ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F04C2/107 F04B47/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может использоваться, например, как в качестве водоподъемной установки, так и для подъема пластовых жидкостей при эксплуатации и освоении скважин.

Известна погружная насосная установка, содержащая колонну насосных труб, закрепленный в полости колонны винтовой насос, включающий винт и обойму, подключенный к двигателю через редуктор (RU №2059112 С1, 27.04.1996, F 04 B 47/02).

Недостатком данного изобретения является низкий КПД и недолговечность установки.

Известна погружная насосная установка, содержащая вращательную и лифтовую колонны и многозаходный винтовой насос, обойма которого закреплена на лифтовой колонне труб, а винт, проходящий внутри обоймы, закреплен на вращательной колонне труб, а винтовая поверхность многозаходного героторного механизма выполнена с отношением шага к среднему диаметру винтовой поверхности Т_шаг/Д_ср от 3,5 до 6, с кинематическим отношением i от до , при частоте вращения колонны не более 200 об/мин (RU 2170367 С1, 10.07.2001, F 04 B 47/00).

Недостатком данного изобретения, является недостаточно высокая долговечность и недостаточно высокий КПД.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение подачи установки без увеличения частоты вращения, повышение объемного КПД установки и повышение долговечности работы насоса.

Данная техническая задача решается за счет увеличения рабочего объема винтового насоса, без увеличения наружного диаметра, снижения контактного давления в паре винт-обойма, путем увеличения отношения шага к среднему диаметру винтовой поверхности.

Технический эффект заключается в увеличении подачи винтового насоса без увеличения его наружного диаметра, что в условиях скважин, имеющих малые диаметры, появляется возможность повысить отбор пластовой жидкости и, тем самым, увеличить эффективность эксплуатации месторождений, кроме того снижение контактного давления позволяет снизить износ рабочих органов и, тем самым, повысить долговечность работы насоса.

Достигается это тем, что в погружной насосной установке, содержащей вращательную и лифтовую колонны, многозаходный винтовой насос, обойма которого закреплена на лифтовой колонне, причем винтовая поверхность многозаходного героторного механизма винтового насоса выполнена с кинематическим отношением i от до , согласно изобретению, винтовая поверхность многозаходного героторного механизма винтового насоса выполнена с отношением шага к среднему диаметру винтовой поверхности в диапазоне от 6 до 12.

Выполнение винтовой поверхности многозаходного героторного механизма с отношением шага к среднему диаметру винтовой поверхности Т_шаг/Д_ср в диапазоне С_т=6-12 позволяет уменьшить износ рабочих органов, за счет снижения контактного давления в паре винт-обойма, кроме того позволяет увеличить рабочий объем насоса при постоянном наружном диаметре. В заявленном диапазоне С_т=6-12 при работе установки происходит снижение частоты вращения вращательной колонны, что определяет снижение потерь давления, развиваемого насосом, на трение жидкости в кольцевом пространстве, между лифтовой и вращательной колоннами, так как вследствие своей протяженности (до 2000 м) от приема насоса до выходной линии поверхностного оборудования установки, данные потери имеют значительную величину. Данное снижение потерь на трение приводит к уменьшению перепада давления в камерах насоса, уменьшению утечек в насосе и соответственно увеличению объемного КПД.

Наибольшая величина С_т=12 лимитируется длиной контактной линии, при дальнейшем увеличении которой не происходит значительного изменения контактного давления, причем при С_т более 12 значительно возрастают требования к точности изготовления рабочих органов и усложняется технологический процесс.

Диапазон С_т=6-12 соответствует углу подъема винтовой линии зуба винта по среднему диаметру β=28°-14°, причем β=аrctg(π/С_т), что подтверждается графиком, приведенным на фиг.2.

На фиг.1 представлена погружная насосная установка.

На фиг.2 показан график зависимости угла подъема винтовой линии по среднему диаметру зуба винта от параметра С_т - отношение шага к среднему диаметру винтовой поверхности.

На фиг.3 показан график зависимости V_0в/V₀ - отношение рабочих объемов насоса от параметра С_т - отношение шага к среднему диаметру винтовой поверхности.

