных насосных установок и таким образом расширить сферу применения данного класса изделий.