ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F04D13/10 F04D13/12 

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано для добычи из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц.

Известна погружная насосная установка, содержащая одновинтовые насосы, подключенные кинематически последовательно к электродвигателю и образующие последовательную гидравлическую систему [1].

Для данной насосной установки характерны низкая долговечность и нестабильность подачи при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости, содержащей абразивные частицы.

Наиболее близким техническим решением является погружная насосная установка, содержащая два одновинтовых насоса, подключенных последовательно через редуктор к электродвигателю и образующих параллельную гидравлическую систему [2] . Повышение надежности достигается за счет значительного уменьшения частоты вращения ротора с помощью редуктора, а компенсация уменьшения подачи при этом достигается за счет использования параллельного включения двух одновинтовых насосов, что позволяет использовать ее только на низкодебитных скважинах. Недостатком указанной насосной установки является низкая долговечность и нестабильность подачи при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц.

Технической задачей изобретения является повышение долговечности, расширение диапазона регулирования подачи, стабильности подачи погружной насосной установки при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц.

Технический результат в первом варианте достигается тем, что в погружной насосной установке, содержащей кинематически связанные между собой насосы, первый из которых кинематически связан с валом общего приводного двигателя и соединен всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй выполнен в виде одновинтового насоса, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос выполнен в виде центробежного насоса и соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком одновинтового насоса, а номинальная подача центробежного насоса превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем.

Во втором варианте погружной насосной установки, содержащей кинематически связанные между собой насосы, первый из которых выполнен в виде одновинтового насоса, кинематически связанного с валом общего приводного двигателя и соединенного всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй соединен нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком второго насоса, а второй насос выполнен в виде центробежного насоса, номинальная подача которого превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем.

В обоих вариантах исполнения насосы могут быть кинематически связаны между собой с помощью дополнительно установленного редуктора.

Насосы одновинтовые содержат роторную систему, создающую при вращении и взаимодействии со статорной системой за счет вытеснения прокачиваемой жидкости рабочими органами соответствующие давление и подачу насоса. Одновинтовые насосы имеют "жесткую" характеристику Q_но - Р (см. фиг.3, кривая 1), то есть подача данных насосов Q_но, при прочих равных условиях, пропорциональна частоте вращения приводного двигателя. Коэффициент полезного действия одновинтовых насосов достигает 70-80%.

Для создания больших давлений на выходе одновинтового насоса и обеспечения "жесткой" характеристики Q_но - Р, в паре ротор-статор данного насоса требуется обеспечить определенный натяг, что при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные частицы, приводит к интенсивному износу в месте контакта пары "ротор-статор", и за счет возникновения протечек насосная установка в относительно короткий срок эксплуатации теряет свои первоначальные рабочие характеристики, т. е. падают коэффициент полезного действия и создаваемое насосом давление.

Насос центробежный имеет "мягкую" характеристику Q_нц - Р (см. фиг.3, кривая 2), где Q_нц - подача, а Р - давление, развиваемое данным насосом, поэтому для создания высокого давления насос должен иметь большое количество рабочих колес и направляющих аппаратов.

Давление, развиваемое центробежным насосом, создается путем превращения кинетической энергии потока жидкости в потенциальную в направляющих аппаратах и зависит от конструктивных особенностей рабочих колес, их количества, мощности приводного двигателя и, при прочих равных условиях, в кубической степени зависит от частоты вращения рабочего колеса.

Подача Q_нц центробежных насосов зависит от конструктивных особенностей рабочих колес и, при прочих равных условиях, в квадратной степени зависит от частоты вращения приводного двигателя.

При увеличении давления нагнетания критическое давление Р_кр.но, при котором одновинтовой насос еще работает эффективно, увеличивается в насосной установке на величину Р_изб., так как насосы гидравлически последовательно связаны между собой, (см. фиг.3, кривые 2 и 3, соответственно) и принимает значение Р_кр.ну..

Комбинация двух насосов, образующих последовательную гидравлическую систему, состоящую из насоса одновинтового и насоса центробежного, имеющего номинальную подачу, превышающую номинальную подачу одновинтового насоса, позволяет получить в обоих вариантах исполнения насосную установку, обладающую рядом дополнительных свойств: более широким диапазоном регулирования подачи, повышенной долговечностью и стабильностью подачи при добыче из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц.

Расширение диапазона регулирования подачи насосной установки в обоих вариантах исполнения достигается за счет обеспечения возможности увеличения частоты вращения приводного двигателя относительно номинальной, так как центробежный насос создает на входе (или на выходе) одновинтового насоса подпор (или разряжение), который позволяет допускать увеличенный зазор в паре ротор-статор одновинтового насоса без уменьшения подачи и тем самым позволяет увеличить долговечность одновинтового насоса и стабильность подачи насосной установки в целом.

Центробежный насос в составе насосной установки позволяет увеличить долговечность одновинтового насоса в несколько раз. При этом сохраняется стабильность подачи в течение более длительного времени. Замена деталей одновинтового насоса, вышедших из строя в процессе эксплуатации, весьма дорогостоящая операция (за счет необходимости подъема погружного насоса из скважины), поэтому увеличение долговечности насосной установки в несколько раз существенно повышает экономическую эффективность эксплуатации скважины, что особенно актуально при добыче пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц.

На фиг. 1 приведена структурная схема первого варианта исполнения погружной насосной установки.

На фиг. 2 приведена структурная схема второго варианта исполнения погружной насосной установки.

