РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ROTARY PUMP IMPELLER

Область техники
Настоящее изобретение относится в основном к погружным насосам для использования в разработках нефтяных месторождений. В частности, варианты осуществления относятся к способам и устройствам для перемещения текучей среды посредством одной или более ступеней электропогружного насоса.
Уровень техники
Насосные системы, приводимые в действие электродвигателями, используются для извлечения или перемещения текучей среды и газа. В скважинных операциях, например, в условиях ствола скважины, электропогружные насосные системы обычно используются для добычи текучих сред на углеводородной основе. В отличие от обычных электродвигателей, используемых в наземных операциях, электродвигатель, используемый в погружной насосной системе, должен погружаться в скважинные текучие среды. Погружной насос герметизируется от проникновения окружающих скважинных текучих сред посредством устройства для защиты электродвигателя.
На фиг.1 показана погружная насосная система в соответствии с известным уровнем техники (см. публикацию заявки на патент США №20050074331). Насосная система 100 расположена в стволе 102 скважины в геологической формации 104, содержащей текучие среды, такие как нефть. Ствол 102 скважины защищен обсадной трубой 106, содержащей отверстия 108, через которые текучие среды перемещаются из формации 104 в ствол 102 скважины. Насосная система 100 включает в себя центробежный насос 110, содержащий всасывающее устройство 112, погружной электродвигатель 114 и устройство 116 для защиты электродвигателя. Система 100 подвешена в стволе 102 скважины посредством системы 118 для размещения. Кабель 120 питания обеспечивает подачу электроэнергии в погружной электродвигатель 122. Во время откачки скважинные текучие среды поступают во всасывающее устройство 112 и проходят во всасывающее отверстие центробежного насоса 110 и выводятся в колонну насосно-компрессорных труб для выпуска на земную поверхность.
Согласно фиг.1 насос 110 расположен выше электродвигателя 114. Существуют также и другие конфигурации насосных систем. Например, перед центробежным насосом 20 в последовательной схеме расположения может быть установлен подкачивающий насос. Электропогружные насосные системы могут также содержать насос, расположенный ниже электродвигателя.
Помимо использования насоса для откачки нефти на поверхность, центробежный насос может быть также установлен в стволе скважины в перевернутом положении для откачки текучих сред вниз по стволу скважины, например, во время очистки ствола скважины.
Сущность изобретения
В одном аспекте варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к центробежным насосам. Центробежный насос в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения включает в себя вращающийся вал и, по меньшей мере, одно рабочее колесо, прикрепленное к вращающемуся валу, при этом, по меньшей мере, одно рабочее колесо включает в себя верхнюю пластину, нижнюю пластину и множество лопастей, расположенных между верхней пластиной и нижней пластиной, причем, по меньшей мере, одна из множества лопастей имеет задний конец, который содержит первую поверхность, которая сопрягается с верхней пластиной, по существу, на наружной кромке верхней пластины, и вторую поверхность, которая находится, по существу, вровень с наружной по оси поверхностью нижней пластины.
В другом аспекте варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к рабочим колесам для центробежных насосов. Рабочее колесо в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения включает в себя верхнюю пластину, нижнюю пластину и множество лопастей, расположенных между верхней пластиной и нижней пластиной, причем, по меньшей мере, одна из множества лопастей имеет задний конец, который содержит первую поверхность, которая сопрягается с верхней пластиной, по существу, на наружной кромке верхней пластины, и вторую поверхность, которая находится, по существу, вровень с наружной по оси поверхностью нижней пластины.
В другом аспекте варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к способам нагнетания текучих сред. Способ в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения включает нагнетание текучей среды центробежным насосом, при этом центробежный насос включает в себя вращающийся вал и, по меньшей мере, одно рабочее колесо, прикрепленное к вращающемуся валу, причем, по меньшей мере, одно рабочее колесо включает в себя верхнюю пластину, нижнюю пластину и множество лопастей, расположенных между верхней пластиной и нижней пластиной, причем, по меньшей мере, одна из множества лопастей имеет задний конец, который содержит первую поверхность, которая сопрягается с верхней пластиной, по существу, на наружной кромке верхней пластины, и вторую поверхность, которая находится, по существу, вровень с наружной по оси поверхностью нижней пластины.
