Ступень центробежного скважинного многоступенчатого насоса

Изобретение относится к центробежным насосам для добычи из скважин нефти с высоким содержанием газа. Ступень центробежного скважинного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат (НА) с лопатками и рабочее колесо (РК), которое, в свою очередь, содержит ведущий диск с лопатками. На периферии верхней поверхности ведущего диска РК выполнены ячейки, открытые с его внешней стороны. На верхней поверхности ведущего диска РК между его осью вращения и ячейками выполнена кольцевая проточка. Одиночные ячейки или группы соседних ячеек, состоящие, по меньшей мере, из двух ячеек, чередуются по периферии верхней поверхности ведущего диска РК с одиночными сквозными каналами (СК), сообщающими кольцевую проточку с периферией РК, или группами подобных соседних СК, состоящих, по меньшей мере, из двух СК. Изобретение позволяет повысить напор ступеней, при одновременном препятствовании образованию газовых пузырей в полости между ведущим диском РК предыдущей ступени и НА последующей ступени, а также предотвратить всплытие колеса, и, как следствие, повышенный износ металла контактирующих поверхностей РК и НА. 4 з. п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании центробежных скважинных многоступенчатых насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием газа в пластовой жидкости.

Известна ступень погружного насоса, раскрытая в описании к патенту RU 2218482 С1, опубликованном 10.12.2003, МПК7 F 04 D 13/10, которая содержит направляющий аппарат с лопатками, рабочее колесо, содержащее, в свою очередь, ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками рабочего колеса. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены отделенные друг от друга выступы, которые расположены по периферии окружности ведущего диска через приблизительно одинаковые угловые расстояния друг относительно друга. Выступы имеют в своем сечении прямоугольную форму и способствуют предотвращению накопления пузырьков газа со стороны нижней поверхности наружного диска направляющего аппарата.

Недостаток же рассматриваемой выше конструкции ступени состоит в том, что задаваемая проточная часть на периферии ведущего диска рабочего колеса является пологой, не соответствующей траектории движения тороидального вихря. Вследствие этого тороидальный вихрь является недостаточно интенсивным, что снижает его энергетические и диспергирующие свойства. Это снижает энергетические характеристики ступени, ухудшает ее работу на газожидкостных смесях. Кроме того, для рассматриваемой ступени не предусмотрена возможность «тонкой» статической регулировки осевого усилия, приложенного к рабочему колесу.

Наиболее близкой к предложенному техническому решению является ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса, раскрытая в описании к патенту RU 2138691 С1, опубликованном 27.09.1999, МПК7 F 04 D 13/10, 1/06, 31/00, содержащая направляющий аппарат с лопатками, рабочее колесо, которое содержит ведущий и ведомый диски с размещенными между ними лопатками рабочего колеса. На верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены открытые с его внешней стороны трехсторонние ячейки, которые расположены по периферии окружности ведущего диска через приблизительно одинаковые угловые расстояния друг относительно друга.

Однако для данного устройства не обеспечена высокая надежность его эксплуатации, поскольку в полости между верхней поверхностью рабочего колеса предыдущей ступени и наружным диском направляющего аппарата последующей ступени могут накапливаться пузырьки газа. Кроме того, для рассматриваемой ступени-прототипа, так же как и для рассматриваемой ступени-аналога, не предусмотрена возможность «тонкой» статической регулировки осевого усилия, приложенного к рабочему колесу, для предотвращения его «всплытия».

Таким образом, технический результат, на достижение которого направлено предложенное изобретение, заключается в повышении напора пластовой жидкости, подаваемой с рассматриваемой на последующую ступень скважинного насоса, в условиях работы насоса в малодебитных скважинах при одновременном препятствовании образованию газовых пузырей в полости между ведущим диском колеса рассматриваемой ступени и направляющим аппаратом последующей ступени, а также обеспечение возможности «тонкой» статической регулировки приложенного к рабочему колесу осевого усилия для предотвращения его всплытия и, как следствие, повышенного износа металла контактирующих поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в ступени центробежного скважинного многоступенчатого насоса, содержащей направляющий аппарат с лопатками, рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопатками, при этом на периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены ячейки, открытые с его внешней стороны, а на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса между его осью вращения и ячейками выполнена кольцевая проточка, согласно изобретению одиночные ячейки или группы соседних ячеек, состоящие, по меньшей мере, из двух ячеек, чередуются по периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса с одиночными сквозными каналами, сообщающими кольцевую проточку с периферией рабочего колеса, или группами подобных соседних сквозных каналов, состоящих, по меньшей мере, из двух сквозных каналов.

