УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ Российский патент 2003 года по МПК F04D13/10 F04D29/62 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано, в частности, в нефтедобывающей промышленности при создании установок погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти и откачки воды из скважин, имеющих искривленные участки или наклонный профиль.

Широко известны установки погружных центробежных насосов российского производства типа УЭЦНМ и УЭЦНМК (см. Международный транслятор установки погружных центробежных насосов для добычи нефти, "Нефть и газ", М., 1999, с. 15-21) и аналогичные им установки, выпускаемые иностранными фирмами REDA, Centrilift и др., которые содержат наземное оборудование, колонну насосно-компрессорных труб, кабельную линию и погружной центробежный насосный агрегат, состоящий из последовательно соединенных модульных секций.

Спускаемый в скважину погружной агрегат этих установок может иметь длину, превышающую 20 метров, при этом часто возникает необходимость проведения погружного агрегата через искривленные участки скважин с темпом набора кривизны больше 2^o на 10 м или через наклонно направленные скважины, которые используются, в частности, при добыче нефти кустовым способом. При спуске погружного агрегата в искривленные или наклонно направленные скважины может произойти заклинивание одной или нескольких модулей погружного агрегата в обсадной колонне, но, даже если этого не происходит, во фланцевых соединениях и корпусах модулей возникают значительные напряжения изгиба и растяжения, приводящие к повреждениям (деформациям) соединений модульных секций и, как следствие, к нарушению их герметичности, а также повышенной вибрации при работе погружного агрегата, усиливающейся за счет одностороннего радиального износа подшипников. Кроме того, возникающие напряжения приводят к преждевременному усталостному разрушению соединений в процессе работы и падению погружного агрегата на дно скважины.

Известна установка погружного центробежного насоса, описанная в патенте RU 2076952 С1, 10.04.1997, F 04 В 47/02, содержащая наземное оборудование, колонну насосно-компрессорных труб, кабельную линию и погружной центробежный насосный агрегат, состоящий из модульных секций, которые последовательно соединены между собой и с нижней трубой насосно-компрессорной колонны посредством герметичных шарнирных узлов.

Во время спускоподъемных операций шарнирное сочленение модульных секций позволяет проходить искривленные участки и наклонно направленные скважины без нарушений герметичности соединений или заклинивания модульных секций в обсадной колонне скважины, а также позволяет исключить значительные изгибающие нагрузки и деформацию соединений, что обеспечивает повышение надежности и долговечности погружного насосного агрегата.

Недостатками описанных шарнирных соединений являются большие габариты, приводящие к снижению внутреннего проходного сечения, что значительно увеличивает гидравлическое сопротивление, снижая тем самым полезный напор насосного агрегата и уменьшая его кпд, кроме того, большую сложность представляет создание надежного и эффективного уплотнения сопрягаемых сферических поверхностей шарнирных узлов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом) является погружной центробежный насосный агрегат, раскрытый в заявке RU 94025917 А1, 20.05.1996, F 04 D 13/10 и содержащий модульные секции, которые последовательно соединены между собой и с нижней трубой насосно-компрессорной колонны посредством гибких элементов, которые содержат по два сильфона, сформированных гофрированными участками стенок корпусов соединяемых модульных секций.

При проведении насосного агрегата через искривленный или наклонно направленный ствол скважины гибкие элементы обеспечивают возможность изгиба соединений в зоне сильфонов, при этом сохраняется прямолинейность корпусов модульных секций и предотвращается повреждение соединений, возникновение значительных напряжений в соединениях и односторонний износ подшипников. Кроме того, при эксплуатации насосного агрегата наличие гибких элементов снижает частоту собственных колебаний модульных секций, что дополнительно увеличивает срок наработки агрегата до усталостного разрушения соединений модульных секции.