Другие аспекты и преимущества изобретения станут очевидны из приведенного ниже описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - насосная система в соответствии с известным уровнем техники;
Фиг.2 - вид в разрезе центробежного насоса;
Фиг.3А - вид сверху полуоткрытого рабочего колеса в соответствии с известным уровнем техники; а фиг.3В - вид закрытого рабочего колеса;
Фиг.4 - вид сбоку части рабочего колеса, в соответствии, с известным уровнем техники;
Фиг.5 - вид сбоку части рабочего колеса, в соответствии с известным уровнем техники с конфигурацией удлиненной лопасти;
Фиг.6 - вид сбоку части рабочего колеса с конфигурацией лопасти со ступицей в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения; и
Фиг.7 - схематичный чертеж, иллюстрирующий различия, между обычной лопастью, удлиненной лопастью и лопастью со ступицей.
Следует понимать, что чертежи должны использоваться только с целью иллюстрации, а не в качестве установления размеров и границ данного изобретения, объем которого должен определяться только прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание изображения
В приведенном ниже описании описано множество деталей для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено без данных деталей и что возможно множество изменений или модификаций описанных вариантов осуществления.
В описании и прилагаемой формуле изобретения: термины "соединяет", "соединение", "соединен", "в соединении с" и "соединяющий" используются в значении "в непосредственном соединении с" или "в соединении посредством другого элемента"; и термин "множество" используется, в значении "один элемент" или "более чем один элемент". Используемые в данном документе термины "верх" и "низ", "верхний" и "нижний", "вверх" и "вниз", "впереди" и "позади"; "выше" и "ниже"; и другие подобные термины, указывающие на относительные положения выше или ниже данной точки или элемента, используются в данном описании для более ясного понимания описанных вариантов осуществления данного изобретения. Однако применительно к оборудованию и способам для использования в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, такие термины могут обозначать слева направо, справа налево или другое взаимное расположение, в зависимости от ситуации.
Варианты осуществления изобретения относятся к элементам центробежного насоса. Центробежный насос может быть выполнен с возможностью размещения в стволе скважины, либо в нормальном положении для откачки текучих сред вверх по стволу скважины, либо в перевернутом положении для откачки текучих сред вниз по стволу скважины. Центробежный насос может быть частью электропогружной насосной системы. Центробежный насос обычно включает в себя корпус насоса, вращающийся вал, расположенный в корпусе насоса, по меньшей мере, одну ступень насоса. расположенную в корпусе насоса, причем каждая ступень насоса содержит рабочее колесо, соединенное и закрепленное относительно вала, неподвижный диффузор и узел упорного подшипника, расположенный в корпусе насоса и содержащий вращающуюся обойму упорного шарикоподшипника, соединенную с валом и взаимодействующую с неподвижной обоймой упорного шарикоподшипника, упирающейся в корпус насоса. Ниже будут описаны конкретные варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи. На чертежах подобные элементы обозначены подобными ссылочными позициями для согласования.
Как показано на фиг.2, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, центробежный насос 200 содержит кожух или корпус 202 насоса. Первый конец 204 корпуса 202 содержит фланец 206, выполненный с возможностью соединения с устройством для защиты электродвигателя (обозначенным на фиг.1 ссылочной позицией 116) или электродвигателем (обозначенным на фиг.1 ссылочной позицией 114). Второй конец 208 корпуса 202 насоса включает в себя устройства 210 для взаимного соединения, такие как резьбы, для соединения с трубопроводом для выпуска текучей среды (не показан).
Вращающийся вал 212 проходит, предпочтительно коаксиально, через корпус 202 насоса. На одном конце вращающийся вал 212 включает в себя шлицы 214 для взаимного соединения с передачей мощности с валом устройства для защиты электродвигателя, электродвигателем и/или последовательно расположенным насосом (не показан). Вал 212 центрирован и шарнирно соединен для обеспечения, вращения посредством первого осевого шарикоподшипника 216, расположенного в корпусе 202 рядом с первым концом 204, и второго осевого шарикоподшипника 218, расположенного в корпусе 202 рядом со вторым концом 208.
