Погружной электрический насос
Изобретение относится к погружным центробежным насосам, используемым для перекачивания агрессивных сред, в том числе и содержащих абразивные механические примеси, и может быть использовано для добычи полезных ископаемых в жидкой форме, в том числе углеводородов из нефтяных скважин, а также с использованием щелочного или кислотного выщелачивающего вещества. Насос содержит корпус с головкой и основанием, в котором на опорных подшипниках установлен вал с прижимной гайкой. На валу закреплены ступени рабочих колес, а в корпусе зажаты ступени направляющих аппаратов. Между ступенями рабочих колес установлены промежуточные втулки. Направляющие аппараты и рабочие колеса изготовлены из керамического материала. Изобретение направлено на повышение срока службы насоса путем устранения проблем, связанных с температурным расширением, изгибающими и ударными нагрузками. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области погружных центробежных насосов, используемых для перекачивания агрессивных сред, в том числе и содержащих абразивные механические примеси, и может быть использовано для добычи полезных ископаемых в жидкой форме, в том числе углеводородов из нефтяных скважин, а также с использованием щелочного или кислотного выщелачивающего вещества.
Разработанная конструкция погружного электрического насоса относится к области высокоскоростных (частота вращения насоса свыше 4500 об/мин) погружных электрических насосов, используемых, предпочтительно, для добычи углеводородных полезных ископаемых из нефтяных скважин, содержащих повышенную концентрацию механических примесей. Средняя концентрация пластовых механических примесей, содержащихся в потоке продукции, добываемой из российских скважин, составляет 200 мг/л. При эксплуатации скважин с тяжелыми нефтями концентрация твердых частиц может быть значительно выше. В первое время после гидроразрыва скважины вынос частиц проппанта в потоке добываемой продукции может достигать концентрации 1 г/л. Высокая частота вращения вала насоса в сочетании с высокой концентрацией твердых частиц в потоке добываемой продукции вызывает ускоренный эрозионный износ конструкции ступеней, через которые проходит поток. Твердые частицы, попадающие в узкие зазоры ступеней между вращающимися и стационарными элементами насоса, также вызывают абразивный износ материала ступеней. Все это в результате приводит к снижению производительности насоса. Эрозионный износ ступеней насоса приводит к увеличению динамической нагрузки на радиальные подшипники. Ускоренный износ радиальных подшипников приводит к преждевременному отказу насоса. Из теории износа известно, что скорость эрозионного износа материала ступеней пропорциональна квадрату скорости перемещения твердых частиц. Соответственно увеличение частоты вращения насоса с 3500 до 7000 об/мин приведет к 4-кратному увеличению скорости эрозионного износа материала ступеней. Принимая во внимание тенденцию в нефтяной промышленности к интенсификации добычи скважины за счет увеличения частоты вращения ступеней насоса, защитные элементы, предохраняющие их от эрозионного износа, становятся важным элементом конструкции насоса.
Известен (RU, патент 2018716) многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с закрепленными в нем направляющими аппаратами, установленный в корпусе вал с закрепленными на нем рабочими колесами и размещенными между ними промежуточными втулками, и защитные покрытия из износостойкого материала, размещенные, по меньшей мере, в местах изгибов вала от воздействующих на него нагрузок в сопрягаемых зонах промежуточных втулок и направляющих аппаратов, причем защитные покрытия на сопряженных поверхностях направляющих аппаратов и промежуточных втулок выполнены из высокотвердого материала группы самофлюсующихся хромоникелевых составов и/или высокотвердого никельалюминиевого материала.
Недостатком известного насоса следует признать его малую устойчивость к абразивному действию частиц, присутствующих в перекачиваемых средах.