Основными недостатками прототипа являются недостаточный угол изгиба соединения модульных секций и недостаточная стойкость гибких элементов к усталостному разрушению. Это обусловлено большой толщиной и соответственно большой жесткостью стенок сильфонов, которые используются для восприятия осевых нагрузок и должны выдерживать значительные напряжения сжатия-растяжения при проводке насосного агрегата через скважину. Кроме того, при работе насосного агрегата происходит засорение внешних складок сильфона твердыми включениями, содержащимися в пластовой жидкости, что приводит к уменьшению допустимого угла изгиба соединения и повреждению наружных поверхностей стенок гофр сильфона в зоне перегиба за счет относительных перемещений стенок гофр из-за разной частоты вибрации модульных секций, а повреждение стенок гофр снижает стойкость сильфона к усталостному разрушению за счет появления концентраторов напряжений.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании установки погружного модульного насоса, пригодной для добычи нефти и откачки воды из скважин с большим темпом набора кривизны.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении стойкости гибкого соединения модульных секций к усталостному разрушению при одновременном увеличении допустимого угла изгиба соединения.

Конструкция установки погружного модульного насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Установка погружного модульного насоса содержит секцию насосно-компрессорных труб, соединенную с погружным насосным агрегатом, выполненным в виде последовательно соединенных модульных секций. По крайней мере одно из соединений между секциями установки погружного модульного насоса выполнено в виде гибкого узла. При этом дополнительно гибкий узел содержит разгружающий элемент и сильфонный элемент, выполненный в виде трубы, на части длины которой выполнены гофры, образующие сильфон. Первый конец сильфонного элемента закреплен в корпусе первой секции установки погружного модульного насоса с возможностью осевого перемещения, при этом на втором конце сильфонного элемента закреплен концевой элемент, состоящий из упорной и присоединительной секций. Присоединительная секция закреплена на втором конце сильфонного элемента с возможностью поворота и жестко соединена со второй секцией установки погружного модульного насоса. Часть наружной поверхности трубы сильфонного элемента и по меньшей мере часть торцевой поверхности присоединительной секций выполнены в виде сферических опорных поверхностей. Центры сфер, на которых расположены сферические поверхности, расположены на продольной оси гибкого узла вблизи середины сильфона.

При этом разгружающий элемент выполнен в виде трубы, жестко соединенной с корпусом первой секции установки погружного модульного насоса. Концевая часть разгружающего элемента, расположенная между опорными поверхностями сильфонного и концевого элементов, выполнена со сферическими опорными поверхностями, соответствующими опорным поверхностям сильфонного и концевого элементов, таким образом, что обеспечена возможность передачи осевых усилий от опорных поверхностей сильфонного и концевого элементов на корпус первой секции установки погружного модульного насоса при угловом смещении второго конца сильфонного элемента. Часть трубы сильфонного элемента, на которой выполнены гофры, расположена внутри разгружающего элемента.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, нижние, по отношению к устью скважины, изгибы гофр сильфона могут быть выполнены скругленными, а верхние изгибы представлять собой пересечение плоскости и цилиндра.

На фиг. 1 изображена установка погружного центробежного насоса в модульном исполнении.

На фиг.2 изображен погружной насосный агрегат.

На фиг.3 изображен гибкий узел, установленный на насосной модуль-секции.

Установка 1 погружного центробежного насоса состоит из погружного насосного агрегата 2, кабельной линии 3 с муфтой кабельного ввода, насосно-компрессорной колонны 4, оборудования устья скважины 5 и комплектной трансформаторной подстанции 6.

Погружной насосный агрегат 2 состоит из модульной секции электродвигателя 7, газосепаратора 8 и модульных секций, образующих центробежный насос и гидрозащиту. Гидрозащита состоит из модульных секций протектора 9 и компенсатора 10. Центробежный насос состоит из входного модуля 11, насосных модуль-секций 12, число которых зависит от требуемого напора, но не превышает четырех, модуль-головки 13, обратного 14 и спускного 15 клапанов.

Первая насосная модуль-секция 12 и входной модуль 11 насоса герметично соединены между собой с помощью гибкого узла 16. Однако один или несколько гибких узлов могут быть установлены практически между любыми модульными секциями, в частности, с помощью гибкого узла могут быть соединены две насосные модуль-секции 12, модуль-головка 13 с нижней трубой насосно-компрессорной колонны 4, электродвигатель 7 с протектором 9, протектор с газосепаратором 8.

