Погружной насосный агрегат

Погружной насосный агрегат.
Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, а именно к погружным насосным агрегатам, содержащим высокооборотный центробежный насос. При освоении новых месторождений нефти требуются агрегаты с повышенным ресурсом работы, меньшей обш,ей длиной и высоким напором.
Погружной насосный агрегат определим как часть насосной установки, состояшую из насоса и двигателя, причем центробежный насос считается высокооборотным, если частота вращения двигателя превышает 3000 об/мин.
Известен погружной насосный агрегат, включающий центробежный насос и асинхронный двигатель (1, с. 15). В таком агрегате могут использоватся модуль-секции насоса, каждая из которых может содержать от 38 до 211 ступеней (1, с. 112-117). Частота вращения, как правило, не более 3000 об/мин. (2, 351). Недостатком такой конструкции является большая длина модуль-секции насоса (от 3 до 5 м) из-за большого количества ступеней в ней. При спуске таких агрегатов на скважинах с повышенной кривизной (характерной для кустового бурения) возможен быстрый выход насосов из строя, в частности из-за деформации и разгерметизации системы двигатель - протектор - насос. Кроме того, в агрегатах могут наблюдаться повышенные изгибные колебания длинного вала, ускоряющие процесс изнашивания трибосопряжений модуль-секции.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является погружной насосный агрегат, состояцщй из высокооборотного центробежного насоса и вентильного двигателя (2, С. 629). Насос содержит 65 ступеней. Регулируемая частота вращения ротора двигателя от 3000 до 6000 об/мин. Вентильный двигатель обеспечивает более высокое количество оборотов, чем асинхронный двигатель с короткозамкнутыми ротором. Недостатком такой конструкции остается его относительно большая длина при использовании обычных модуль-секций с числом ступеней несколько десятков. Кроме того, при таком количестве ступеней высокая нагрузка на осевую опору вала, и соответственно пяту, в сочетании с повышенным количеством оборотов может приводить к разрушению рабочих поверхностей пяты или верхней опоры (термошоковое разрушение зоны трибоконтакта пята-верхняя опора).
Настоящая полезная модель нацелена на устранение указанных недостатков известных технических решений. Достигаемьш технический результат состоит в сокращении длины погружной части высокооборотной насосной установки при одновременном повьш1ении степени надежности погружного скважинного агрегата, в частности, за счет исключения
МГЖ-7РОШ1/06
разрушения рабочей поверхности верхней опоры вала при термошоковом разрушении. Указанный агрегат обладает повышенной надежностью работы при его установке в скважину со сложной геометрией (с более высокой кривизной некоторых участков скважин). Кроме того, снижается трудоемкость изготовления высокоточных деталей модуль-секции насоса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном насосном агрегате, состояшем из двигателя, вьшолненного с возможностью регулировки частоты и высокооборотного центробежного насоса при частоте вращения двигателя в интервале 6  000 об/мин содержится модуль-секция с количеством ступеней , причем все опоры, фиксируюпще вал модуль-секции в радиальном и осевых направлениях вьшолнены в виде подшипников скольжения, рабочие поверхности которых образованы полированными поверхностями твердосплавных материалов, причем осевая опора может вьшолняться двусторонней для предотвращения смещения вала модуль-секции вдоль оси в любую сторону, причем больший диаметр D рабочей поверхности опоры лежит в интервале  мм, причем по крайней мере, одна рабочая поверхность подшипников скольжения может быть образована сплавом на основе карбида вольфрама в никелевой матрице, причем двигатель может вьшолняться в виде маслозаполненного электромеханического преобразователя, содержащего статор, ротор, вьшолненный с использованием постоянных магнитов, узел токоввода и узел теплообменника, расположенный между электромеханическим преобразователем и узлом токоввода. На рис 1. приведен вид заявляемого устройства модуль-секции (без двигателя).
