RU37159U1 - Погружной одновинтовой насос для добычи нефти - Google Patents

Abstract

1. Насос погружной одновинтовой, содержащий предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения напорной камеры насоса с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве, при этом затвор предохранительного клапана выполнен с возможностью линейного перемещения относительно седла клапана под действием давления в напорной камере и затрубном пространстве, отличающийся тем, что затвор по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, предохранительный клапан содержит средства для прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием, включающие в себя, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что насос содержит полую цилиндрическую головку, выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб, при этом головка соединена с обоймой насоса и образует напорную камеру насоса.3. Насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что тарельчатые пружины средства для прижатия затвора к седлу клапана размещены в полости упругого водогазонепроницаемого кожуха таким образом, что исключен доступ перекачиваемой среды к поверхности тарельчатых пружин.4. Насос по п.3, отличающийся тем, что предохранительный клапан содержит полый цилиндрический корпус, закрепленный в соответствующем отверстии боковой стенки головки насоса, внутри корпуса клапана установлен затвор, при этом во внутреннем по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана образовано седло клапана, а в наружном по

Description

Погружной одновинтовой насос для добычи нефтн

Техническое решение относится к гидромашиностроению, в частности к конструкциям погружных одновинтовых насосов, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при добыче высоковязкой нефти, а также

нефти с высоким содержанием газа и механических примесей, в том числе из

малодебитных скважин.

Известен погружной одновинтовой насос, описанный в авторской свидетельстве SU 344164 А, 21,07.1972, содержаш;ий полую цилиндрическую головку, выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Головка механически соединена с корпусом насоса, в котором размеш;ена первая обойма, при этом корпус насоса с противоположного от головки конца соединен со второй обоймой. В нижне- части корпуса образована напорная камера насоса, которая связана с полостью головки посредством канала в корпусе насоса.. В полости головки размещен предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения напорной камеры с затрубным пространством при превышении давления в нижней трубе колонны НКТ над давлением в напорной камере насоса. Предохранительный клапан содержит плунжерный затвор, выполненный с возможностью перекрытия отверстия перепускного канала, предназначенного для соединения напорной камеры с затрубным пространством. Шток плунжерного запорного органа контактирует