Гибкий узел 16 состоит из сильфонного 17, разгружающего 18 и концевого 19 элементов.

Сильфонный элемент 17 выполнен в виде трубы, в центральной части которой выполнены гофры, образующие сильфон 20. Первый конец сильфонного элемента 17 закреплен в корпусе насосной модуль-секции 12 с возможностью осевого перемещения, а между ними размещено уплотнительное кольцо 23. На втором конце сильфонного элемента 17 закреплен концевой элемент 19. Концевой элемент состоит из упорной 21 и присоединительной 22 секций. Присоединительная секция 22 выполнена с фланцем для присоединения входного модуля 11 насоса и закреплена на втором конце сильфонного элемента 17 с возможностью поворота, что позволяет исключить передачу крутящих моментов, возникающих при взаимодействии модульных секций насосного агрегата, и уменьшить внутренние напряжения в сильфоне 20.

Концевой элемент 19 закреплен с помощью четырех сухарей 24, размещенных в кольцевом канале, образованном кольцевыми проточками на наружной поверхности второго конца сильфонного элемента 17 и внутренней поверхности концевого элемента 19. Сухари 24 размещают в кольцевом канале через загрузочное отверстие, закрываемое пробкой 25. Между кольцевым элементом 19 и вторым концом сильфонного элемента 17 установлено уплотнительное кольцо 26.

Часть наружной поверхности трубы сильфонного элемента между сильфоном 20 и входного модуля 11 насоса и часть торцевой поверхности присоединительной секций 22 концевого элемента 19 выполнены в виде сферических опорных поверхностей 27 и 28 соответственно. Центры сфер, на которых расположены сферические поверхности, расположены на продольной оси O-₁O₂ гибкого узла вблизи середины сильфона 20, что позволяет уменьшить внутренние напряжения, возникающие в сильфоне при прохождении искривленных участков скважины.

Нижние, по отношению к устью скважины, изгибы А гофр сильфона 20 выполнены скругленными, а верхние изгибы В представляют собой пересечение плоскости и цилиндра. Экспериментально установлено, что описанная форма гофр сильфона 20 позволяет уменьшить внутренние напряжения, возникающие в сильфоне, и таким образом дополнительно увеличить допустимый угол изгиба и стойкость гибкого узла к усталостному разрушению.

Разгружающий элемент 18 выполнен в виде трубы, первый конец которой закреплен посредством резьбового соединения на корпусе насосной модуль-секции 12. Второй конец (концевая часть) разгружающего элемента 18 с заданными зазорами расположена между опорными поверхностями 27 и 28 и выполнена со сферическими опорными поверхностями 29 и 30, соответствующими опорным поверхностям 27 и 28.

Наличие разгружающего элемента 18 позволяет уменьшить толщину стенок и ширину гофр сильфона 20, увеличив тем самым допустимый угол изгиба соединения и уменьшив внутренние напряжения в сильфоне.

Сильфон 20 расположен внутри трубы разгружающего элемента 18 между уплотнениями 23 и 26, что позволяет защитить наружные складки гофр сильфона 20 от загрязнения посторонними включениями, содержащимися в пластовой жидкости, что особенно важно при малой ширине гофр и соответственно малой ширине складок сильфона.

Внутри вала сильфонного элемента 17 размещен присоединительный вал 31, связанный с валом 32 насосной модуль-секции 12 шлицевой муфтой 33 с возможностью углового смещения.

При транспортировке насосной модуль-секции с установленным гибким узлом 16 на фланце насадки устанавливается защитная крышка 34.

Устройство работает следующим образом.