Известен (RU, патент 2132000) многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с закрепленными в нем направляющими аппаратами, установленный в корпусе посредством концевых и промежуточных подшипниковых опор вал с поочередно размещенными на нем рабочими колесами и промежуточными втулками, причем каждое рабочее колесо снабжено кольцевой опорой нижнего диска для передачи осевых нагрузок с него на корпус при работе насоса. Каждая из промежуточных опор выполнена из двух кольцевых П-образных в сечении деталей, телескопически встречно сопряженных друг с другом, с отверстиями в основаниях, одна из которых неподвижна, то есть жестко закреплена в корпусе между направляющими аппаратами, осевая подвижность другой П-образной детали обеспечена размером продольного паза в неподвижной детали с выступающим в паз штифтом, установленным в теле подвижной детали, основание которой снабжено двумя выступами, один из которых выполнен для контакта с кольцевой опорой выше расположенного по валу рабочего колеса, а другой выполнен для замыкания кольцевой полости, образованной наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки, торцом внутренней стенки неподвижной П-образной детали промежуточной опоры и внешней цилиндрической поверхностью внутренней стенки подвижной детали промежуточной опоры, при этом в образованной кольцевой полости размещен упругопластичный материал, например фторопласт и/или композит на его основе.
Недостатком известного насоса следует признать его сложность, а также недостаточную устойчивость к действию абразивных частиц, присутствующих в перекачиваемых средах.
Наиболее близким аналогом описываемой конструкции можно признать (SU, авторское свидетельство 1763719) конструкцию погружного многоступенчатого центробежного насоса. Известный насос содержит цилиндрический корпус, размещенные в нем ступени, каждая из которых выполнена из установленного на валу с возможностью осевого перемещения лопастного рабочего колеса со ступицей и неподвижного лопаточного направляющего аппарата, включающего закрепленный на корпусе лопастной диск с центральным отверстием, лопатки на его наружной торцевой поверхности, обращенные тыльной стороной к торцу рабочего колеса, и наружный диск со ступицей, при этом между поверхностями центрального отверстия лопастного диска и ступицы наружного диска образован входной кольцевой канал и, по крайней мере, в части направляющих аппаратов выполнены промежуточные опоры, образованные внутренними поверхностями ступиц. Направляющие аппараты с промежуточными опорами снабжены демпфирующими кольцами со сквозными окнами, выполненными из эластичного материала и расположенными в кольцевых входных каналах.
Недостатком известного насоса следует признать недостаточную устойчивость к действию абразивных частиц, присутствующих в перекачиваемых средах.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке новой конструкции погружного насоса.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемой конструкции насоса, состоит в повышении срока его службы.
Для достижения указанного технического результата в погружном электрическом насосе, содержащем корпус с головкой и основанием, в котором на опорных подшипниках установлен вал с прижимной гайкой, при этом на валу закреплены ступени рабочих колес, а в корпусе зажаты ступени направляющих аппаратов, согласно изобретению между ступенями рабочих колес установлены промежуточные втулки, а направляющие аппараты и рабочие колеса изготовлены из керамического материала.
В корпусе между направляющими аппаратами целесообразно устанавливать металлические промежуточные втулки, при этом длина корпусной промежуточной втулки между контактными поверхностями равна длине между контактными поверхностями промежуточной втулки, установленной на валу. Предпочтительно корпусная промежуточная металлическая втулка выполнена в виде элемента, недеформируемого в аксиальном направлении и обладающего гибкостью в поперечном направлении, промежуточная металлическая втулка рабочего колеса содержит с одной стороны выступы, при этом керамическое рабочее колесо имеет соответствующие пазы со стороны втулки и аксиальный паз округлой формы, проходящий по всему внутреннему диаметру рабочего колеса. В предпочтительном варианте реализации выступы промежуточной втулки рабочего колеса обладают гибкостью при приложении крутящего момента. Для повышения продолжительности работы погружного насоса металлическая промежуточная втулка рабочего колеса может иметь внешний слой, изготовленный из устойчивого к абразивному воздействию материала. Также между соприкасающимися поверхностями ступеней может быть расположен слой демпфирующего материала, обычно эластомерного полимера. Между пакетом направляющих аппаратов и головкой может быть установлена деформируемая втулка, обладающая высокой жесткостью в аксиальном направлении, при этом другая деформируемая втулка, аналогичная по конструктивному исполнению и свойствам, но с меньшими размерами, установлена между гайкой вала и пакетом рабочих колес.