На фиг.4 показан график зависимости относительного контактного давления в рабочих органах от параметра С_т - отношение шага к среднему диаметру винтовой поверхности.

На фиг.1 представлена погружная насосная установка, которая содержит: 1 - полированный шток; 2 - клиноременную передачу; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор; 5 - лифтовую колонну труб; 6 - вращательную колонну; 7 - винтовой насос; 8 - винт винтового насоса; 9 - обойму винтового насоса. Погружная насосная установка состоит из поверхностного оборудования, включающего электродвигатель 3, связанный через ременную передачу 2 с редуктором 4, с помощью которых осуществляется вращение винта винтового насоса.

Скважинное оборудование состоит из лифтовой колонны 5, к которой подвешивается обойма 9 винтового насоса, вращательной колонны 6, которая крепится верхним концом к полированному штоку 1, а на нижнем конце штока установлен винт 8 винтового насоса, колонна 6 предназначена для передачи вращения от поверхностного оборудования к винту насоса.

Винтовой насос 7 состоит из обоймы 9 и винта 8, винтовые поверхности которого выполнены в виде многозаходного героторного механизма с кинематическим отношением до , а отношение шага к среднему диаметру винтовой поверхности находится в пределах от 6 до 12, причем угол подъема винтовой линии зуба винта выполнен от 28° до 14°.

Установка работает следующим образом.

При включении электродвигателя 3 вращение передается через редуктор 4, вращательную колонну 6 к винту 8 погружного насоса 7.

При вращении винта 8 непрерывно открываются и закрываются полости, образованные винтом 8 и обоймой 9 винтового насоса. При этом сумма заполняемых жидкостью выходных площадей поперечного сечения винта остается постоянной и поток жидкости всегда непрерывен и пропорционален частоте вращения винта.

При неизменной частоте вращения, при выполнении условия отношение шага к среднему диаметру винтовой поверхности С_т=6-12, значительно увеличивается рабочий объем насоса, что проиллюстрировано рабочим графиком, приведенным на фиг.3.

Установление верхнего предела данного отношения лимитируется длиной контактной линии, при дальнейшем увеличении которой значительно возрастают требования к точности изготовления винтовых поверхностей рабочих органов насоса и становится технологически сложно выдержать геометрические параметры. На фиг.2 показана зависимость угла подъема винтовой линии зуба винта по среднему диаметру, причем диапазон С_т=6-12 и соответствует углу β от 28° до 14°, причем угол β=arctg(π/C_т).

Диапазон С_т=6-12 позволяет снизить контактное давление в рабочих органах, как показано на графике, приведенном на фиг.4, что приводит к уменьшению износа в паре винт-обойма и в конечном итоге повышает их долговечность, из графика видно, что дальнейшее увеличение С_т нецелесообразно, т.к. кривая выполаживается и изменения контактного давления становятся незначительны.

Предложенная погружная установка позволяет повысить рентабельность эксплуатации месторождений за счет увеличения отбора пластовой жидкости за счет увеличения подачи погружной насосной установки без увеличения наружного диаметра винтового насоса, что особенно важно в условиях скважин, имеющих малые диаметры.

Погружная насосная установка предназначена для использования в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована, например, как в качестве водоподъемной установки, так и для подъема пластовых жидкостей при эксплуатации и освоении скважин. Установка содержит вращательную и лифтовую колонны и многозаходный винтовой насос, обойма которого закреплена на лифтовой колонне. Винтовая поверхность многозаходного героторного механизма винтового насоса выполнена с кинематическим отношением i от ²/₃ до ¹¹/₁₂ и с отношением шага к среднему диаметру винтовой поверхности в диапазоне от 6 до 12. Повышается КПД и долговечность работы установки. 4 ил.

Погружная насосная установка, содержащая вращательную и лифтовую колонны и многозаходный винтовой насос, обойма которого закреплена на лифтовой колонне, причем винтовая поверхность многозаходного героторного механизма винтового насоса выполнена с кинематическим отношением i от ²/₃ до ¹¹/₁₂, отличающаяся тем, что винтовая поверхность многозаходного героторного механизма винтового насоса выполнена с отношением шага к среднему диаметру винтовой поверхности в диапазоне от 6 до 12.