Исследовалась работа насосного агрегата в рабочем режиме с целью его модификации. Указанное устройство содержало вал (1), ступени (2), верхнюю двустороннюю опору (3) (верхние и нижние рабочие поверхности такой опоры воспринимают осевые силы), пяту (4). Соответствующие пары трения образовывались твердосплавными материалами, подвергнутыми шлифовке и полировке (шероховатость обработанной поверхности Rmax от 0,1 до ОД мкм). Диаметр вала выбирался, например, из диапазона 10-25 мм. Диаметр верхней рабочей поверхности - больший диаметр пяты (имеюш;ей кольцевую форму и определяющий размеры области трибоконтакта с поверхностью пяты) верхней опоры (3) лежал в диапазоне от 30 до 60 мм . Количество ступеней  в модуль-секции определено опытным путем для частоты вращения двигателя 6 000  000 об/мин. Именно при таком (и меньшем количестве) ступеней гарантированно происходит эффективная разгрузка системы верхняя опора - пята в такой степени, что резко снижается вероятность разрушения трибосопряжения из-за эффекта термошока. Поясним это качественными соображениями. Параметр  определяет характерную максимальную мощность тепловых источников в зоне трибоконтакта, где k - коэффициент трения, зависящий от физико-механических
свойств пары трения (материалов, характера поверхностной обработки), Р - контактное давление в области трибосопряжения (прямо пропорциональное количеству ступеней в модуль-секции), V - максимальная линейная скорость в области трибосопряжения (V пропорциональна п - частоте вращения двигателя). Е не должна превышать заданной критической величины, при которой наступает термошок. При превышении критического порога тепловая мошлость Е в зоне трибосопряжения увеличивается настолько, что тепло, создаваемое в зоне трибоконтакта, не успевает отводится из зоны контакта и происходит разогрев зоны контакта. В результате зона трибосопряжения разрушается (эффект термошока). Отсюда следует, что для заданного диапазона частот вращения двигателя существует некое предельно допустимое N - число ступеней, при котором Е в зоне трибосопряжения не превышает критического порога. Кроме того, при таком числе ступеней модуль-секции получается короткой (менее 1 м) и в ней практически не наблюдаются изгибные колебания вала, приводящие к повьш1енному износу трибосопряжений в модуль-секции.
Использование вентильного двигателя с теплообменником позволяет увеличить ресурс агрегата при работе на двигателя высоких оборотах  об/мин. Для повьштения износостойкости, и соответственно повьшхения ресурса работы опоры, ее рабочая поверхность, а также рабочая поверхность пяты может вьшолняться из сплава карбида вольфрама в никелевой матрице и подвергается полировке.
В качестве примера рассмотрим погружной агрегат, который состоит из двигателя и насоса с одной модуль-секцией. Модуль-секция включает: набор из 8 ступеней (направляющих аппаратов с рабочими колесами), вал, верхнюю двухстороннею опору с рабочей поверхностью из сплава карбида вольфрама в никелевой матрице ВН8 (никель 8%), два радиальных подщипника, удерживающих вал от поперечных смещений. В рабочем режиме насоса возникаюшую осевую силу воспринимают рабочие поверхности верхней опоры, формируемые торцевыми поверхностями неподвижных подшипниковых втулок, закрепленных в верхней опоре и взаимодействующие с рабочей поверхностью пяты, формируемые торцевым подшипником верхней пяты. Диаметр рабочей поверхности верхней опоры 48 мм. Указанная трибоповерхность шлифуется и полируется. Двигатель выполнялся в виде маслозаполненного электромеханического преобразователя электродвигателя с возможностью регулирования количества оборотов от 6000 до 20 000 тыс об/мин. Ротор двигателя вьшолнялся с использованием постоянных магнитов, узел токоввода и узел теплообменника, расположенный между электромеханическим преобразователем и узлом токоввода
/я
ступеней меньше 12 и числе оборотов двигателя от 6000 до 20 000 об/мин верхняя опора работает в режиме исключающем термошоковое разрушение области трибосопряжения верхней опоры. Диаметр выбирался пяты больше диаметра верхней опоры. Изгибные колебания вала, и соответствующие им процессы изнашивания, в модуль-секции отсутствуют. Использование коротких модуль-секций (1 м) значительно сокращает длину погружной части насоса и позволяет опускать ее в скважины со сложной геометрией. Даже при наличии 4-5 модуль-секций (как правило, это максимальное количество в установке) погружная часть насосной установки остается достаточно короткой.
Список литературы.
1.Международный транслятор. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Междзшародная инженерная энциклопедия. Серия Нефтегазовые установки. Под. Ред. Ю.В. Алекперова и В.Я. Кершенбаума. Изд-во Нефть и газ Москва. 1998. 2.Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. ГУП. Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с.
З.Скважинные насосные установки для добычи нефти. В.Н.Ивановский, В.И.Даршцев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. М. ГУП. Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 824 с.