ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СКВАЖИННЫЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС Российский патент 2007 года по МПК F04D13/10 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности. В частности, к центробежным скважинным многоступенчатым насосам для добычи нефти из глубоких малодебитных скважин.

Известен центробежный скважинный многоступенчатый насос со ступенью (патент RU 2196253 С1, 20.01.2003, МПК 7 F 04 D 13/10, 1/06, 31/00), включающий направляющий аппарат, центробежное рабочее колесо, которое содержит ведущий диск с выполненными в нем отверстиями и размещенные на нижней поверхности ведущего диска лопатки, и антифрикционные шайбы, размещенные между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата. При этом центробежное рабочее колесо своей ступицей посажено на общий вал насоса. Кроме того, в верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса по его периферии выполнены радиально ориентированные углубления (импеллеры) для увеличения скорости циркуляции потока диспергируемой пластовой жидкости.

Недостатком данного технического решения является невозможность достижения высокого напора пластовой жидкости, подаваемой на следующую ступень насоса, обусловленную наличием в теле ступени ряда замкнутых полостей, по которым будет циркулировать пластовая жидкость, в частности, такие замкнутые полости будут образованы отверстиями, выполненными в ведущем диске центробежного рабочего колеса (ступень выполняет функцию диспергатора), и зазором между сопряженными поверхностями направляющего аппарата и центробежного рабочего колеса.

Наиболее близким к предложенному изобретению является техническое решение (патент RU 2213887 С1, 10.10.2003, МПК 7 F 04 D 13/10). В нем описан центробежный многоступенчый насос, содержащий ступень, включающую направляющий аппарат, торцевые упорные рабочие поверхности, выполненные на подвижных и неподвижных элементах ступени для их механического сопряжения, центробежное рабочее колесо, которое в свою очередь содержит скрепленные лопатками ведущий и ведомый диски. На наружной поверхности ведущего диска выполнена кольцевая проточка и расположенные по периферии диска радиально ориентированные небольшие углубления (импеллеры) для создания тороидального завихрения поднимаемой пластовой жидкости в целях увеличения скорости циркуляции потока поднимаемой пластовой жидкости. В состав рассматриваемой ступени также входят антифрикционные шайбы, размещенные между контактирующими горизонтальными поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата. Ступица центробежного рабочего колеса посредством шпонки закреплена на валу насоса с возможностью его осевого перемещения.

Однако в указанном техническом решении, так же как и в первом аналоге изобретения, не достигается высокий напор пластовой жидкости, передаваемой на следующую ступень насоса, поскольку подобное решение не позволяет реализовать беззазорное сопряжение между контактирующими горизонтальными поверхностями направляющего аппарата и рабочего колеса, что неминуемо приводит к образованию замкнутых полостей для циркуляции поднимаемой пластовой жидкости, снижающих ее напор. Кроме того, для таких колес для малых подач напорно-расходная характеристика неоптимальна.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшение напорно-расходной характеристики рабочего колеса при малых подачах, повышении напора пластовой жидкости, подаваемой с рассматриваемой на последующую ступень скважинного насоса, а именно в таком конструктивном исполнении ступени насоса, при котором в ее теле не будут образовываться замкнутые полости, по которым будет циркулировать поднимаемая пластовая жидкость (они существенно снижают напор пластовой жидкости, поднимаемой по ступени).

Фронтальная (вход колеса) и тыльная поверхности рабочего колеса определяются по отношению к направлению потока жидкости.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в центробежный скважинный многоступенчатый насос, содержащий ступень с направляющим аппаратом с лопатками, антифрикционные шайбы, центробежное рабочее колесо с лопатками, дополнительно введен, по меньшей мере, один шнековый блок, состоящий из упорной конуса-втулки и шнека, который располагается на валу между центробежными рабочими колесами соседних ступеней, причем шнековый блок может быть выполнен в виде единого неразъемного блока, шнековый блок может быть выполнен разъемным, состоящим из упорной конуса-втулки и шнека, причем упорная конус-втулка имеет две поверхности сопряжения, шнек также имеет две поверхности сопряжения, одна из которых механически сопряжена с частью поверхности на фронтальной стороне центробежного рабочего колеса следующей по ходу движения жидкости ступени, другая поверхность сопряжения шнека механически сопряжена с одной поверхностью сопряжения упорной конуса-втулки, а другая поверхность сопряжения упорной конуса-втулки механически сопряжена с частью поверхности направляющего аппарата другой ступени, шнековый узел может быть установлен с возможностью осевого перемещения относительно центробежного рабочего колеса, антифрикционные шайбы могут выполняться из твердого сплава и закрепляться в теле, по меньшей мере, двух элементов ступени, контактирующих между собой, шнек может быть однолопастным постоянного или переменного шага либо многолопастным шнеком постоянного или переменного шага, направляющий аппарат может быть выполнен из двух разъемных частей, на тыльной стороне центробежного рабочего колеса могут быть выполнены равноудаленные друг от друга в угловом направлении радиально ориентированные выступы, в шнековом блоке упорная конус-втулка и шнек могут быть установлены с возможностью осевого перемещения относительно друг друга.