В дальнейшем сущность и преимущества заявленной конструкции погружного насоса будут рассмотрены с использованием графического материала. На фиг.1 приведен общий вид сечения насоса; на фиг.2 приведена детализация конструкции ступеней насоса; на фиг.3 приведен разрез А-А; на фиг.4 приведена конструкция соединения промежуточной втулки рабочего колеса с рабочим колесом; на фиг.5 и 6 приведены конструкции деформируемых "пружинных" втулок для зажима направляющих аппаратов в корпусе и колес на валу, на фиг.7 приведен один из возможных вариантов конструкции промежуточной втулки направляющего аппарата.
Конструкция насоса (фиг.1), предназначенного для добычи жидких углеводородов с большим содержанием механических примесей, состоит из следующих комплектующих: корпус 1, вал 2, головка 3, основание 4, направляющие аппараты 5 со слоями эластомеров 19 и 20, а также эластомерным кольцом 17 (фиг.2), рабочие колеса 6 с пазом 16 (фиг.3) на внутренней поверхности, радиальные подшипники 7, промежуточные втулки направляющих аппаратов 9, промежуточные втулки колес 8 с выступом 14 (фиг.2), деформируемая втулка диффузора 10, деформируемая втулка рабочего колеса 11, прижимная гайка 12, шлицевая муфта 13 для передачи крутящего момента.
Пакет направляющих аппаратов установлен со сжатием внутри корпуса 1 между головкой 3 и основанием 4. Величина усилия сжатия составляет несколько тонн. Необходимая величина усилия сжатия определяется с учетом устранения зазоров между контактными поверхностями деталей с одновременным обеспечением достаточной силы трения для предотвращения проворачивания направляющих аппаратов внутри корпуса. Сжатие пакета рабочих колес на валу 2 осуществляют гайкой 12. Необходимая величина усилия сжатия для рабочих колес значительно меньше и составляет несколько десятков килограммов. Требуемое усилие сжатия пакета рабочих колес должно быть достаточным для выборки зазоров между контактными поверхностями рабочего колеса и промежуточной втулки.
Направляющие аппараты 5 и рабочие колеса 6 изготовлены целиком из керамического материала. Керамика на основе оксида алюминия обладает высокой износостойкостью, что позволяет насосу перекачивать жидкость с высоким содержанием механических примесей в течение длительного времени при сохранении напора и эффективности.
Значительная разница в коэффициентах теплового расширения металла и керамики должна учитываться при разработке конструкции насоса, содержащего моноблочные керамические ступени. Коэффициент теплового расширения алюминиево-оксидной керамики приблизительно в два с половиной раза ниже коэффициента теплового расширения стали. При работе насоса в скважине при температуре +120°С (характерной для российских месторождений) имеют место две основные проблемы:
1. Уменьшение величины сжатия пакетов рабочих колес и направляющих аппаратов. Для секции насоса длиной 6 м, собранной при комнатной температуре +20°С и работающей в скважине при температуре +120°С, разница в длине корпуса, изготовленного из углеродистой стали, и пакета керамических направляющих аппаратов вследствие температурного удлинения достигнет 4 мм. При этом величина усилия сжатия пакета направляющих аппаратов значительно ослабляется (приблизительно на 70%), а в некоторых случаях крепление направляющих аппаратов может полностью исчезнуть.
2. Исчезновение зазоров между ступенями диффузоров и рабочих колес.
В работающем насосе нижняя опорная шайба колеса соприкасается с соответствующей поверхностью направляющего аппарата, при этом между верхом колеса и низом направляющего аппарата устанавливается зазор, одинаковый для всех ступеней. Для конструкций большинства насосов величина этого зазора находится в пределах 1,0÷1,5 мм. Даже незначительное изменение в длине между пакетом направляющих аппаратов и рабочих колес при скважинной температуре приведет на нескольких ступенях к исчезновению верхнего зазора и увеличению нижнего зазора. В результате в правильно собранном/отрегулированном на поверхности и спущенном в скважину насосе произойдет расклинивание пакета рабочих колес между направляющими аппаратами, что приведет к отказу насоса.