Кроме того, ячейки и/или сквозные каналы в своих поперечных сечениях могут иметь форму трапеции, параллелограмма, треугольника или криволинейной трапеции.

На фиг.1 изображен разрез ступени насоса, выполненной в соответствии с изобретением.

На фиг.2 приведен вид А сверху ведущего диска с вариантом конструктивного исполнения профиля ячеек и сквозных каналов.

На фиг.3 - 7 - возможные варианты конструктивного исполнения профиля ячеек и сквозных каналов, показанных в сечении Б-Б на фиг.2.

Предложенный центробежный скважинный многоступенчатый насос имеет следующую конструкцию:

Ступень 1 центробежного скважинного многоступенчатого насоса содержит направляющий аппарат 2 и рабочее колесо 3. Рабочее колесо содержит ступицу 4, предназначенную для установки рабочего колеса на вал насоса, а также ведущий 5 и ведомый 6 диски с размещенными между ними лопатками 7 рабочего колеса 3. Кроме того, между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 2 установлены антифрикционные шайбы 8 для снижения трения между указанными элементами насоса. На периферии верхней поверхности ведущего диска 5 рабочего колеса 3 выполнены ячейки 9, открытые с его внешней стороны, а на верхней поверхности ведущего диска 5 рабочего колеса 3 между его осью вращения и ячейками выполнена кольцевая проточка 10 для накопления и последующего отвода газа, содержащегося в пластовой жидкости, в кольцевой зазор между внешней стороной (периферией) рабочего колеса 3 и внутренней поверхностью наружного кольца направляющего аппарата 2 (см. фиг.1).

Помимо ячеек 9 на периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса также выполнены сквозные каналы 11, предназначенные для сообщения кольцевой проточки 10 с периферией рабочего колеса 3. Сквозные каналы 11 в отличие от ячеек 9 открыты как с внешней, так и с внутренней стороны по отношению к оси рабочего колеса 3 для обеспечения возможности прохода пластовой жидкости во внутреннюю часть пространства между ведущим диском 5 рабочего колеса и наружной крышкой направляющего аппарата 2. Движение потока пластовой жидкости между ведущим диском 5 рабочего колеса 3 и наружной крышкой направляющего аппарата 2 происходит приблизительно параллельно верхней поверхности ведущего диска 5. При этом одиночные ячейки 9 или группы соседних ячеек, состоящие, по меньшей мере, из двух ячеек, чередуются по периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса с одиночными сквозными каналами 11 или группами соседних сквозных каналов, состоящих, по меньшей мере, из двух сквозных каналов (см. фиг.2).

Для достижения требуемых параметров потока пластовой жидкости в зависимости от условий эксплуатации скважины ячейки 9 и/или сквозные каналы 11 в своих поперечных сечениях могут иметь форму трапеции, параллелограмма, треугольника или криволинейной трапеции (см. фиг.3-7).

Геометрические параметры ячеек 9 и сквозных каналов 11 (длину, ширину, высоту, угол их наклона относительно верхней горизонтальной поверхности ведущего диска 5 рабочего колеса 3, кривизну закрутки), а также их общее количество и порядок чередования определяют экспериментально для соответствующих условий эксплуатации, исходя из требуемого напора, габаритных размеров ступени, а также обеспечения условия снижения вероятности всплытия ступени в рабочей зоне.

Общее количество ячеек 9 и сквозных каналов 11 должно превышать количество лопаток 7 рабочего колеса 3 для улучшения гидравлических характеристик.