МПК F 04 в 47/00, F 04 D 3/02 F 01 С 5/04, F 01 С 1/107, F 04 С 5/00, F 04 С 2/107

Д р С ь U , С затвором предохранительного клапана, установленного в канале, соединяющем напорную камеру с полостью головки. Затвор по форме представляет собой шар и выполнен с возможностью линейного перемещения внутри канала под действием давления в напорной камере и колонне НКТ. Предохранительный клапан предназначен для защиты от разрушения гумированной поверхности обоймы при увеличении давления в нижней трубе колонны НКТ выще максимального давления создаваемого насосным агрегатом, что может произойти, например, вследствие образования в НКТ значительного количества парафинсодержащих отложений или повыщении вязкости перекачиваемой жидкости из-за падения температуры на поверхности. Однако, описанная выше конструкция предохранительного клапана обладает рядом недостатков. Во-первых, наличие плунжерного запорного органа в предохранительном клапане насоса приводит к быстрому выходу клапана из строя под действием механических частиц, находящихся в перекачиваемой жидкости, при этом происходит заклинивание запорного органа в одном из положений и/или разрушение рабочих поверхностей плунжерной пары. Вовторых, положение запорного органа в рассматриваемом клапане определяется только разностью давления в нижней трубе НКТ и напорной камере насоса, без учета давления в затрубном пространстве (фактически - на входах насоса), что не позволяет обеспечить защиту насосных пар от резкого уменьшения поступления перекачиваемой среды на входы насоса (например, при падении дебита скважины), до того, как произойдет снижение давления в напорной камере, то есть обоймы начнут работать в неблагоприятных для себя условиях сухого тре v Наиболее близким аналогом (прототипом) является насос погружной одновинтовой (см. авторское свидетельство SU 186287 А, 15.10.1966, F 04 В 47/00), содержащий полую цилиндрическую головку, образующую напорную камеру насоса и вьшолненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб. Головка соединена с обоймой, внутри которой размещен рабочий винт насоса. В полости головки установлен предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения напорной камеры с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве. Предохранительный клапан содержит тарельчатый затвор, выполненный с возможностью линейного перемещения относительно седла клапана под действием давления в напорной камере и затрубном пространстве. Предохранительный клапан содержит упругий элемент в виде витой пружины, предназначенный для обеспечения прижатия затвора к седлу клапана. Основным недостатком прототипа является выполнение предохранительного клапана с тарельчатым запорным органом и упругим элементом в виде витой пружины, так как при эксплуатации насоса в условиях высокого содержания механических примесей в перекачиваемой среде это приведет к нарушению работы клапана за счет застревания частиц механических примесей между запорным органом и седлом клапана. Кроме того, при использовании в качестве упругого элемента витой пружины сложно создать высокое усилие прижатия затвора при его малом ходе, что ограничивает максимальную допустимую вели чину давления в напорной камере и, соответственно, глубину погружения насоса. Предохранительный клапан в прототипе обеспечивает защиту обоймы при обратном вращении рабочего винта, связанном с неправильной фазировкой приводного электродвигателя, что дополнительно усложняет конструкцию клапана и снижает его надежность, при этом эффективная защита от обратного вращения может быть реализована средствами станции управления электродвигателем без усложнения конструкции предохранительного клапана. Таким образом, задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании погружного одновинтового насоса, обладающего повышенной надежностью при работе в условиях высокого содержания газа и механических примесей в перекачиваемой жидкости, а также обеспечивающего возможность эксплуатации малодебитных скважин и возможность авторегулирования подачи в соответствии с изменением дебита скважины. Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности и долговечности погружного одновинтового насоса для добычи нефти за счет повышения эффективности защиты обоймы винтового насоса от работы в нештатных режимах и снижения влияния механических примесей, содержащихся в пластовой жидкости, на работоспособность средств защиты обоймы с одновременным обеспечением возможности изменения параметров соотношения насос - скважина без подъема установки за счет авторегулирования производительности насоса. Насос погружной одновинтовой в соответствии с заявленной полезной моделью, содержит предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения нанорной камеры насоса с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве. Затвор предохранительного клапана выполнен с возможностью линейного перемещения относительно седла клапана под действием давления в напорной камере и затрубном пространстве. При этом в отличии от прототипа затвор по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, предохранительный клапан содержит средства для прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием, включающие в себя, по крайней мере, две последовательно

установленные тарельчатые пружины.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, насос может содержать полую цилиндрическую головку, выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб, при этом головка может быть соединена с обоймой насоса и образует напорную

камеру насоса.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, тарельчатые

пружины средства для прижатия затвора к седлу клапана могут быть размещены в полости упругого водогазонепроницаемого кожуха таким образом, что исключен доступ перекачиваемой среды к поверхности тарельчатых пружин.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, предохранительный клапан может содержать полый цилиндрический корпус, закрепленный в соответствующем отверстии боковой стенки головки насоса, внутри

корпуса ьслапана может быть установлен затвор, при этом во внутреннем по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана может быть образовано седло клапана, а в наружном по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана на резьбе может быть установлена крышка клапана, в центральном отверстии которой с возможностью продольного перемеп1;ения может быть установлен шток, предназначенный для прижатия шарикового затвора к седлу клапана, при этом шток может быть выполнен со сквозным

центральным отверстием для обеспечения возможности прохода жидкости из

затрубного пространства к соответствуюш;ей поверхности затвора, на внешней поверхности штока могут быть установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины, образуюш;ие упругий элемент клапана, тарельчатые пружины могут быть зафиксированы между соответствующим выступом на наружной поверхности штока и упорной поверхностью крышки клапана с возможностью регулирования степени деформации тарельчатых пружин за

счет перемещения крышки по резьбе, при этом на внешней боковой поверхности тарельчатых пружин закреплен резиновый кожух, выполненный в виде рукава в крышке клапана может быть выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения полости клапана с затрубным пространством.

Наличие предохранительного клапана, срабатывающего в зависимости от величины разности давлений в напорной камере насоса и затрубном пространстве, обеспечивает сброс перекачиваемой жидкости в затрубное пространство как при повышении давления в колонне НКТ, так и при снижении давления на входе насоса, то есть при падении уровня жидкости в затрубном 6

пространстве. При этом запорный орган клапана во время работы насоса находится в состоянии динамического равновесия, создаваемого давлением в НКТ и затрубном пространстве, которое определяет величину зазора между запорным органом и седлом клапана, что обеспечивает защиту обоймы от работы в условиях повышенного противодавления, вызванного запарафиниванием колонны НКТ, а также эффективное авторегулирование подачи насоса в соответствии с изменением дебита скважины.