Следующим важным моментом, который учитывается в предлагаемой конструкции, является предотвращение изгиба керамических ступеней насоса, а также снижение и гашение ударных нагрузок, передаваемых на ступени. Керамический материал обладает значительной прочностью на сжатие, но ограниченной прочностью на изгиб, и чувствителен к ударным нагрузкам. Изгиб насоса может происходить во время его погрузки, разгрузки, транспортировки и монтаже. Ударные нагрузки могут возникать при соприкосновении поверхностей направляющего аппарата и рабочего колеса, а также во время передачи вращения с вала на рабочие колеса.
Предлагаемая конструкция насоса позволяет устранить вышеописанные проблемы, связанные с температурным расширением, изгибающими и ударными нагрузками.
Первая проблема, связанная с температурным расширением, решена за счет использования "деформируемой" пружинной втулки 10 для зажима пакета направляющих аппаратов, и "деформируемой" пружинной втулки 11 для зажима пакета колес (фиг.5 и 6). Втулки 10 и 11 имеют поперечные перекрывающиеся пазы 24 и 25. Данная конфигурация пазов преобразует указанные втулки в пружины с высокой жесткостью (высокое отношение силы сжатия к деформации). В предлагаемой конструкции насоса втулку 10 устанавливают между верхним направляющим аппаратом и головкой насоса 3 (фиг.1). Втулку 11 устанавливают между верхним рабочим колесом и гайкой вала 12 (фиг.1). Предлагаемая конструкция втулок обеспечивает достаточную силу сжатия пакетов рабочих колес и направляющих аппаратов и позволяет компенсировать разницу в тепловом удлинении вала и корпуса. В пазу на внешней поверхности керамического направляющего аппарата установлено кольцо 17 из эластомерного материала (фиг.2) с сечением прямоугольной или округлой формы. Сила трения в соединении эластомерного кольца, направляющего аппарата и корпуса дополнительно препятствует проворачиванию направляющих аппаратов внутри корпуса. Тем самым частично компенсируются потери фрикционного крутящего момента между поверхностями направляющих аппаратов вследствие теплового расширения.
Вторая проблема, связанная с температурным расширением, решена за счет использования металлической промежуточной втулки 9 между направляющими аппаратами 5 (фиг.2). Длина промежуточной втулки 9 направляющего аппарата равна длине промежуточной втулки 8 рабочего колеса.
В предлагаемой конструкции насоса происходит идентичное увеличение длины пакета направляющих аппаратов и пакета рабочих колес вследствие теплового удлинения. Регулировка взаимного положения ступеней насоса во время работы остается постоянной и не меняется вне зависимости от изменения температуры внутри скважины.
Важным аспектом предлагаемой конструкции насоса является схема передачи крутящего момента от вала 2 на рабочие колеса 6. В существующих погружных центробежных насосах, используемых в нефтедобывающей промышленности, для передачи крутящего момента от вала к чугунным колесам используют шпоночное соединение. В пазу вала устанавливают длинную шпонку прямоугольного сечения, а на внутренней поверхности ступицы каждого рабочего колеса имеется соответствующий паз. В случае рабочего колеса из керамического материала традиционная схема передачи крутящего момента не является надежной, так как существует вероятность разрушения паза рабочего колеса металлической шпонкой под действием ударных нагрузок. Размеры шпонки и допустимые размеры втулки рабочего колеса не позволяют иметь на внутренней поверхности втулки надежный по прочности шпоночный паз. В предлагаемой конструкции насоса данная проблема решена за счет использования альтернативной схемы передачи крутящего момента (фиг.2 и 3). Крутящий момент с вала 2 передается через стандартную шпонку 15 прямоугольного сечения на промежуточную втулку 8. Промежуточная втулка 8 передает крутящий момент на рабочее колесо 6 посредством "зубчатого соединения". Торцевые выступы 14 промежуточной втулки 8 входят в торцевые пазы 22 ступицы рабочего колеса (фиг.4). Наличие достаточной толщины материала в элементах конструкции позволяет создать прочное соединение для передачи крутящего момента от вала на керамические колеса. Для демпфирования ударных нагрузок на колесо при передаче крутящего момента выступы 14 промежуточной втулки имеют возможность упругой деформации за счет соответствующей конфигурации 21 (фиг.4).
