Ступень погружного насоса и способ ее изготовления

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов (ЭЦН) для добычи нефти из скважин с высоким содержанием минеральных солей и высоким содержанием механических и абразивных примесей в пластовой жидкости. Ступень погружного насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо. Направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из деталей. Детали изготовлены путем предварительной вырубки заготовок из листового проката из нержавеющей стали, отжига, вытяжки и формовки, последующей контактной сварки и обработки на токарном или фрезерном обрабатывающих центрах. Собраны детали методом кассетной механизированной закладки в кондукторы. В результате обеспечивается уменьшение массы изделия и повышение чистоты его рабочих поверхностей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов (ЭЦН) для добычи нефти из скважин с высоким содержанием минеральных солей (высокой обводненностью) и высоким содержанием мехпримесей в пластовой жидкости.

Неполадки при работе скважин, оборудованных насосами ЭЦН, осложнения в добыче нефти в основном связаны с отложениями солей, АСПО (асфальто-смоло-парафинистые отложения), выпадением песка и т.д., в результате которых происходит поломка оборудования. Содержащиеся в пластовой жидкости смолы, асфальтены и парафин откладываются на поверхностях, соприкасающихся с ней. Присутствие в добываемой нефти большого количества механических примесей затрудняет эксплуатацию скважин, повышает износ оборудования, усложняет обслуживание скважин, при этом возрастают эксплуатационные расходы. В этих условиях очень быстро изнашиваются детали насоса, снижается надежность гидрозащиты электродвигателя погружного насоса. Примеси, содержащиеся в откачиваемой жидкости, различны в качественном и количественном составе: это могут быть продукты разрушения пласта или цементного кольца или принесенные с поверхности частицы различного состава.

Однако влияние их на все насосы идентично: они забивают фильтры насосов, вначале уменьшая, а затем полностью прекращая поступление жидкости в насос, или действуют как абразив, ускоряя процесс износа элементов насоса или заклинивания их. Отложения сульфидо-песчаного типа являются наиболее опасными для ЭЦН, так как по сравнению с отложениями другого типа вызывают интенсивный абразивный износ вращающихся деталей и, как следствие, преждевременный выход из строя установки, а в некоторых случаях - падение установки на забой.

Увеличить работоспособность насосов можно за счет применения износостойких материалов и покрытий: сверхтвердых чугунов, керамики (карбидов и нитридов кремния, корунда, диоксида циркония), твердых сплавов, стеллита, твердость которых почти в 3,5 раза выше твердости песка.

Известна (патент РФ 2083880), например, конструкция центробежного насоса с керамическими рабочими дисками. Эта конструкция содержит корпус, привод, связанный с рабочим колесом, включающим один из керамических рабочих дисков с установленными на нем нагнетательными элементами, расположенными в рабочей камере, имеющей впускные и выпускные отверстия и ограниченной поверхностями подвижного и неподвижных керамических дисков. При этом рабочая камера расположена между двумя керамическими дисками, обращенными друг к другу, поверхности которых выполняют одновременно роль торцевых уплотнений, и выполнена в виде паза на поверхности неподвижного керамического диска, ограниченного двумя коаксиальными поверхностями разных диаметров, причем нагнетательные элементы установлены на подвижном керамическом диске рабочего колеса с возможностью при вращении последнего попеременного перекрытия впускных и выпускных отверстий, выполняющих одновременно роль впускных и выпускных клапанов.

Недостатками известной конструкции следует признать ее низкие ресурсность и надежность, обусловленные истиранием абразивными частицами элементов насоса, составляющих гидравлический тракт.

Известна также конструкция центробежного насоса по авторскому свидетельству СССР №1125408. Известная конструкция содержит износостойкие (керамические) корпус с крышкой и размещенные в нем керамическое рабочее колесо со ступицей и направляющий аппарат.

Недостатком известной конструкции следует признать недостаточно высокий срок службы, обусловленный абразивным износом деталей, входящих в состав гидравлического тракта.

Известна конструкция погружного насоса (патент РФ 72228), детали которого производятся из износокоррозионно-стойкого чугуна литейным способом под давлением. Несмотря на достаточно серьезные преимущества перед аналогичными моделями рабочих ступеней погружных насосов, указанная модель тоже имеет целый ряд недостатков - это высокая масса и высокая шероховатость стенок проходных полостей рабочих органов.