На чертеже изображен разрез секции центробежного скважинного многоступенчатого насоса, состоящего из нескольких одинаковых ступеней.

Фронтальная поверхность (вход колеса) и тыльные поверхности рабочего колеса определяются по отношению к направлению потока жидкости (см. чертеж).

Предложенный центробежный скважинный многоступенчатый насос имеет следующую конструкцию.

Ступень 1 центробежного скважинного многоступенчатого насоса содержит центробежное рабочее колесо 2 с лопатками 3 и составной направляющий аппарат, состоящий из двух разъемных частей: 4 (с направляющими лопатками 6) и 5 (дистанционное кольцо). В состав ступени входят центробежное рабочее колесо 2 с лопатками 3, направляющий аппарат со спрямляющими лопатками 6 и упорная конусная втулка-шнек 7.

На торцевых поверхностях центробежного рабочего колеса, упорной конусной втулки-шнека и сопрягающегося с ними направляющего аппарата закреплены антифрикционные кольца, выполненные из твердого сплава. Шнековый блок может быть выполнен как в виде цельного шнекового узла, так и в разъемном варианте. В состав ступени также входят шнек 7, имеющий две рабочие поверхности, предназначенные для сопряжения соответственно с рабочим центробежным колесом и конусом-втулкой, упорная конус-втулка 8 (втулка-конус), а также такие элементы, обеспечивающие работоспособность ступени 1, как шпонка вала 9, центробежное рабочее колесо 2, шнек 7 и упорная конус-втулка 8 (втулка-конус) и выполненные из твердого сплава антифрикционные шайбы 10, которые размещены между контактирующими горизонтальными поверхностями направляющего аппарата (одной из его разъемных частей) 4 и подвижно сопряженными относительно него в угловом направлении элементами ступени (центробежного рабочего колеса 2 и упорной конуса-втулки 8) и служат для снижения трения между указанными элементами насоса. Для электроцентробежных насосов подобного класса трение между указанными элементами насоса достаточно высоко, и поэтому антифрикционные шайбы 10, как было указано выше, изготовляют из твердого сплава и закреплены в теле направляющего аппарата (одной из его разъемных частей) 4, центробежного рабочего колеса 2 и упорной конуса-втулки 8. На тыльной поверхности центробежного рабочего колеса 2 с целью уменьшения осевого усилия, создаваемого в трибосопряжении "центробежное рабочее колесо 2 - направляющий аппарат (его разъемная часть) 4", а также дополнительного создания локального торообразного завихрения для усиления напора пластовой жидкости могут быть выполнены равноудаленные друг от друга в угловом направлении, радиально ориентированные выступы (импеллеры) 11.

Геометрические размеры центробежного рабочего колеса 2, двух частей направляющего аппарата 4 и 5, шнека 7 и упорной конуса-втулки 8 определяют экспериментально для соответствующих условий эксплуатации, исходя из требуемого напора, габаритных размеров ступени, а также обеспечения условия снижения вероятности всплытия ступени в рабочей зоне.

Данное устройство работает следующим образом.

Кинетическая энергия пластовой жидкости (направление потока указано стрелкой), полученная с центробежного рабочего колеса 2 предыдущей ступени 1, преобразуется в давление, пластовая жидкость проходит через шнек 7 и каналы центробежного рабочего колеса 2, приводимого во вращение валом насоса, увеличивая свою кинетическую энергию по сравнению со своей кинетической энергией на предыдущей ступени. На выходе из лопаток 3 центробежного рабочего колеса 2 поднимаемая пластовая жидкость попадает в зону выступов 11, ориентированных по радиусу "выходной" торцевой поверхности центробежного рабочего колеса 2, где создается тороидальное завихрение потока пластовой жидкости по периферии центробежного рабочего колеса 2, благодаря которому происходит разгрузка центробежного рабочего колеса 2 от осевого усилия в направлении торцевой упорной поверхности направляющего аппарата (одной из его разъемных частей) 4, кроме того, повышается напор жидкости в ступени 1 и предотвращается возможность скопления крупных пузырьков газа в проходном сечении центробежного рабочего колеса 2. Таким образом, на выходе центробежного рабочего колеса 2 формируется поток, обеспечивающий требуемую величину напора, передаваемого на последующую ступень 1. После прохождения центробежного рабочего колеса 2 поток пластовой жидкости поступает на вход первой части направляющего аппарата следующей ступени. При этом ведомый диск рабочего колеса 2 плотно прижат к первой части направляющего аппарата 4 посредством закрепленных в их телах, выполненных из твердого сплава антифрикционных шайб 10.

