Многоступенчатый центробежный насос с компрессионными переборками
MULTI-STAGE CENTRIFUGAL PUMP WITH COMPRESSION BULKHEADS

Область применения
[001] Настоящее изобретение относится, в целом, к погружным насосным системам, и, точнее говоря, но не вводя ограничения, к усовершенствованным центробежным насосным устройствам.
Уровень техники
[002] Погружные насосные системы часто используются в скважинах для извлечения нефтяных текучих сред из подземных продуктивных пластов. Обычно, погружная насосная система содержит большое количество составляющих частей, включая электродвигатель, подсоединенный к одному или нескольким насосным устройствам. Производственный трубопровод присоединен к насосным устройствам для подачи нефтяной текучей среды из подземного продуктивного слоя в накопительные устройства на поверхности. Насосные устройства часто используют аксиально и центробежно ориентированные многоступенчатые турбомашины. Каждая из составляющих частей погружных насосных систем должна быть способна противостоять суровым окружающим условиям в скважине.
[003] Большинство скважинных турбомашин содержат одну или несколько комбинаций рабочих колес и диффузоров, обычно называемых «ступенями». Рабочие колеса вращаются внутри смежных неподвижных диффузоров. Вал, соединенный с рабочими колесами, передает механическую энергию от двигателя. Во время работы вращающееся рабочее колесо передает кинетическую энергию текучей среде. Часть кинетической энергии преобразуется в давление, когда текучая среда проходит через расположенный ниже по потоку диффузор. Для уменьшения износа и улучшения коэффициента полезного действия оказывается важным предотвратить вращение диффузора внутри корпуса насоса.
[004] Во время изготовления каждую ступень, содержащую диффузор и рабочее колесо, вставляют в корпус насоса. Для предотвращения вращения диффузоров внутри корпуса, диффузоры вставляют под действием сжимающей нагрузки. После установки ступеней в корпусе головную часть насоса присоединяют по резьбе к корпусу для достижения сжимающей силы в расположенных друг за другом диффузорах. Хотя каждую ступень сжимают только с небольшим усилием, общее сжатие вдоль всей длины большого многоступенчатого насоса может быть значительным. Для создания общего сжатия, необходимого для многоступенчатого насоса, требуется длинное резьбовое соединение между головной частью насоса и корпусом. Усталость металла, температурные изменения и механические удары могут уменьшить исходное сжатие и дать возможность диффузорам проворачиваться внутри корпуса насоса.
[005] Кроме этого, при приложении высокого давления, направленная вниз сила, создаваемая ступенями насоса, может преодолеть силу сжатия, прикладываемую головной частью насоса. Если это случится, сжатие диффузоров уменьшится или исчезнет, и диффузоры могут проворачиваться в корпусе насоса. Соответственно, есть необходимость в усовершенствованной конструкции насоса, которая преодолеет эти и другие недостатки уровня техники.
Сущность изобретения
[006] В предпочтительном варианте выполнения представленное изобретение содержит многоступенчатый центробежный насос, который содержит корпус, расположенный выше по потоку, и корпус, расположенный ниже по потоку. Каждый корпус, расположенный выше по потоку и расположенный ниже по потоку, имеет первый конец, второй конец и несколько турбомашинных ступеней. Каждая турбомашинная ступень имеет диффузор и рабочее колесо. Между вторым концом верхнего по потоку корпуса и первым концом нижнего по потоку корпуса присоединена компрессионная переборка. Компрессионная переборка прикладывает сжимающую силу к диффузорам внутри верхнего по потоку корпуса.
[007] В другом аспекте, предпочтительные варианты выполнения содержат электрическую погружную насосную систему для использования при откачивании текучей среды из буровой скважины. Электрическая погружная насосная система содержит двигатель и многоступенчатый центробежный насос, приводимый в действие двигателем. Насос содержит вал, корпус, расположенный выше по потоку, и корпус, расположенный ниже по потоку. Каждый корпус, верхний по потоку и нижний по потоку, имеет первый конец, второй конец и несколько турбомашинных ступеней. Каждая турбомашинная ступень содержит диффузор и рабочее колесо. Между вторым концом верхнего по потоку корпуса и первым концом нижнего по потоку корпуса присоединена компрессионная переборка. Компрессионная переборка прикладывает силу сжатия к диффузорам внутри верхнего по потоку корпуса.
[008] В еще одном аспекте, предпочтительные варианты выполнения содержат способ сборки многоступенчатого центробежного насоса. Способ включает присоединение по резьбе первого конца верхнего по потоку корпуса к основанию насоса, заведение нескольких рабочих колес и диффузоров в верхний по потоку корпус и присоединение по резьбе первого конца компрессионной переборки ко второму концу верхнего по потоку корпуса. Способ сборки продолжают присоединением по резьбе первого конца нижнего по потоку корпуса ко второму концу компрессионной переборки, заведением нескольких рабочих колес и диффузоров в нижний по потоку корпус и присоединением по резьбе головной части насоса ко второму концу нижнего по потоку корпуса.