По меньшей мере, одна ступень 220 насоса расположена в корпусе 202 между первым концом 204 и вторым концом 208. Ступень 220 насоса содержит неподвижный диффузор 222 и взаимодействующее вращающееся рабочее колесо 224. Рабочие колеса 224 соединяются с валом 212 с использованием штифтов или шпонок 226, которые вставляются в продольный паз 228 в наружной поверхности вала 212, так что они вращаются вместе с валом 212. Рабочие колеса 224 также прикрепляются, с использованием штифтов или шпонок, к валу 212, так что рабочие колеса 224 обычно будут оставаться в одном и том же продольном положении на валу 212.
Конфигурация насоса, показанная на фиг.2, известна как схема с закрепленными рабочими колесами, которая отличается от схемы с плавающими рабочими колесами, в которой рабочие колеса могут перемещаться в продольном направлении относительно вала. Рабочие колеса 224, предпочтительно, закреплены относительно вала 212 при помощи зажимных колец 230, которые жестко соединены с валом 212, для упора первого (самого верхнего) рабочего колеса 224 и нижней зажимной гайки 232.
Хотя показан насос 200 для нагнетания текучей среды вниз по стволу скважины в направлении, указанном стрелками, для специалистов в данной области техники будет понятно, что варианты осуществления изобретения могут быть также использованы для нагнетания текучей среды вверх по стволу скважины.
На Фиг.3А показан вид сверху рабочего колеса 300 в соответствии с известным уровнем техники. Рабочее колесо 300 включает в себя ряд лопастей 302, которые выпускают текучую среду под выходным углом 304. Рабочее колесо 300 содержит балансировочные отверстия 306, расположенные между лопастями 302, обычно размещаемые ближе к задней или вогнутой стороне 308, чем к стороне давления или выпуклой стороне 310 каждой лопасти 302. Рабочим колесом 300, показанным на фиг.3А, является полуоткрытое рабочее колесо, которое содержит лопасти, прикрепленные к нижней пластине 309. На Фиг.3В показана альтернативная конфигурация закрытого рабочего колеса, в котором лопасти закрыты верхней пластиной 311 и нижней пластиной 312. В третьей конструкции (не показана) рабочее колесо может не содержать пластины, и лопасти прикрепляются к центральной ступице.
Вращающиеся лопасти ускоряют текучую среду и выпускают текучую среду с высокой скоростью, создавая перепад давления для перемещения текучей среды вниз по течению насоса. В зависимости от направления перемещения относительно оси вращения центробежные насосы могут подразделяться на радиальные насосы, осевые насосы и диагональные насосы.
На Фиг.4 показан вид сбоку обычного рабочего колеса 400, широко используемого в скважинных центробежных насосах. Рабочим колесом 400 является закрытое рабочее колесо, содержащее верхнюю пластину 420 и нижнюю пластину 430. "Верхняя" и "нижняя" пластины являются такими, как они изображены на чертежах. Множество лопастей 402 прикреплены к ступице (не показана). Ступица прикреплена к вращающемуся приводному валу (обозначенному на фиг.2 ссылочной позицией 212). Верхняя пластина 420, как показано, содержит внутреннюю кромку 406 и внешнюю кромку 408, а нижняя пластина 430 содержит внутреннюю кромку 410. Используемый здесь термин "кромка" относится к линии пересечения двух плоскостей, и "внутренняя" означает расположенная ближе к лопастям. Лопасть 402 содержит задний конец 412. "Задним концом" лопасти называется конец, удаленный от центральной ступицы, т.е. наружный по оси конец. "Наружный по оси" означает удаленный от центральной ступицы (или вала). Задний конец 412 может содержать поверхность, направленную наружу по оси, как показано на фиг.4. Однако, если в данном конце лопасть суживается, задним концом 412 будет кромка (линия схождения двух боковых поверхностей), не содержащая поверхности. Задний конец 412 сопрягается с верхней пластиной 420 на внутренней кромке 406 и сопрягается с нижней пластиной на внутренней кромке 410.
На Фиг.5 показано усовершенствованное рабочее колесо 500 с "удлиненной" лопастью 502. Задний конец лопасти 502 содержит первую поверхность 512 и вторую поверхность 514. Обе эти поверхности сопрягаются на кромке 530. Одно различие между рабочим колесом 400, изображенным на фиг.4, и рабочим колесом 500, изображенным на фиг.5, заключается в наличии дополнительной поверхности 514 на рабочем колесе 500. Поверхность 514 находится, по существу, вровень с наружной по оси поверхностью 531 нижней пластины 530. Следует отметить, что используемое здесь понятие "вровень" с поверхностью относится к двум поверхностям, которые находятся, по существу, на одной плоскости.
