Патент на изобретение №2256819

(54) ПОГРУЖНОЙ ОДНОВИНТОВОЙ НАСОС ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании погружных насосных. Насос снабжен предохранительным клапаном, выполненным с возможностью соединения напорной камеры насоса с затрубным пространством при превышении заданной величины разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве. Затвор предохранительного клапана по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, а предохранительный клапан содержит, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины, предназначенные для обеспечения прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием. Осевая опора приводного вала состоит, по крайней мере, из двух секций, каждая из которых представляет собой упорный подшипник скольжения. Осевая опора вала размещена в нижней части корпуса, в боковой стенке которого выполнены дополнительные отверстия для соединения полости нижней части корпуса с затрубным пространством. Повышается надежность и долговечность. 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании погружных насосных агрегатов, пригодных для добычи нефти с повышенной вязкостью и нефти с высоким содержанием газа и механических примесей, а также насосных агрегатов, обеспечивающих возможность эксплуатации малодебитных скважин.

Известен погружной одновинтовой насос, описанный в авторской свидетельстве SU 344164 А, 21.07.1972, содержащий полую цилиндрическую головку, выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Головка механически соединена с корпусом насоса, в котором размещена первая обойма, внутри которой размещен первый рабочий винт насоса. Верхняя часть корпуса образует первую приемную камеру, при этом в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения первой приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса образована напорная камера насоса, которая связана с полостью головки посредством канала в корпусе насоса. Корпус насоса соединен со второй обоймой, внутри которой размещен второй рабочий винт насоса, имеющий направление витков, противоположное направлению витков первого рабочего винта. Второй рабочий винт посредством эксцентриковой муфты механически связан с первым рабочим винтом. Со стороны, противоположной корпусу насоса, обойма соединена с основанием насоса, верхняя часть которого образует вторую приемную камеру, при этом в боковой стенке основания выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения второй приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части основания размещен приводной вал и осевая опора приводного вала, который механически связан со вторым рабочим винтом посредством эксцентриковой муфты. Приводной вал выполнен с возможностью механического соединения с валом погружного электродвигателя с помощью предохранительной муфты, выполненной с возможностью передачи крутящего момента от вала погружного электродвигателя к приводному валу в направлении рабочего вращения ротора погружного электродвигателя. В полости головки размещен предохранительный клапан, выполненный с возможностью соединения напорной камеры насоса 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 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.

Применение сдвоенной схемы одновинтового насоса позволяет исключить необходимость использования осевой опоры, воспринимающей в процессе работы значительные усилия со стороны рабочего винта, а предохранительный клапан предназначен для защиты от разрушения гумированной поверхности обоймы при увеличении давления в нижней трубе колонны НКТ выше максимального давления создаваемого насосным агрегатом, что может произойти, например, вследствие образования в НКТ значительного количества парафинсодержащих отложений или повышении вязкости перекачиваемой жидкости из-за падения температуры на поверхности.

Однако описанная выше конструктивная схема обладает рядом принципиальных недостатков. Во-первых, теоретическая надежность сдвоенного (уравновешенного) одновинтового насоса почти в два раза меньше, чем у насоса с неуравновешенной осевой силой. Наличие в насосе второй насосной пары обойма – винт фактически замещает наличие в насосе осевой опоры, при этом обеспечить высокую надежность осевой опоры принципиально значительно проще, чем насосной пары, так как для подшипникового узла не ставится задача уплотнения трущихся поверхностей, то есть теоретическая надежность осевой опоры может быть весьма высокой, а насосная пара обойма – винт является наименее надежным узлом одновинтового насоса, что и обуславливает почти двукратное снижение теоретической надежности уравновешенного одновинтового насоса по сравнению с неуравновешенным.