В процессе подъема пластовой жидкости по ступени 1 на шнек 7 действует реактивная осевая сила, направленная в сторону, противоположную направлению потока жидкости. Поскольку шнек 7 и колесо установлены на валу с возможностью их взаимного перемещения в осевом направлении в пределах некоего заранее установленного технологического зазора, то он вместе с механически сопряженным с ним упорным конусом 8, который также имеет степень свободы в осевом направлении, будет перемещаться в сторону соответствующей упорной торцевой поверхности первой части направляющего аппарата 4. При этом происходит предотвращение перетока пластовой жидкости полости между первой частью направляющего аппарата 4 и центробежного рабочего колеса 2, поскольку антифрикционная шайба 10 из твердого сплава, закрепленная в теле упорной конуса-втулки 8, плотно прижата к аналогичной антифрикционной шайбе, закрепленной в теле первой разъемной части направляющего аппарата 4.

Наличие экспериментальных данных показывает существенное улучшение расходно-напорной характеристики колеса на малых подачах при использовании шнекового блока.

Таким образом, предложенное техническое решение решает одну из самых актуальных задач в нефтедобывающей промышленности - повышение напора поднимаемой пластовой жидкости при обеспечении заданного объема добычи пластовой жидкости. Кроме того, в предложенном техническом решении обеспечивается перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что существенно повышает стабильность работы насоса в многокомпонентных газожидкостных средах. Предложенная ступень может быть реализована на основе элементов, изготовленных в условиях серийного производства.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может использоваться в нефтедобывающей промышленности в глубоких малодебитных скважинах. Насос содержит ступень, включающую шнековый блок, расположенный между соседними центробежными колесами. Шнековый блок может быть разъемным и включать упорную конус-втулку, имеющую две поверхности сопряжения (ПС), шнек с двумя ПС, рабочее колесо. Одна из ПС механически сопряжена с частью ПС на фронтальной стороне центробежного рабочего колеса следующей по ходу движения жидкости ступени. Другая ПС шнека механически сопряжена с первой ПС упорной конуса-втулки. Противолежащая (вторая) ПС упорной конуса-втулки механически сопряжена с частью ПС тыльной стороны центробежного рабочего колеса. Изобретение направлено на повышение напора пластовой жидкости, подаваемой последовательно с одной ступени на последующую ступень скважинного насоса. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Центробежный скважинный многоступенчатый насос, содержащий ступень с направляющим аппаратом с лопатками, антифрикционные шайбы, центробежное рабочее колесо с лопатками, отличающийся тем, что в него дополнительно введен, по меньшей мере, один шнековый блок, состоящий из упорной конус-втулки и шнека, который располагается на валу между центробежными рабочими колесами соседних ступеней.2. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что шнековый блок выполнен в виде единого неразъемного блока.3. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что шнековый блок выполнен разъемным, состоящим из упорной конуса-втулки и шнека, причем упорная конус-втулка имеет две поверхности сопряжения, шнек также имеет две поверхности сопряжения, одна из которых механически сопряжена с частью поверхности на фронтальной стороне центробежного рабочего колеса, следующей по ходу движения жидкости ступени, другая поверхность сопряжения шнека механически сопряжена с одной поверхностью сопряжения упорной конуса-втулки, а другая поверхность сопряжения упорной конуса-втулки механически сопряжена с частью поверхности направляющего аппарата другой ступени.4. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что антифрикционные шайбы выполнены из твердого сплава и закрепляются в теле, по меньшей мере, двух элементов ступени, контактирующих между собой.5. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что шнек выполнен однолопастным постоянного или переменного шага, либо многолопастным шнеком постоянного или переменного шага.6. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что направляющий аппарат выполнен из двух разъемных частей.7. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что на тыльной стороне центробежного рабочего колеса выполнены равноудаленные друг от друга в угловом направлении, радиально ориентированные выступы.8. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что шнековый узел установлен с возможностью осевого перемещения относительно центробежного рабочего колеса.9. Центробежный скважинный многоступенчатый насос по п.1, отличающийся тем, что в шнековом блоке упорная конус-втулка и шнек установлены с возможностью осевого перемещения относительно друг друга.