Данное устройство работает следующим образом:

Подводимая через направляющий аппарат 2 предыдущей ступени 1 пластовая жидкость проходит через каналы рабочего колеса 3, приводимого во вращение валом насоса (не показан), увеличивая свою кинетическую энергию. Покидая рабочее колесо 3, пластовая жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, где кинетическая энергия жидкости преобразуется в давление. Затем через указанные каналы жидкость направляется на вход рабочего колеса следующей ступени 1, а часть жидкости, отражаясь от внутренней поверхности внешней стенки направляющего аппарата 2, попадает в пространство 10 между наружным диском направляющего аппарата 2 и ведущим диском 5 рабочего колеса.

Из указанного пространства пластовая жидкость попадает в сквозные каналы 11, посредством которых кольцевая проточка 10 сообщается с периферией рабочего колеса 3, вымывая образующиеся в кольцевой проточке 10 пузырьки газа. Тем самым в предложенной конструкции ступени предотвращена возможность возникновения газовой пробки. Кроме того, перекачиваемая пластовая жидкость также попадает в открытые с внешней стороны ведущего диска 5 рабочего колеса 3 ячейки 9, которые служат для образования тороидального постоянно циркулирующего потока пластовой жидкости по периферии ведущего диска 5 рабочего колеса 3 в области расположения данных ячеек 9.

Таким образом, между наружным диском направляющего аппарата 2 и ведущим диском 5 рабочего колеса 3 формируется поток с выраженной центробежной составляющей, движущийся приблизительно параллельно верхней поверхности ведущего диска 5, что обеспечивает высокий напор пластовой жидкости, передаваемой на последующую ступень. При этом часть жидкости проходит через внутреннюю часть пространства 10 между наружным диском направляющего аппарата 2 и ведущим диском 5 рабочего колеса 3, что также обеспечивает эффективное вымывание абразивных частиц, содержащихся в пластовой жидкости, из указанного пространства и исключает возможность скапливания в нем газовых пузырей.

Кроме того, в предложенном техническом решении обеспечивается эффективное перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многокомпонентных газожидкостных средах. Более того, варьируя соотношение количества ячеек 9 и сквозных каналов 11, а также порядок их выполнения по периферии ведущего диска 5 рабочего колеса 3 обеспечивается «тонкая» статическая регулировка осевого усилия, приложенного к рабочему колесу 3. В зависимости от дебита эксплуатируемой скважины, а также габаритных размеров насоса, в частности его диаметра, в ступенях центробежного скважинного многоступенчатого насоса используются те или иные ведущие диски 5 с определенным соотношением количества ячеек 9 и сквозных каналов 11 (например, 30 ячеек и 10 сквозных каналов), при этом соблюдается строго определенная очередность их чередования по периферии ведущего диска 5 рабочего колеса 3 (например, сквозной канал повторяется через каждые три ячейки). Вследствие чего нагнетаемый поток пластовой жидкости оказывает установленное в соответствии с конструкторскими расчетами осевое усилие на рабочее колесо, что позволяет предотвратить его «всплытие» по отношению к направляющему аппарату следующей ступени, а следовательно, устранить одну из основных причин износа контактирующих поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата в реальных условиях эксплуатации малодебитных скважин.

1. Ступень центробежного скважинного многоступенчатого насоса, содержащая направляющий аппарат с лопатками и рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с лопатками, при этом на периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса выполнены ячейки, открытые с его внешней стороны, а на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса между его осью вращения и ячейками выполнена кольцевая проточка, отличающаяся тем, что одиночные ячейки или группы соседних ячеек, состоящие, по меньшей мере, из двух ячеек, чередуются по периферии верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса с одиночными сквозными каналами, сообщающими кольцевую проточку с периферией рабочего колеса, или группами подобных соседних сквозных каналов, состоящих, по меньшей мере, из двух сквозных каналов.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ячейки и/или сквозные каналы в своих поперечных сечениях имеют форму трапеции.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ячейки и/или сквозные каналы в своих поперечных сечениях имеют форму криволинейной трапеции.

4. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ячейки и/или сквозные каналы в своих поперечных сечениях имеют форму параллелограмма.

5. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ячейки и/или сквозные каналы в своих поперечных сечениях имеют форму треугольника.