Во-вторых, забор газожидкостной смеси из скважины осуществляется на двух разных уровнях, находящихся на расстоянии в несколько метров друг от друга, при этом гидростатическое давление на входе нижней насосной пары оказывается выше, чем на входе верхней, соответственно давление на выходе нижней насосной пары будет превышать давление на выходе верхней. Это вызывает гидравлическое запирание верхней насосной пары, что ухудшает условия работы верхней обоймы и приводит к ее ускоренному выходу из строя. Кроме того, забор перекачиваемой жидкости на двух уровнях накладывает ограничения на максимальную длину насоса, что не позволяет уменьшать межвитковое давление за счет увеличения длины обоймы и соответственно ограничивает возможности применения насоса на больших глубинах. Невозможность существенного увеличения длины насоса ограничивает возможности для увеличения подачи насоса и практически исключает возможность установки газосепараторов на входах насоса. В-третьих, наличие плунжерного запорного органа в предохранительном клапане насоса приводит к быстрому выходу предохранительного клапана из строя под действием механических частиц, находящихся в пластовой жидкости, при этом происходит заклинивание запорного органа в одном из положений или разрушение рабочих поверхностей плунжерной пары. Кроме того, 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 трения. В-четвертых, в описанном аналоге защита обоймы насоса при обратном вращении рабочего винта, связанном с неправильной фазировкой электродвигателя, а также защита электродвигателя от скачка напряжения при пуске, вызываемого турбинным вращением ротора электродвигателя под действием столба жидкости в НКТ, обеспечивается с помощью пусковой предохранительной муфты обратного хода, наличие которой усложняет конструкцию насоса и соответственно снижает его надежность, при этом эффективная защита обоймы и электродвигателя при пуске может быть реализована средствами станции управления электродвигателем.

Известен насос погружной одновинтовой, описанный в авторском свидетельстве SU 167144 А, 12.01.1965, F 04 В 47/00, содержащий полую цилиндрическую головку, образующую напорную камеру насоса и выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб. Головка соединена с обоймой, внутри которой размещен рабочий винт насоса. Обойма соединена с корпусом насоса, верхняя часть которого образует приемную камеру насоса, причем в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса размещен приводной вал и осевая опора приводного вала, представляющая собой гидродинамический упорный подшипник. Приводной вал механически связан со вторым рабочим винтом посредством эксцентриковой муфты и выполнен с возможностью механического соединения с валом погружного электродвигателя с помощью муфты обратного хода, которая выполнена с возможностью передачи крутящего момента от вала погружного электродвигателя к приводному валу в направлении рабочего вращения ротора погружного электродвигателя.

Недостатками аналога является отсутствие предохранительного клапана, использование в осевой опоре подшипника гидродинамического типа, не приспособленной для работы в условиях высокого содержания в рабочей среде газа и механических примесей, выполнение осевой опоры с одной подшипниковой секцией, что не позволит обеспечить требуемую грузоподъемность осевой опоры при использовании насоса для добычи нефти, а также обеспечение защиты обоймы от обратного вращения с помощью пусковой предохранительной муфты обратного хода.

Известен 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 выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб. Головка соединена с обоймой, внутри которой размещен рабочий винт насоса. Обойма соединена с корпусом, верхняя часть которого образует приемную камеру насоса, причем в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения приемной камеры с затрубным пространством. В головке насоса 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 тарельчатого затвора к седлу клапана. Насос содержит эксцентриковую муфту для передачи крутящего момента от вала погружного электродвигателя к рабочему винту.

Основным недостатком описанного аналога является то, что рабочий винт опирается в осевом направлении непосредственно на вал электродвигателя (протектора электродвигателя), что может потребовать существенного повышения грузоподъемности осевой опоры вала электродвигателя (протектора электродвигателя), сопряженного со значительными трудностями из-за ограничений, накладываемых конструкцией электродвигателя и гидрозащиты. Кроме того, при работе насосного агрегата будет происходить повышенный нагрев осевой опоры, что потребует применения специальных средств для дополнительного охлаждения масла, заполняющего полость электродвигателя. Вторым недостатком аналога является выполнение предохранительного клапана с тарельчатым затвором, 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 затвором и седлом. Кроме того, при использовании в качестве упругого элемента витой пружины сложно создать высокое усилие прижатия затвора при его малом ходе, что ограничивает максимальную допустимую величину давления в напорной камере и соответственно глубину погружения насоса. Предохранительный клапан в описанном аналоге обеспечивает также защиту обоймы насоса при обратном вращении рабочего винта, связанном с неправильной фазировкой 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.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является насос погружной одновинтовой, описанный в полезной модели RU 8422 U1, F 04 D 3/02, 16.11.1998, содержащий полую цилиндрическую головку, образующую напорную камеру насоса и выполненную с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб. В головке насоса установлен предохранительный клапан, аналогичный описанному в авторской свидетельстве SU 344164 А, 21.07.1972. Головка соединена с обоймой, внутри которой размещен рабочий винт насоса. Обойма соединена с корпусом, верхняя часть которого образует приемную камеру насоса, причем в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса размещен приводной вал и осевая опора приводного вала, состоящая из двух упорных подшипников скольжения. Приводной вал механически связан с рабочим винтом посредством эксцентриковой муфты и винтом посредством эксцентриковой муфты и выполнен с возможностью механического соединения с валом погружного электродвигателя.