Известен скважинный электроцентробежный насосный агрегат, описанный, в частности, в кн. УСТАНОВКИ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ, под ред. В.Ю.Алекперова, В.Я.Кершенбаума, 1999, М., Нефть и газ, стр.92, 294-296, 301-302, рабочие колеса и направляющие аппараты которого, а также шнек, рабочее колесо, направляющая решетка и сепарирующий орган газосепаратора выполнены из износокоррозионно-стойкого литейного аустенитного модифицированного чугуна 4Н16Д7ГШХ типа «Нирезист» (ТУ 26-06-1305-95). Чугун типа «нирезист» обладает требуемой коррозионной и износостойкостью, но детали, выполненные из этого материала, имеют высокую себестоимость в связи со значительным содержанием никеля в составе чугуна.

Известен способ изготовления рабочих органов ступени погружного насоса по патенту РФ №2370339 с помощью литья под давлением, с использованием литейной формы. Известны также методы литья по выплавляемым моделям (например, патент РФ №2231414).

Общими недостатками указанных технических решений является невозможность обеспечения в процессе изготовления дифференцированных механических и ресурсных свойств различных частей отливки в соответствии с их функциональным назначением. Кроме этого, не обеспечивается возможность замены деталей или их частей в случае износа.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является техническое решение, описанное в патенте РФ №2213886 «Деталь ступени погружного центробежного насоса и способ ее изготовления», дата приоритета 29.10.2001, опубликовано: 10.10.2003. Данное изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в насосах для добычи нефти и других агрессивных жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц. Деталь выполнена из литой чугунной заготовки. Материал заготовки содержит от 1,1 до 3,0% углерода и не менее 70% аустенита. По крайней мере, одна из поверхностей детали образована путем пластической деформации соответствующей поверхности заготовки ультразвуковым инструментом с обеспечением формирования на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает содержание карбидов в остальном объеме детали. Содержание карбидов в обогащенном карбидами слое находится в пределах от 3 до 20%. Поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем механической обработки поверхности заготовки, например, путем токарной или фрезерной обработки. Изобретение направлено на повышение коррозионной стойкости и износостойкости детали с одновременным уменьшением времени приработки трущихся поверхностей, снижение требований к материалу заготовки и качеству ее черновой обработки при сохранении высоких механических свойств чугуна по всему объему заготовки.

Недостатками прототипа являются:

- высокая стоимость изготовления изделия, поскольку в процессе производства появляются дополнительные дорогостоящие технологические операции;

- большой вес рабочих органов ступени, выполненных литейным способом, ограничивает нефтедобывающие компании в их применении;

- невозможность замены деталей или их частей в случае износа, существующие технологии ремонта таких изделий очень дорогостоящие и экономически невыгодны;

- низкая ресурсность в связи с высокой шероховатостью поверхностей проходных полостей и вследствие этого их быстрая закоксованность парафиносодержащими осадками пластовых жидкостей.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание такой ступени погружного насоса и способа ее изготовления, которые позволили бы с наименьшими экономическими затратами производить и эксплуатировать погружные центробежные насосы в условиях работы в скважинах с высоким содержанием минеральных солей, механических и абразивных примесей в пластовой жидкости, за счет изготовления рабочих органов ступени с пониженной массой и более высокой чистотой поверхностей проходных полостей, а также обеспечения возможности ремонта ступени.

Таким образом, техническим результатом изобретения является уменьшение массы изделия и повышение чистоты его рабочих поверхностей

Технический результат достигается за счет того, что ступень погружного насоса содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, при этом направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из деталей, изготовленных путем предварительной вырубки заготовок, отжига, вытяжки и формовки, последующей контактной сварки и обработки на токарном или фрезерном обрабатывающих центрах и собранных методом кассетной механизированной закладки в кондукторы, при этом для заготовок используется листовой прокат из нержавеющей стали.

Технический результат достигается также за счет того, что в способе изготовления ступени погружного насоса, содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, включающем изготовление деталей направляющего аппарата и рабочего колеса и последующую их сборку, детали направляющего аппарата и рабочего колеса изготавливают путем предварительной вырубки заготовок из листового проката из нержавеющей стали, отжига, вытяжки и формовки, последующей контактной сварки и обработки на токарном или фрезерном обрабатывающих центрах, причем сборку деталей осуществляют методом кассетной механизированной закладки в кондукторы.

Дополнительными отличиями предлагаемой ступени погружного насоса и способа ее изготовления является то, что толщина используемого листового проката из нержавеющей стали должна быть не менее 2 мм.

При использовании предлагаемого технического решения возможно изготовление ступеней погружного насоса со сниженной массой и более высоким классом чистоты рабочих поверхностей проходных полостей, следовательно, повышенной ресурсностью штампосварных ступеней по сравнению с литыми. Кроме того, появляется возможность производить недорогостоящий ремонт за счет полной замены отдельных деталей, ранее эксплуатирующихся ступеней, что значительно снижает расходы при эксплуатации оборудования.

Все упомянутые детали и сборочные единицы в целом представлены на чертежах.