Применение клапана с шариковым затвором, установленным в клапане с

возможностью врашения относительно собственной оси, исключает заклинивание затвора после срабатывании клапана, происходящего вследствие застревания между затвором и седлом клапана механических частиц, содержащихся в пластовой жидкости, так как указанные частицы удаляются за счет проворачивания затвора под действием проходящего потока.

Использование в качестве упругого элемента клапана пакета тарельчатых пружин позволяет создать усилие, необходимое прижатия затвора к седлу клапана, которое составляет значительную величину, так как для обеспечения требуемого расхода при сбросе пластовой жидкости через клапан необходимо выполнить в седле клапана проходное отверстие соответствующего диаметра, при этом площадь по которой давление в напорной камере воздействует на затвор и, соответственно, действующая на затвор сила, оказывается весьма значительной. W затрубном пространстве, при которой должно произойти срабатывание предохранительного клапана, в соответствие с условиями эксплуатации насоса в конкретной скважине. Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции погружного одновинтового насоса для добычи нефти, выполненного в соответствии с полезной моделью, сопровождаемым графическими материалами, на которых изображено следующее: На фиг. 1 изображен общий вид погружного одновинтового насоса для добычи нефти. На фиг. 2 изображен предохранительный клапан насоса. Ногружной одновинтовой насос 1, пригодный для использования при разработке месторождений с низким коэффициентом продуктивности пласта, высокой вязкостью нефти (от 6-10 до ЫО (600-1000 сСт)), а также высоким содержанием газа и механических примесей в пластовой жидкости (содержании механических примесей до 0,8 г/л, свободного газа - до 50% и содержании воды до 99% по объему смеси), причем минимальная и максимальная подача, обеспечиваемая насосом заявленной конструкции, практически не ограничены при соответствующем подборе параметров насоса, таких как размеры пары винт-обойма, частота вращения винта и т. д., что существенно расширяет сферу применения насоса.

ненных между собой головки 2, обоймы 3 и корпуса 4. Полая цилиндрическая головка 2 выполнена с возможностью соединения с нижней трубой колонны НКТ (на Фиг, 1 не показана) с помощью внутренней конической резьбы, выполненной в центральном отверстии 5 головки 2, в котором закреплена также шламовая труба 6 с возможностью размещения внутри нижней трубы колонны НКТ. Головка образует напорную камеру А насоса, гидравлически связанную с выходным отверстием обоймы 3, и снабжена предохранительным клапаном 7, выполненным с возможностью соединения напорной камеры с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве.

Предохранительный клапан 7 содержит полый цилиндрический корпус 8, закрепленный в соответствз ощем отверстии боковой стенки головки 2. Во внутреннем по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана закреплена втулка 9, в центральном отверстии которой образовано седло 10 клапана 7 и установлен шариковый затвор 11с возможностью линейного перемещения относительно седла клапана под действием давления в напорной камере и затрубном пространстве и с возможностью вращения относительно своей оси для обеспечения возможности самоочистки клапана. В наружном по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана на резьбе установлена крышка 12 клапана, в центральном отверстии которой с возможностью продольного перемещения установлен шток 13, предназначенный для прижатия затвора 11 к седлу 10 своей торцевой поверхностью, которая представляет собой часть сферической поверхности, соответствующей поверхно f f

сти затвора. Шток 13 выполнен со сквозным центральным отверстием 20, открытым в затрубное пространство, таким образом воздействие на затвор, создаваемое давлением в затрубном пространстве совпадает по направлению с воздействием штока и противоположно по направлению воздействию на запорный орган, создаваемому давлением в напорной камере. На внешней поверхности штока 13 размеш;ен пакет из последовательно установленных тарельчатые пружин 14, образующих упругий элемент клапана, обеспечивающий прижатие затвора к седлу клапана с заданным усилием. Тарельчатые

пружины 14 с помощью шайб 15 и 16 зафиксированы между буртиком 17 на

наружной поверхности штока и упорной поверхностью 18 крышки 12 с возможностью регулирования степени деформации тарельчатых пружин за счет перемещения крышки по резьбе, что наряду с изменением количества пружин в пакете позволяет задавать усилие поджатия затвора к седлу клапана.