Краткое описание чертежей
[009] Фиг. 1 изображает погружную насосную систему, выполненную в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.
[010] Фиг. 2 изображает продольный разрез насоса насосной системы, показанной на Фиг. 1.
[011] Фиг. 3 изображает вид сверху компрессионной переборки насоса, показанного на Фиг. 2.
[012] Фиг. 4 изображает продольный разрез компрессионной переборки, показанной на Фиг. 3.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
[013] В соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения изобретения, Фиг. 1 изображает продольный разрез насосной системы 100, присоединенной к добывающему трубопроводу 102. Насосная система 100 и добывающий трубопровод 102 расположены в буровой скважине 104, которая пробурена для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. Используемое здесь слово «нефть» широко относится ко всем полезным ископаемым углеводородам, таким как сырая нефть, газ и смеси газа и нефти.
[014] Насосная система 100 предпочтительно содержит насос 108, двигатель 110 и уплотнительную секцию 112. Добывающий трубопровод 102 соединяет насосную систему 100 с головной частью 106 скважины, расположенной на поверхности. Хотя насосная система 100, главным образом, разработана для откачивания нефтепродуктов, должно быть понятно, что представленное изобретение может также использоваться для перемещения других текучих сред. Также должно быть понятно, что хотя каждый из узлов насосной системы описан, главным образом, для погружного применения, некоторые или все из этих узлов могут также использоваться в насосных работах на поверхности.
[015] Двигатель 110 получает энергию от расположенного на поверхности оборудования по кабелю 114 питания. Обычно двигатель 110 предназначен для приведения в действие насоса 108. В конкретном предпочтительном варианте выполнения насос 108 представляет собой турбомашину, в которой используется большое количество рабочих колес и диффузоров для преобразования механической энергии в давление головной части. Насос 108 содержит всасывающее устройство 116, которое создает условия для втягивания текучей среды из скважины 104 в насос 108. Насос 108 нагнетает текучие среды буровой скважины на поверхность через трубопровод 102.
[016] В предпочтительных вариантах выполнения уплотнительная секция 112 размещена выше двигателя 110 и ниже насоса 108. Секция 112 защищает двигатель 110 от механических усилий, создаваемых насосом 108, и изолирует двигатель 110 от скважинных текучих сред в насосе 108. Секция 112 также может использоваться для вмещения расширяющейся и сжимающейся смазки внутри двигателя 110 во время установки и работы насосной системы 100.
[017] Хотя изображено только по одному из всех компонентов, должно быть понятно, что при необходимости может быть присоединено больше этих компонентов, что могут потребоваться другие схемы размещения узлов и эти дополнительные конфигурации включены в объем предпочтительных вариантов выполнения. Например, во многих применениях желательно использовать последовательное расположение комбинаций двигателей, газовых сепараторов, многочисленных уплотнительных секций, большого количества насосов, блоков датчиков и других устройств в скважине.
[018] Следует отметить, что хотя насосная система 100 изображена на Фиг. 1 в вертикальном положении, она также может использоваться в невертикальном применении, включая горизонтальные и невертикальные скважины 104. Соответственно, обозначения «выше» и «ниже» в пределах этого описания использованы только для обозначения относительных положений узлов в пределах насосной системы 100 и не предназначены для указания того, что система 100 должна быть развернута в вертикальной ориентации. Использование выражений «выше по потоку» и «ниже по потоку» должны быть поняты относящимися для обозначения положения в пределах насосной системы 100, при этом выражение «выше по потоку» относится к узлам, более близким к приемным, всасывающим устройствам 116 насоса, а «ниже по потоку» - к узлам, более близким к головной части 106 скважины.
[019] На Фиг. 2 показан продольный разрез насоса 108. Насос 108 содержит корпус 118, головную часть 120, основание 122, вал 124, большое количество ступеней 126 и одну или несколько компрессионных переборок 128. Каждая ступень 126 содержит диффузор 130 и рабочее колесо 132. Рабочие колеса 134 присоединены к валу 124 и выполнены с возможностью вращения внутри соответствующего диффузора 130. Диффузоры должны оставаться неподвижными внутри корпуса 118.
[020] Корпус 118 предпочтительно содержит верхний по потоку корпус 118а и нижний по потоку корпус 18b. Верхний по потоку корпус 18а содержит первый конец 134, присоединенный к основанию 122, и второй конец 136, присоединенный к переборке 128. Первый конец 134 верхнего по потоку корпуса 118а предпочтительно имеет внутреннюю резьбу 138, которая сопряжена с наружной резьбой 140 основания 122. Второй конец 136 верхнего по потоку корпуса 118а предпочтительно имеет внутреннюю резьбу 142, которая сопряжена с наружной резьбой 144 переборки 128.