При проводке погружного насосного агрегата 2 через скважину сильфон 20 сжимается или растягивается под действием осевых нагрузок, при этом первый конец сильфонного элемента 17 перемещается по установочной поверхности корпуса модульной секции 12 на величину, равную зазору между опорными поверхностями. При растяжении сильфона опорная поверхность 27 сильфонного элемента 17 упирается в соответствующую опорную поверхность 29 разгружающего элемента 18, а при сжатии сильфона в другую опорную поверхность 30 разгружающего элемента упирается опорная поверхность 28 концевого элемента 19. Таким образом, осевые усилия любых направлений передаются на корпус насосной модуль-секции 12 без участия сильфона 20. При прохождении погружным насосным агрегатом 2 искривленных участков и наклонно направленных скважин сильфонный элемент 17 изгибается в зоне сильфона, при этом второй конец сильфонного элемента 17 с концевым элементом 19 поворачивается на соответствующий угол α относительно продольной оси насосной модуль-секции 12, а опорные поверхности проскальзывают относительно друг друга без нарушения контакта.

Таким образом, герметичность соединения не нарушается и не возникает значительных изгибающих и растягивающих усилий, а осевое усилие передается на корпус насосной модуль-секции при любом угле изгиба сильфонного элемента.

Изобретение может быть использовано при создании установок для добычи нефти и воды из скважин, имеющих искривленные участки или наклонный профиль. Установка содержит последовательно соединенные модульные секции. По крайней мере одно из соединений между секциями выполнено в виде гибкого узла, содержащего разгружающий и сильфонный элементы. Сильфонный элемент выполнен в виде трубы, на части длины которой выполнены гофры. Первый конец сильфонного элемента закреплен в корпусе первой секции установки с возможностью осевого перемещения. На втором его конце закреплен концевой элемент, состоящий из упорной и присоединительной секций. Присоединительная секция закреплена на втором конце сильфонного элемента с возможностью поворота и жестко соединена со второй секцией. Часть поверхности трубы сильфонного элемента и по меньшей мере часть торцевой поверхности присоединительной секции выполнены в виде сферических опорных поверхностей. Центры сфер расположены на продольной оси гибкого узла вблизи середины сильфона. Разгружающий элемент выполнен в виде трубы, жестко соединенной с корпусом первой секции. Концевая часть разгружающего элемента выполнена со сферическими опорными поверхностями для передачи осевых усилий от сильфонного и концевого элементов на корпус первой секции при угловом смещении второго конца сильфонного элемента. Изобретение направлено на создание установки, пригодной для добычи сред из скважин с большим темпом набора кривизны. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка погружного модульного насоса, содержащая секцию насосно-компрессорных труб, соединенную с погружным насосным агрегатом, выполненным в виде последовательно соединенных модульных секций, при этом, по крайней мере, одно из соединений между секциями установки погружного модульного насоса выполнено в виде гибкого узла, отличающаяся тем, что гибкий узел содержит разгружающий элемент и сильфонный элемент, выполненный в виде трубы, на части длины которой выполнены гофры, образующие сильфон, первый конец сильфонного элемента закреплен в корпусе первой секции установки погружного модульного насоса с возможностью осевого перемещения, при этом на втором конце сильфонного элемента закреплен концевой элемент, состоящий из упорной и присоединительной секций, присоединительная секция закреплена на втором конце сильфонного элемента с возможностью поворота и жестко соединена со второй секцией установки погружного модульного насоса, часть наружной поверхности трубы сильфонного элемента и, по меньшей мере, часть торцевой поверхности присоединительной секции выполнены в виде сферических опорных поверхностей, центры сфер, на которых расположены сферические поверхности, расположены на продольной оси гибкого узла вблизи середины сильфона, при этом разгружающий элемент выполнен в виде трубы, жестко соединенной с корпусом первой секции установки погружного модульного насоса, концевая часть разгружающего элемента, расположенная между опорными поверхностями сильфонного и концевого элементов, выполнена со сферическими опорными поверхностями, соответствующими опорным поверхностям сильфонного и концевого элементов, таким образом, что обеспечена возможность передачи осевых усилий от опорных поверхностей сильфонного и концевого элементов на корпус первой секции установки погружного модульного насоса при угловом смещении второго конца сильфонного элемента, а часть трубы сильфонного элемента, на которой выполнены гофры, расположена внутри разгружающего элемента. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что нижние, по отношению к устью скважины, изгибы гофр сильфона выполнены скругленными, а верхние изгибы представляют собой пересечение плоскости и цилиндра.