Основными недостатками прототипа является конструкция предохранительного клапана, имеющая недостатки, раскрытые при описании в авторском свидетельстве SU 344164 А, 21.07.1972, ограниченная грузоподъемность осевой опоры, а также недостаточно эффективное охлаждение осевой опоры и отсутствие возможности вымывания продуктов износа упорного подшипника и механических частиц, содержащихся в пластовой жидкости, которые скапливаются в корпусе насоса, что может привести к преждевременному выходу из строя осевой опоры.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании погружного одновинтового насоса, пригодного для добычи нефти с повышенной вязкостью, с высоким содержанием газа и нефти с высоким содержанием механических примесей, в том числе из скважин глубиной более 1500 м, а также обеспечивающего возможность эксплуатации малодебитных скважин.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении надежности и долговечности погружного одновинтового насоса для добычи нефти за счет снижения влияния механических примесей, содержащихся в пластовой жидкости, на работоспособность насоса, а также за счет повышения эффективности защиты обоймы насоса от работы в нештатных режимах с одновременным обеспечением возможности изменения параметров соотношения насос -скважина без подъема установки за счет авторегулирования производительности насоса.

Насос погружной одновинтовой содержит предохранительный клапан, обойму, внутри которой размещен рабочий винт, и корпус, в полости которого размещен приводной вал, механически связанный с рабочим винтом, а также осевая опора приводного вала, содержащая упорный подшипник скольжения. Корпус соединен с обоймой и образует приемную камеру насоса, при этом в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения приемной камеры с затрубным пространством. При этом в отличие от прототипа предохранительный клапан выполнен с возможностью соединения напорной 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 затвор по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, а предохранительный клапан содержит средства для прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием, включающие в себя, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины. Осевая опора приводного вала состоит, по крайней мере, из двух секций, каждая из которых представляет собой упорный подшипник скольжения, содержащий упорный элемент, установленный на приводном валу, и опорный элемент, установленный в корпусе насоса. В боковой стенке корпуса в зоне размещения осевой опоры выполнено, по крайней мере, одно дополнительное отверстие для соединения полости корпуса с затрубным пространством.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения осевая опора может состоять из, по крайней мере, двух секций, выполненных с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей со стороны рабочего винта насоса, и по крайней мере, одной секции, выполненной с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей в обратном направлении.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения приводной вал и упорный элемент могут быть связаны в осевом направлении с помощью упругого компенсирующего элемента с возможностью относительного осевого перемещения.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения упругий компенсирующий элемент может представлять собой, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения опорный элемент может состоять из закрепленной в корпусе насоса неподвижной опоры и установленной на неподвижной опоре опорной шайбы, при этом соответствующие контактные поверхности опорной шайбы и неподвижной опоры должны представлять собой часть сферической поверхности.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения насос может содержать полую цилиндрическую головку, образующую напорную камеру насоса, головка может быть соединена с обоймой и выполнена с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения 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 изобретения предохранительный клапан может содержать полый цилиндрический корпус, закрепленный в соответствующем отверстии боковой стенки головки насоса, внутри корпуса клапана 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 может быть установлен шток с возможностью продольного перемещения, 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 соответствующей поверхности затвора, на внешней поверхности штока могут быть установлены, по крайней мере, две тарельчатые пружины, образующие 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 может быть 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.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения приводной вал может быть механически связан с рабочим винтом с помощью гибкого вала, соединенного с помощью шлицевых муфт с нижним концом рабочего винта и верхним концом приводного вала.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения в приемной камере насоса могут быть размещены средства для сепарации газовой и жидкой составляющей перекачиваемой среды, при этом в боковой стенке верхней части корпуса может быть выполнено, по крайней мере, одно отверстие для выведения отсепарированного газа в затрубное пространство.