[021] Аналогично, нижний по потоку корпус 118b имеет первый конец 146, присоединенный к переборке 128, и второй конец 148, присоединенный к головной части 120 насоса. Первый конец 146 корпуса 118b предпочтительно имеет внутреннюю резьбу 150, которая сопряжена с наружной резьбой 152 переборки 128. Второй конец 148 нижнего по потоку корпуса 118b предпочтительно имеет внутреннюю резьбу 154, которая сопряжена с наружной резьбой 156 головной части 120. Таким образом, верхний по потоку корпус 118а закреплен между основанием 122 и переборкой 128, а нижний по потоку корпус 118b удерживается между переборкой 128 и головной частью 120.
[022] Насос 108 может, как вариант, содержать одну или несколько компрессионных втулок 158, размещенных между головной частью 120 и смежным диффузором 130 и между переборкой 128 и смежным верхним по потоку диффузором 130. Компрессионные втулки 158 передают силу сжатия, приложенную головной частью 120 и переборкой 128, на диффузоры 130. Хотя на Фиг. 2 изображена только одна переборка128, понятно, что в предпочтительном варианте выполнения используют дополнительные переборки 128.
[023] На Фиг. 3 и 4 изображены, соответственно, вид в направлении вверх по потоку и продольный разрез компрессионной переборки 128. Переборка 128 содержит корпус 160, который имеет наружный выступающий буртик 162. Корпус 160 имеет обращенную вверх по потоку часть 160а, которая расположена смежно с верхней по потоку ступенью 126, и обращенную вниз по потоку часть 160b, которая расположена смежно с нижней по потоку ступенью 126. Верхний по потоку корпус 118а выполнен с возможностью резьбового соединения с верхней по потоку частью 160а корпуса переборки, а нижний по потоку корпус 118b выполнен с возможностью резьбового соединения с нижней по потоку частью 160b переборки. Протяженность соединения между верхним по потоку корпусом 118а и нижним по потоку корпусом 118b и компрессионной переборкой 128 ограничена буртиком 162. В конкретном предпочтительном варианте выполнения наружный диаметр буртика 162 по существу такой же, как наружный диаметр корпуса 118. Компрессионная переборка 128, на выбор, содержит наружные кольцевые уплотнения 164, которые зажаты между переборкой 128 и корпусами 118а и 118b.
[024] Переборка 128 дополнительно содержит подшипниковый блок 166 для вала. Блок 166 обеспечивает радиальную и аксиальную опору для вала 124. Блок 166 предпочтительно содержит центральный подшипник 168 и несколько проточных проходов 170. Вал 124 проходит через центральный подшипник 168, а поток проходит через проходы 170.
[025] В предпочтительном в настоящее время способе сборки верхний по потоку корпус 118а прикрепляют по резьбе к основанию 122. Затем в корпус 118а заводят требуемое количество ступеней 126. Затем в открытый конец верхнего по потоку корпуса 118а завинчивают переборку 128. Переборку 128 плотно затягивают по резьбе в верхнем по потоку корпусе в значительной степени, чтобы приложить требуемую сжимающую силу к диффузорам 130 в верхнем по потоку корпусе 118а.
[026] Далее, нижний по потоку корпус 118b по резьбе соединяют с нижней по потоку частью переборки 128. Затем в нижний по потоку корпус 118b заводят требуемое количество ступеней 126. Если требуются дополнительные корпуса 118, используют дополнительную компрессионную переборку 128 для присоединения каждого последующего корпуса 118. Если оконечным корпусом является нижний по потоку корпус 118b, то к его открытому концу по резьбе присоединяют головку 120. Головку 120 плотно затягивают по резьбе в нижнем по потоку корпусе 118b в значительной степени, чтобы приложить требуемую сжимающую силу к диффузорам 130 в нижнем по потоку корпусе 118b.
[027] Таким образом, компрессионная переборка 128 позволяет подразделить один насос 108 на две или большее количество секций, каждая из которых требует более управляемой величины степени сжатия. Использование одной или нескольких компрессионных переборок 128 облегчает сборку и уменьшает опасность вращения диффузоров во время работы насоса 108.
[028] Должно быть понятно, что несмотря на то, что в описании было представлено большое количество характеристик и преимуществ различных вариантов выполнения изобретения вместе с деталями конструкции и функциями различных вариантов выполнения изобретения, это описание является только иллюстративным, и возможны изменения только в деталях, особенно в материалах конструкции и расположении частей в пределах принципов представленного изобретения в той мере, которая следует из широкого общепринятого значения терминов, с помощью которых выражена прилагаемая формула изобретения. Специалистам будет понятно, что идея представленного изобретения применима к другим системам без выхода за пределы объема и сущности представленного изобретения.