Для обеспечения свободного размещения прямоугольной шпонки на внутренней поверхности рабочего колеса выполнен паз округлой формы 16 (фиг.3).
Для защиты направляющих аппаратов от изгибных нагрузок промежуточная втулка 9 выполнена в виде элемента, недеформируемого в аксиальном направлении и обладающего гибкостью в поперечном направлении. Другими словами между направляющими аппаратами встраивают "шарнирный элемент". Один из конструктивных вариантов выполнения промежуточной втулки представлен на фиг.2. Втулка 9 (фиг.2) имеет проточку с заниженным диаметром. Предложенное исполнение снижает изгибную жесткость втулки при сохранении аксиальной жесткости. Второй вариант исполнения промежуточной втулки направляющего аппарата представлен на фиг.7. По данному варианту исполнения конструкция втулки включает три кольца. Центральное кольцо 23 имеет значительную длину. Каждое из двух внешних колец 18 соединено с центральным кольцом посредством двух ребер, размещенных в одной плоскости. Плоскости размещения ребер с одной и другой стороны смещены относительно друг друга на угол 90°. Предложенная конструкция обеспечивает исключительно высокую прочность промежуточной втулки на сжатие с одновременной возможностью изгиба торцевых поверхностей.
Во избежание повреждения элементов ступеней насоса в местах возможного контакта колеса с направляющим аппаратом в результате ударных нагрузок нанесены слои эластомерного материала 19 и 20 (фиг.2).
Внешняя поверхность промежуточной втулки 8 рабочего колеса имеет износостойкое покрытие. Покрытие может быть представлено карбидом вольфрама или кремния, а также выполнено из керамического материала. Каждая пара направляющего аппарата и промежуточной втулки колеса представляет радиальный подшипник, устойчивый к абразивному износу.
Предлагаемая конструкция насоса с цельными керамическими ступенями обеспечит его надежную работу в добывающих скважинах с высоким содержанием механических абразивных примесей.
1. Погружной электрический насос, содержащий корпус с головкой и основанием, в котором на опорных подшипниках установлен вал с прижимной гайкой, при этом на валу закреплены ступени рабочих колес, а в корпусе зажаты ступени направляющих аппаратов, отличающийся тем, что между ступенями рабочих колес установлены промежуточные втулки, а направляющие аппараты и рабочие колеса изготовлены из керамического материала.
2. Насос по п.1, отличающийся тем, что в корпусе между направляющими аппаратами установлены металлические промежуточные втулки, при этом длина корпусной промежуточной втулки между контактными поверхностями равна расстоянию между контактными поверхностями промежуточной втулке, установленной на валу.
3. Насос по п.1, отличающийся тем, что корпусная промежуточная металлическая втулка выполнена в виде элемента, недеформируемого в аксиальном направлении и обладающего гибкостью в поперечном направлении.
4. Насос по п.1, отличающийся тем, что промежуточная металлическая втулка рабочего колеса содержит с одной стороны выступы, а керамическое рабочее колесо имеет соответствующие пазы на стороне втулки и аксиальный паз округлой формы, проходящий по всему внутреннему диаметру рабочего колеса.
5. Насос по п.1, отличающийся тем, что выступы промежуточной втулки рабочего колеса обладают гибкостью при приложении крутящего момента.
6. Насос по п.1, отличающийся тем, что металлическая промежуточная втулка рабочего колеса имеет внешний слой, изготовленный из устойчивого к абразивному воздействию материала.
7. Насос по п.1, отличающийся тем, что в паз на внешней поверхности керамического направляющего аппарата установлено кольцо из полимерного эластичного материала с прямоугольным или округлым сечением.
8. Насос по п.1, отличающийся тем, что между перекрывающимися поверхностями ступеней расположен слой демпфирующего материала.
9. Насос по п.8, отличающийся тем, что в качестве демпфирующего материала использован полимерный эластичный материал.
10. Насос по п.1, отличающийся тем, что между пакетом направляющих аппаратов и головкой установлена деформируемая втулка, обладающая высокой жесткостью в аксиальном направлении, при этом дополнительная втулка, аналогичная по конструктивному исполнению и свойствам, но с меньшими размерами, установлена между гайкой вала и пакетом рабочих колес.