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 резком повышении давления в колонне НКТ, так и снижении давления на входе насоса при падении уровня жидкости в затрубном 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 вращения 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 для 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 оказываются весьма значительными.

Возможность задавать величину усилия прижатия затвора к седлу клапана позволяет привести величину разности давлений в напорной камере и затрубном пространстве, при которой должно произойти срабатывание предохранительного клапана, в соответствие с условиями эксплуатации насоса в конкретной скважине.

Выполнение осевой опоры в виде секционного (многорядного) упорного подшипника позволяет обеспечить необходимую грузоподъемность осевой опоры без снижения ее надежности и долговечности. Использование в осевой опоре подшипников скольжения позволяет обеспечить работоспособность осевой опоры при работе в среде, содержащей значительное количество механических примесей, а наличие дополнительных отверстий в боковой стенке нижней части корпуса обеспечивает проход пластовой жидкости из затрубного пространства к секциям осевой опоры для их смазки, охлаждения и вымывания продуктов износа подшипников. При этом за счет выполнения отверстий непосредственно в зоне размещения осевой опоры исключается возможность скапливания частиц механических примесей и газовых пузырьков, содержащихся в пластовой жидкости, в секциях осевой опоры, что позволяет организовать смазку и охлаждение осевой опоры с помощью перекачиваемой среды, содержащей значительное количество газа и механических примесей.

Таким образом, применение описанного предохранительного клапана совместно с описанной осевой опорой при описанном выполнении корпуса насоса обеспечивает существенное снижение влияния механических примесей, содержащихся в пластовой жидкости, на работоспособность одновинтового насоса, что не может быть обеспечено в случае их раздельного применения совместно с соответствующими устройствами известных конструкций.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции погружного одновинтового насоса для добычи нефти, сопровождаемым графическими материалами, на которых изображено следующее:

На фиг.1 изображен общий вид погружного одновинтового насоса для добычи нефти.

На фиг.2 изображена нижняя часть корпуса насоса с осевой и радиальными опорами приводного вала.

На фиг.3 изображен предохранительный клапан насоса.

Погружной одновинтовой насос 1, пригодный для использования при разработке месторождений с низким коэффициентом продуктивности пласта, высокой вязкостью нефти (от 6·10^-4 до 1·10^-3 м²/с (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.

Погружной одновинтовой насос состоит из последовательно соединенных 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 соответствующем 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 11 с 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 поверхности затвора. Шток выполнен со сквозным центральным отверстием 38, 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 размещен 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 защитным кожухом (чехлом) 19, выполненным в виде рукава, закрепленного на внешней поверхности пакета 14. Кожух 19 обеспечивает защиту пружин от воздействия коррозионной среды, а также предотвращает попадание частиц механических примесей между отдельными пружинами пакета. Полость клапана гидравлически связана с затрубным пространством посредством каналов 39 в крышке клапана.

Обойма 3 содержит жесткий корпус 20, 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 увеличения 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 21 насос, верхний конец обоймы закреплен в центральном отверстии 5 головки, а ее 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 22 для соединения приемной камеры с затрубным пространством. В нижней части корпуса с помощью осевой опоры 23 и двух радиальных опор 24а и 24b установлен приводной вал 25, связанный с рабочим винтом 21 посредством гибкого вала 26, соединенного с помощью шлицевых муфт 27 и 28 с нижним концом рабочего винта и верхним концом приводного вала. Корпус 4 снабжен присоединительным фланцем 29 для соединения с корпусом погружного электродвигателя (протектора электродвигателя). Приводной вал снабжен шлицами 30 для соединения с валом погружного электродвигателя (протектора электродвигателя).