Наружная поверхность пакета пружин закрыта резиновым зашитным кожухом (чехлом) 19, выполненным в виде рукава, закрепленного на внешней поверхности пакета 14. Кожух 19 обеспечивает защиту пружин от воздействия коррозионной среды, а также предотвращающим попадание частиц механических примесей между отдельными пружинами пакета. Полость клапана гидравлически связана с затрубным пространством посредством каналов 21 в крышке клапана.

Обойма 3 содержит жесткий корпус 27, внутри которого размещен слой специально подобранного эластомера, образующего внутреннюю винтовую поверхность обоймы. Используемый в обойме термостойкий эластомер сохраняет работоспособность при температуре до 130°С, что позволяет существенно увеличить срок службы обоймы.

Межвитковый перепад давления в обойме может быть снижен путем увеличении длины обоймы и, соответственно, увеличения количества нагнетающих камер в насосной паре, что обеспечивает возможность использования насоса на глубинах свыше 1500 м и позволяет дополнительно увеличить срок службы обоймы.

В полости обоймы размещен рабочий винт 22 насоса, верхний конец

обоймы закреплен в центральном отверстии 5 головки, а её нижний конец

закреплен в центральном отверстии полого цилиндрического корпуса 4.

Верхняя часть корпуса 4 образует приемную камеру В насоса, гидравлически связанную с входным отверстием обоймы 3, при этом в боковой стенке корпуса выполнены отверстия 23 для соединения приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса с помощью осевой опоры и дв) радиальных опор установлен приводной вал, связанный с рабочим винтом посредством гибкого вала, соединенного с помощью шлицевых муфт и с нижним концом рабочего винта и верхним концом приводного вала (на Фиг. 1 не показаны). Осевая опора приводного вала включает в себя две секций, выполненные с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей со стороны рабочего винта насоса. Каждая из указанных секций представляет собой упорный подшипник скольжения, содержащий упорный элемент, установленный на приводном валу, и опорный элемент, установленный в корпусе насоса, при этом приводной вал и упорный элемент связаны в осевом

направлении с помощью упругого компенсирующего элемента с возможностью относительного осевого перемещения для равномерного распределения осевого усилия между секциями. Осевая опора приводного вала также включает в себя одну секцию, выполненной с возможностью восприятия осевой нагрузки в направлении, противоположном указанному выше. В боковой стенке нижней части корпуса 4 выполнены отверстия 24, обеспечивающие проход пластовой жидкости из затрубного пространства к секциям осевой опоры для их смазки, охлаждения и вымывания продуктов износа. Корпус 4 снабжен присоединительным фланцем 25 для соединения с корпусом протектора электродвигателя. Приводной вал снабжен шлицами 26 для соединения с валом протектора электродвигателя. Защита обоймы от обратного вращения, связанного с неправильной фазировкой электродвигателя, обеспечивается средствами станции управления погружным электродвигателем, снабжаемой специальным блоком, состоящим из трех резисторов, каждый из которых одним своим выводом подсое-лдинен к одной из фаз цепи питания электродвигателя, а вторым выводом подключен к соответствующему разъему контроллера станции управления. При подаче на обмотки электродвигателя тока, фазировка которого отличается от заданной в уставках контроллера, пуск электродвигателя блокируется. Устройство работает следующим образом.

муфты (на Фиг. 1 не показана) передается на приводной вал, а от него на рабочий винт 22 насоса. Пластовая жидкость поступает через отверстия 24 в приемную камеру В насоса и перемещается рабочим винтом в напорную камеру А, а из неё поступает в колонну НКТ и извлекается на поверхность. Осевое усилие от приводного вала передается на все упорные диски осевой опоры, при этом упругие компенсирующие элементы распределяют нагрузку между всеми ступенями, а также гасят пульсирующие нагрузки, возникающие в процессе работы насоса, выполняя таким образом дополнительно

функцию демпфирующего элемента..