На фиг. 3 приведены напорные характеристики центробежного насоса, одновинтового насоса и насосной установки.

Заявляемая погружная насосная установка в первом варианте исполнения конструктивно состоит из следующих основных узлов (см. фиг.1): приводного электродвигателя 1, на валу которого жестко закреплен центробежный насос 2, соединенный всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины; одновинтового насоса 3, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом и жестко присоединенного к валу центробежного насоса 2 через редуктор 4; при этом одновинтовой насос 3 образует с центробежным насосом 2 последовательную гидравлическую систему, т.е. центробежный насос 2 соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком одновинтового насоса 3.

Насосная установка работает следующим образом.

Оба насоса: центробежный насос 2 и одновинтовой насос 3 последовательно нагнетают в напорный трубопровод прокачиваемую жидкость. При этом подача центробежного насоса 2 больше подачи одновинтового насоса 3, а суммарная подача насосной установки будет определяться подачей одновинтового насоса 3. В гидравлическом тракте между центробежным насосом 2 и одновинтовым насосом 3 создается избыточное давление, которое компенсирует протечки одновинтового насоса 3, повышает его коэффициент полезного действия и позволяет уменьшить величину натяга и увеличить допустимый зазор в паре "ротор-статор". При этом диапазон регулирования подачи насосной установки при увеличении или уменьшении частоты вращения приводного двигателя увеличивается по сравнению с диапазоном регулирования подачи как одновинтового насоса (прототипа), так и насоса центробежного.

Во втором варианте исполнения заявляемая погружная насосная установка конструктивно состоит из следующих основных узлов (см. фиг.2):
приводного электродвигателя 1, на валу которого жестко закреплен одновинтовой насос 3, соединенный всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины; центробежного насоса 2, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом и жестко присоединенного к валу одновинтового насоса 3 через редуктор 4. Одновинтовой насос 3 образует с центробежным насосом 2 последовательную гидравлическую систему, то есть одновинтовой насос 3 соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком центробежного насоса 2.

Насосная установка работает следующим образом.

Оба насоса: одновинтовой насос 3 и центробежный насос 2 последовательно нагнетают в напорный трубопровод прокачиваемую жидкость. При этом подача центробежного насоса 2 больше подачи одновинтового насоса 3, а суммарная подача насосной установки будет определяться подачей одновинтового насоса 3. В гидравлическом тракте между одновинтовым насосом 3 и центробежным насосом 2 создается разряжение, которое компенсирует протечки одновинтового насоса 3, повышает его коэффициент полезного действия и обеспечивает возможность уменьшения величины натяга и увеличения допустимого зазора в паре "ротор-статор". При этом диапазон регулирования подачи насосной установки при увеличении или уменьшении частоты вращения приводного двигателя увеличивается по сравнению с диапазоном регулирования подачи как одновинтового насоса (прототипа), так и насоса центробежного.

Частота вращения приводного двигателя в обоих вариантах исполнения насосной установки может регулироваться с помощью станции управления с частотным регулированием (см., например, Свидетельство на полезную модель 22843).

Повышенная долговечность и стабильность подачи погружной насосной установки при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц в обоих вариантах исполнения по сравнению с одновинтовыми насосами обеспечивается снижением давления, развиваемого одновинтовым насосом, и, следовательно, допускаемой величины натяга в паре "ротор-статор" за счет давления, развиваемого центробежным насосом. Для этого подача центробежного насоса при номинальной частоте вращения приводного двигателя должна превышать подачу насоса одновинтового при заданной частоте вращения.

Таким образом, предлагаемая насосная установка обладает повышенной долговечностью и стабильной подачей при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц в течение длительного периода эксплуатации при обеспечении возможности регулирования подачи по сравнению с прототипом в более широком диапазоне.

Источники информации
1. Патент US 4580955, 1986.

2. Патент US 3802803, 1974 (прототип).

Изобретения могут быть использованы в насосных установках для добычи из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. Установка содержит кинематически связанные между собой насосы. Первый из насосов выполнен в виде центробежного насоса, кинематически связан с валом общего приводного двигателя и соединен всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а нагнетательным - с всасывающим патрубком второго одновинтового насоса. Одновинтовой насос соединен нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом. Насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно. Номинальная подача центробежного насоса превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем. Во втором варианте исполнения первым в насосной установке установлен одновинтовой насос, а вторым - центробежный. Насосы могут быть кинематически связаны между собой с помощью редуктора. Изобретение направлено на повышение долговечности, расширение диапазона регулирования и стабильности подачи установки. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Погружная насосная установка, содержащая кинематически связанные между собой насосы, первый из которых кинематически связан с валом общего приводного двигателя и соединен всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй выполнен в виде одновинтового насоса, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, отличающаяся тем, что насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос выполнен в виде центробежного насоса и соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком одновинтового насоса, а номинальная подача центробежного насоса превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем. 2. Погружная насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что насосы кинематически связаны между собой с помощью дополнительно установленного редуктора. 3. Погружная насосная установка, содержащая кинематически связанные между собой насосы, первый из которых выполнен в виде одновинтового насоса, кинематически связанного с валом общего приводного двигателя и соединенного всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй соединен нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, отличающаяся тем, что насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком второго насоса, а второй насос выполнен в виде центробежного насоса, номинальная подача которого превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем. 4. Погружная насосная установка по п. 3, отличающаяся тем, что насосы кинематически связаны между собой с помощью дополнительно установленного редуктора.