Защита обоймы от обратного вращения, связанного с неправильной фазировкой электродвигателя, обеспечивается средствами станции управления погружным электродвигателем, снабжаемой соответствующим блоком.

В случае использования насоса в составе установки, оснащенной станцией управления погружным электродвигателем, не обеспечивающей защиту обоймы и электродвигателя при пуске, между присоединительными фланцами корпуса насоса и корпуса электродвигателя (протектора электродвигателя) может быть установлен дополнительный модуль (на фиг.1 не показан) с предохранительной муфтой обратного хода, соединяющей вал электродвигателя и приводной вал насоса. При этом может быть использована предохранительная муфта известной конструкции (см., например, авторское свидетельство SU 344164 или SU 167144).

Осевая опора 23 состоит из трех секций 31а, выполненных с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей со стороны рабочего винта насоса, и одной секции 31b, выполненной с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей в обратном направлении. Каждая из них представляет собой упорный подшипник скольжения и содержит упорный диск 32, плавающую опорную шайбу 33 и неподвижный опорный элемент 43, зафиксированный в корпусе с помощью распорных втулок 42 и компенсирующих шайб 44.

Упорный диск 32 установлен на приводном валу 25 с возможностью осевого перемещения и связан с валом в осевом направлении посредством упругого компенсирующего элемента 34. Соединение приводного вала и упорного диска с возможностью относительного осевого перемещения обеспечивает равномерное распределение осевой нагрузки между секциями осевой опоры, что существенно повышает ее надежность и долговечность. В отличие от прототипа равномерное распределение осевой нагрузки обеспечивается за счет подвижной установки упорного, а не опорного элемента, при этом зазор между валом 25 и отверстием упорного диска 32 оказывается внутри трущихся поверхностей упорного диска 32 и опорной шайбы 33, что существенно уменьшает вероятность попадания механических частиц, содержащихся в пластовой жидкости, в указанный зазор.

Упругий компенсирующий элемент 34 представляет собой две последовательно установленные тарельчатые пружины, упругая характеристика которых позволяет воспринимать значительное усилие при небольшом ходе сжатия. Пружины установлены между упорным диском 32 и упорным кольцом 41, зафиксированном на приводном валу 25.

Плавающая опорная шайба 33 установлена на неподвижном опорном элементе 43 и зафиксирована от поворота с помощью штифтов 35, при этом контактные поверхности шайбы 33 и опорного элемента 43 представляют собой часть сферической поверхности и выполнены с возможностью скольжения относительно друг друга. Таким образом обеспечивается компенсация перекосов приводного вала 25, появляющихся вследствие того, что гибкий вал 26 не полностью нейтрализует радиальные реакции, возникающие при передаче крутящего момента от приводного вала 25 на рабочий винт 21 насоса, в связи с этим радиальные опоры 24а и 24b также выполнены с возможностью самоустановки за счет того, что внешние поверхности втулок 36 радиальных опор выполнены в виде части сферической поверхности с возможностью углового перемещения относительно соответствующих участков боковой стенки корпуса 4.

В боковой стенке нижней части корпуса 4 и распорных втулках 42 выполнены отверстия 37, обеспечивающие проход пластовой жидкости из затрубного пространства к секциям осевой опоры для их смазки, охлаждения и вымывания продуктов износа, а также механических частиц, попадающих в корпус с пластовой жидкостью.

Трущиеся поверхности упорного диска 32 и опорной шайбы 33 образованы кольцевыми вставками 40 из антифрикционного керамического материала, обеспечивающими повышение ресурса секции осевой опоры при работе в среде, содержащей большое количество механических примесей. На поверхности кольцевой вставки, закрепленной на упорном диске 32, выполнены радиальные канавки, предназначенные для прохода рабочей среды, охлаждающей трущиеся поверхности кольцевых вставок.

В приемной камере В могут быть размещены средства для сепарации газовой и жидкой составляющей перекачиваемой среды (на чертеже не показаны), при этом в боковой стенке верхней части корпуса должно быть выполнено отверстие для выведения отсепарированного газа в затрубное пространство. Указанные средства могут быть выполнены аналогично описанным в патенте US 5525146 А, 11.06.1996, В 01 D 19/00 и т.п. В этом случае механическая связь между приводным и гибким валом осуществляется посредством указанных средств.