В описанной выше ситуации затвор 11 предохранительного клапана 7 будет поджат к седлу 10 под действием упругого элемента клапана и давления в затрубном пространстве. Однако, в процессе работы насоса может произойти резкое повышение давления в напорной камере вследствие запарафинивания колонны НКТ, увеличении вязкости перекачиваемой жидкости и т. п. или резкое уменьшение уровня жидкости и, соответственно, давления в затрубном пространстве вследствие падении дебита скважины из-за её истощения или в результате воздействия каких то временных факторов. Когда разница давлений в напорной камере и затрубном пространстве, воздействующих на затвор 11 клапана с противоположных сторон, достигает установленной величины, которую задают при регулировке усилия прижатия, создаваемого упругим элементом клапана, затвор отходит от седла 10, обеспечивая сброс перекачиваемой жидкости в затрубное пространство. При возникновении большой разности давлении в напорной камере и затрубном пространстве клапан 7 откроется полностью, выполняя свою предохранительную функцию, что препятствует гидравлическому запиранию обоймы и предохраняет её от работы в условиях сухого трения, при этом насос будет работать в холостую. При возникновении меньшей разности давлении в напорной камере и затрубном пространстве клапан 7 откроется не полностью, обеспечивая уменьшение подачи насоса, пропорциональное снижению дебита скважины, то есть будет осуществляться изменение параметров соотношения насос скважина, заключающееся в автоматическом регулировании производительности насоса в зависимости от изменения дебита скважины, без подъема установки и без применения дорогостоящих телеметрических средств. Кроме того, снижение подачи насосы при частичным открытием клапана может быть вызвано не только снижением дебита скважины, но и повышением степени запарафинивания колонны НКТ, при этом клапан 7 помимо функции защиты обоймы от работы в условиях повыщенного противодавления будет выполнять также сигнальнзто функцию, сигнализируя об ухудщении условий

в колонне 1ЖТ. После прекращения действия факторов, приведших к разбалансированию давления в напорной камере насоса и затрубном пространстве (повышение температуры на поверхности, восстановление дебета скважины и т. п.), затвор клапана ложится на седло и подача насоса восстанавливается в полном объеме.

При срабатывании клапана 7 шариковый затвор 11 вращается относительно своей оси под действием проходящего через клапан потока, что препятствует застреванию частиц механических примесей между затвором 11 и седлом 9 клапана. В том случае, если засорения клапана 7 произойдет, и это

приведет к неплотному прилеганию затвора к седлу и, соответственно, снижению подачи насоса, может быть осуществлена принудительная прочистка клапана путем перекрытия задвижки на устье при работающем насосном агрегате, в результате давление в напорной камере повысится затвор 11 отойдет от седла и механические примеси будут вынесены с потоком жидкости в затрубное пространство.

15

Claims (4)

1. Насос погружной одновинтовой, содержащий предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения напорной камеры насоса с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве, при этом затвор предохранительного клапана выполнен с возможностью линейного перемещения относительно седла клапана под действием давления в напорной камере и затрубном пространстве, отличающийся тем, что затвор по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, предохранительный клапан содержит средства для прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием, включающие в себя, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что насос содержит полую цилиндрическую головку, выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб, при этом головка соединена с обоймой насоса и образует напорную камеру насоса.

3. Насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что тарельчатые пружины средства для прижатия затвора к седлу клапана размещены в полости упругого водогазонепроницаемого кожуха таким образом, что исключен доступ перекачиваемой среды к поверхности тарельчатых пружин.

4. Насос по п.3, отличающийся тем, что предохранительный клапан содержит полый цилиндрический корпус, закрепленный в соответствующем отверстии боковой стенки головки насоса, внутри корпуса клапана установлен затвор, при этом во внутреннем по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана образовано седло клапана, а в наружном по отношению к полости головки отверстии корпуса клапана на резьбе установлена крышка клапана, в центральном отверстии которой с возможностью продольного перемещения установлен шток, предназначенный для прижатия шарикового затвора к седлу клапана, при этом шток выполнен со сквозным центральным отверстием для обеспечения возможности прохода жидкости из затрубного пространства к соответствующей поверхности затвора, на внешней поверхности штока установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины, образующие упругий элемент клапана, тарельчатые пружины зафиксированы между соответствующим выступом на наружной поверхности штока и упорной поверхностью крышки клапана с возможностью регулирования степени деформации тарельчатых пружин за счет перемещения крышки по резьбе, при этом на внешней боковой поверхности тарельчатых пружин закреплен резиновый кожух, выполненный в виде рукава, в крышке клапана выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения полости клапана с затрубным пространством.