Фиг.1 - аппарат направляющий, где

1 - корпус, 2 - кольцо первое, 3 - лопасть, 4 - кольцо второе, 5 - втулка.

Фиг.2 - колесо рабочее, где

6 - втулка осевая, 7 - диск, 8 - лопасть, 9 - кольцо.

При изготовлении рабочих органов ступеней используют прокат нержавеющих сталей, соответствующих ГОСТ 5632-72. Листы проходят раскрой и рубку на полосы. Из полосы на прессовом оборудовании вырубаются заготовки разных размеров для деталей. Заготовки, проходящие операцию формовки или глубокой вытяжки, проходят термообработку для снижения упругости.

После операций формовки и вытяжки полуфабрикаты деталей поступают на черновую мехобработку, далее на сборку и сварку. После узловой сборки и сварки обе сборочные единицы (аппарат направляющий и рабочее колесо) проходят финишную механическую обработку на современном металлобрабатывающем оборудовании, обеспечивающем высокую точность обработки деталей.

На этапе сборки используется метод кассетной механизированной закладки элементов в кондукторы.

На этапе термообработки используется метод механической подачи деталей в индукционную печь типа УИН 100/2,4.

Предлагаемая ступень погружного насоса ремонтопригодна за счет сборной конструкции элементов. Это позволяет производить полную замену отдельных истирающихся в процессе эксплуатации элементов. При этом значительно снижаются затраты на переоснащение эксплуатируемого парка рабочих ступеней погружных насосов, примерно на 40%.

Литые прототипы после первого периода промысловой эксплуатации промываются и в основной массе выбраковываются в связи с невозможностью восстановления утраченной геометрии трущихся деталей.

Предлагаемая штампосварная конструкция после периода эксплуатации промывается и практически в объеме более 90% не выбраковывается с последующей утилизацией, а идет на ремонт.

На токарном или фрезерном обрабатывающих центрах вырезаются изношенные детали. Следующая операция: посредством контактной сварки на сварочной машине TECNA 8204 (Италия) ввариваются новые детали.

После сварки вваренные детали проходят финишную мехобработку на высокоточном специализированном оборудовании и после практически 100% испытания на стенде поступают в нефтедобывающие компании на повторный период эксплуатации. Причем восстановленные детали по ресурсности не уступают новым.

Сравнительные характеристики шероховатости поверхностей рабочих органов ступеней таковы:

класс чистоты поверхности штампосварной ступени - 7-й;

класс чистоты поверхности литой ступени - 3-й.

Высота неровностей соответственно Rz=6,3 мкм и 80 мкм у литой ступени, т.е. шероховатость поверхностей проходных полостей литых ступеней более чем в 12 раз выше шероховатости поверхностей штампосварных ступеней.

Таким образом, закоксованность твердыми отложениями, содержащимися в пластовых жидкостях штампосварных ступеней, в несколько раз ниже литых прототипов, что подтверждается промысловыми испытаниями.

Вес ступени базовой модели ЭЦН-50 штампосварного типа составляет 334 г, а литых аналогов от 495 до 537 г, что позволяет при идентичных параметрах производительности в значительной степени уменьшить физические размеры самой ступени.

Высокая коррозионная стойкость элементов штампосварной ступени более чем на 30% повышает сроки ее эксплуатации, а ресурсность значительно выше за счет высокой чистоты поверхностей проходных полостей. Учитывая упомянутые превосходящие характеристики штампосварных ступеней, появляется возможность использовать их на более низких горизонтах залегания пластовых жидкостей. При этом обеспечивается надежность и стабильность характеристик ЭЦН при работе в двух или трехфазных нефтеводогазовых средах.

1. Ступень погружного насоса, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, отличающаяся тем, что направляющий аппарат и рабочее колесо выполнены из деталей, изготовленных путем предварительной вырубки заготовок, отжига, вытяжки и формовки, последующей контактной сварки и обработки на токарном или фрезерном обрабатывающих центрах и собранных методом кассетной механизированной закладки в кондукторы, при этом для заготовок используется листовой прокат из нержавеющей стали.

2. Ступень погружного насоса по п.1, отличающаяся тем, что толщина используемого листового проката из нержавеющей стали не менее 2 мм.

3. Способ изготовления ступени погружного насоса, содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, включающий изготовление деталей направляющего аппарата и рабочего колеса и последующую их сборку, отличающийся тем, что детали направляющего аппарата и рабочего колеса изготавливают путем предварительной вырубки заготовок из листового проката из нержавеющей стали, отжига, вытяжки и формовки, последующей контактной сварки и обработки на токарном или фрезерном обрабатывающих центрах, причем сборку деталей осуществляют методом кассетной механизированной закладки в кондукторы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что толщина используемого листового проката из нержавеющей стали не менее 2 мм.