Устройство работает следующим образом.

После запуска электродвигателя насосного агрегата крутящий момент от вала электродвигателя (протектора электродвигателя) посредством шлицевой муфты (на фиг.1 не показана) передается на приводной вал 25, а от него посредством шлицевых муфт 27, 28 и гибкого вала 26 на рабочий винт 21. Пластовая жидкость поступает через отверстия 22 в приемную камеру В насоса и перемещается рабочим винтом в напорную камеру А, а из нее через отверстия в шламовой трубе 6 поступает в колонну НКТ и извлекается на поверхность. Осевое усилие от приводного вала 25 через упорные кольца 41 передается на все упорные диски 32, при этом упругие компенсирующие элементы 34 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 ее 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 давлений в напорной камере и затрубном пространстве клапан 7 откроется полностью, выполняя свою предохранительную функцию, что препятствует гидравлическому запиранию обоймы и предохраняет ее от работы в условиях сухого трения, при этом насос будет работать вхолостую. При возникновении меньшей разности давлений 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 насоса при частичном открытии 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 повышенного противодавления будет выполнять также сигнальную функцию, сигнализируя об ухудшении условий в колонне НКТ. 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.

Формула изобретения

1. Насос погружной одновинтовой, содержащий предохранительный клапан, обойму, внутри которой размещен рабочий винт, и корпус, в полости которого размещены приводной вал, механически связанный с рабочим винтом, а также осевая опора приводного вала, содержащая упорный подшипник скольжения, корпус соединен с обоймой и образует приемную камеру насоса, при этом в боковой стенке корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для соединения приемной камеры с затрубным пространством, отличающийся тем, что предохранительный клапан выполнен с возможностью соединения напорной 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 затвор по форме представляет собой шар и установлен с возможностью вращения относительно собственной оси, а предохранительный клапан содержит средства для прижатия затвора к седлу клапана с заданным усилием, включающие в себя, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины, осевая опора приводного вала состоит, по крайней мере, из двух секций, каждая из которых представляет собой упорный подшипник скольжения, содержащий упорный элемент, установленный на приводном валу, и опорный элемент, установленный в корпусе насоса, при этом в боковой стенке корпуса в зоне размещения осевой опоры выполнено, по крайней мере, одно дополнительное отверстие для соединения полости корпуса с затрубным пространством.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что осевая опора состоит из, по крайней мере, двух секций, выполненных с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей со стороны рабочего винта насоса, и, по крайней мере, одной секции, выполненной с возможностью восприятия осевой нагрузки, действующей в обратном направлении.

3. Насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводной вал и упорный элемент связаны в осевом направлении с помощью упругого компенсирующего элемента с возможностью относительного осевого перемещения.

4. Насос по п.3, отличающийся тем, что упругий компенсирующий элемент представляет собой, по крайней мере, две последовательно установленные тарельчатые пружины.

5. Насос по п.1, отличающийся тем, что опорный элемент состоит из закрепленной в корпусе насоса неподвижной опоры и установленной на неподвижной опоре опорной шайбы, при этом соответствующие контактные поверхности опорной шайбы и неподвижной опоры представляют собой часть сферической поверхности.

6. Насос по п.1, отличающийся тем, что насос содержит полую цилиндрическую головку, образующую напорную камеру насоса, головка соединена с обоймой и выполнена с возможностью соединения с нижней трубой колонны насосно-компрессорных труб.

7. Насос по п.1, 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.

8. Насос по п.6, 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.

9. Насос по п.1, отличающийся тем, что приводной вал механически связан с рабочим винтом с помощью гибкого вала, соединенного с помощью шлицевых муфт с нижним концом рабочего винта и верхним концом приводного вала.

10. Насос по п.1, отличающийся тем, что в приемной камере насоса размещены средства для сепарации газовой и жидкой составляющей перекачиваемой среды, при этом в боковой стенке верхней части корпуса выполнено, по крайней мере, одно отверстие для выведения отсепарированного газа в затрубное пространство.

РИСУНКИ