На Фиг.6 показано рабочее колесо 600 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Рабочее колесо 600 включает в себя множество лопастей 602, расположенных между верхней пластиной 620 и нижней пластиной 630. Верхняя пластина 620 содержит внутреннюю кромку 606 и наружную кромку 608, а нижняя пластина содержит внутреннюю кромку 610. Задний конец лопасти 602 содержит первую поверхность 612 и вторую поверхность 614. В данном варианте осуществления первая поверхность 612 проходит над внутренней кромкой 606 и пересекается с наружной кромкой 608 верхней пластины 620. То есть первая поверхность 612 сопрягается с верхней пластиной 620, по существу, в наружной кромке 608. Кроме того, вторая поверхность 614 находится, по существу, "вровень", т.е. на одной поверхности, с наружной по оси поверхностью 631 нижней пластины 630. Данная конфигурация называется конфигурацией "лопасть со ступицей".
В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления изобретения первая поверхность 612 и вторая поверхность 614 не образуют кромку 630, как показано на фиг.6. Точнее первая поверхность 612 и вторая поверхность 614 плавно сопрягаются и фактически становятся одной криволинейной поверхностью. Одна "криволинейная" поверхность может сопрягаться с наружной кромкой 608 верхней пластины 620 и наружной по оси поверхностью 631 нижней пластины 630.
На Фиг.7 показан схематичный чертеж, иллюстрирующий изменения площади поверхности лопасти при трех различных конфигурациях, изображенных на фиг.4-6. Верхняя пластина 720 содержит внутреннюю кромку 706 и наружную кромку 708, а нижняя пластина 730 содержит внутреннюю кромку 710. В обычной конфигурации лопасти задняя поверхность 701 лопасти 702 сопрягается с внутренней кромкой 706 верхней пластины 720 и внутренней кромкой 710 нижней пластины 730.
В конфигурации удлиненной лопасти лопасть 702 содержит первую поверхность 703 и вторую поверхность 705. Первая поверхность 703 сопрягается с внутренней кромкой 706 верхней пластины 720. Вторая поверхность 705 находится, по существу, вровень с наружной по оси поверхностью 731 нижней пластины 730.
В конфигурации лопасти со ступицей первая поверхность 707 проходит над внутренней кромкой 706 и сопрягается с наружной кромкой 708 верхней пластины 720, и вторая поверхность 705 находится вровень с наружной по оси поверхностью 731 нижней пластины 730. Следует отметить, что, хотя данный проиллюстрированный пример содержит первую поверхность 707 и вторую поверхность 705, эти две поверхности могут превратиться в две "кромки", если лопасть сужается, превращаясь в тонкую пластину на данном конце. Предполагается, что описание двух поверхностей в данном документе включает в себя две кромки в данном варианте.
Конфигурация удлиненной лопасти имеет увеличенную, по сравнению с обычной конфигурацией лопасти, площадь 709 поверхности лопасти. Конфигурация лопасти со ступицей имеет дополнительно увеличенную площадь 711 поверхности лопасти. Увеличенная площадь поверхности лопасти будет более эффективна для перемещения текучих сред. Действительно, в экспериментальных исследованиях рабочее колесо в конфигурации лопасти со ступицей продемонстрировало увеличение высоты нагнетания примерно на 6% по сравнению с конфигурацией удлиненной лопасти без снижения эффективности насоса.
Вышеописанное изобретение имеет ряд преимуществ. Например, конфигурация лопасти со ступицей имеет увеличенную площадь поверхности лопасти рядом с задним концом лопасти, где рабочее колесо является максимально эффективным в создании подъема. Кроме того, варианты осуществления данного изобретения упрощают механическую обработку и последующие операции очистки, связанные с изготовлением рабочих колес. Кроме того, некоторые варианты осуществления изобретения могут повышать прочность рабочего колеса по сравнению с обычными конфигурациями.
Хотя изобретение описано относительно ограниченного количества вариантов осуществления, для специалистов в данной области техники, обладающих преимуществом данного раскрытия, будет очевидно, что можно придумать другие варианты осуществления, которые не отходят от объема данного изобретения, раскрытого в данном документе. Следовательно, объем изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.