JP2020197141A - 油田用ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの頻度をより低減することができること。【解決手段】油田に繋がった配管の内部に配置され、貯留された対象油を所定の方向に送る油田用ポンプであって、回転部と、回転部の外周に配置された固定部と、回転部の内部に形成された部分と回転部と固定部との間に形成された部分が繋がり、対象油が流れる通路と、回転部と、固定部との軸方向の荷重を支持するスラスト軸受と、通路の対象油の一部をスラスト軸受に供給する供給配管と、を含み、スラスト軸受は、回転部の外周に固定され、回転部と一体で回転する突出部と、固定部に固定され、突出の軸方向の面と対面する対面部と、を含み、突出部と対面部との間に対象油が充填され、突出部は、対面部と対向する面に、回転方向上流側から下流側に向けて、径方向外側に移動し、下流側の端部が径方向外側に開口した溝が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、油田に設置される油田用ポンプに関する。

油田は、油が採取可能な位置に繋がった配管と、その配管の内部に配置され、配管内の油を送るポンプと、有する採油装置により油を採取する。ポンプは、配管の液中に配置され、配管の内部の油を採油口側に送る。ポンプは、油田の油を送るため、液中に異物が含まれる場合がある。異物が回転部と固定部との間に混入し、堆積すると故障の原因になる。

例えば、特許文献１には、軸受を揚水路中に備えている立軸型揚水ポンプにおいて、
前記揚水路中に、内部に前記軸受を収容し、かつ前記揚水路に連通した開口部を有する回転潤滑水槽を設ける構造が記載されている。

特開平５−２０２８９２号公報

ここで、油田用ポンプは、対象油を圧縮して送る羽根車を備えるポンプ本体と、ポンプ本体と連結し、駆動源となるモータと、を含む。また、油田用ポンプは、軸受機構を備える。軸受機構に潤滑油を供給する場合、潤滑油の供給ラインを配管の全域に設けるか、定期的にメンテナンスをすることになる。これに対して、対象油で軸受機構を潤滑すると、対象油田用ポンプの軸受機構に異物が混入する可能性がある。また、特許文献１に記載の装置は、異物の影響を低減できるが、地上設備から離れた地下に配置する油田用ポンプに適用することが困難である。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、メンテナンスの頻度をより低減することができる油田用ポンプを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本開示は、油田に繋がった配管の内部に配置され、貯留された対象油を所定の方向に送る油田用ポンプであって、回転部と、前記回転部の外周に配置された固定部と、前記回転部の内部に形成された部分と前記回転部と前記固定部との間に形成された部分が繋がり、前記対象油が流れる通路と、前記回転部と、固定部との軸方向の荷重を支持するスラスト軸受と、前記通路の対象油の一部を前記スラスト軸受に供給する供給配管と、を含み、前記スラスト軸受は、前記回転部の外周に固定され、前記回転部と一体で回転する突出部と、前記固定部に固定され、前記突出の軸方向の面と対面する対面部と、を含み、前記突出部と前記対面部との間に前記対象油が充填され、前記突出部は、前記対面部と対向する面に、回転方向上流側から下流側に向けて、径方向外側に移動し、下流側の端部が径方向外側に開口した溝が形成される。

前記スラスト軸受は、前記突出部の前記対向面と対向する面に配置され、前記溝が形成されたパッドを有し、前記パッドは、前記回転方向下流側に向かって、前記対面部との距離が短くなることが好ましい。

上述の目的を達成するために、本開示は、油田に繋がった配管の内部に配置され、貯留された対象油を所定の方向に送る油田用ポンプであって、回転部と、前記回転部の外周に配置された固定部と、前記回転部の内部に形成された部分と前記回転部と前記固定物との間に形成された部分が繋がり、前記対象油が流れる通路と、前記回転部と、固定部との軸方向の荷重を支持するスラスト軸受と、前記通路の対象油の一部を前記スラスト軸受に供給する供給配管と、を含み、前記スラスト軸受よりも上流側の前記通路及び前記供給配管の少なくとも一方は、径方向外側にらせん状の溝が形成される。

前記供給配管は、前記回転部と前記固定部との間に形成され、前記溝は、前記供給配管の前記固定部側の面に形成されることが好ましい。

一方の端部が前記溝と接続し、他方の端部が前記通路の前記通路の前記供給配管の接続部よりも下流側に接続し、前記スラスト軸受に供給された対象油を、前記通路に排出する排出配管を備えることが好ましい。

本発明によれば、メンテナンスの頻度をより低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る油田用ポンプを含む採油装置の概略構成図である。 図２は、図１に示す油田用ポンプの部分断面図である。 図３は、スラスト軸受に対象油を供給する機構の一例を示す断面図である。 図４は、スラスト軸受の概略構成を示す正面図である。 図５は、図４のＡ方向から見たスラスト軸受の側面図である。 図６は、スラスト軸受に対象油を供給する機構の他の例を示す断面図である。 図７は、供給配管の構造を示す拡大断面図である。 図８は、スラスト軸受の他の例を示す概略構成図である。 図９は、スラスト軸受の他の例を示す概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施形態に係る油田用ポンプを含む採油装置の概略構成図である。採油装置１０は、設置面２に設置される。設置面２は、油田４に対して設置されている。油田４が海底にある場合、つまり油田４が海底油田の場合、設置面２は、海の上に設置される建造物となる。設置面２は、油田４が地面の地下にある場合、地面となる。油田４は、採油する対象の対象油を貯留する領域である。

採油装置１０は、図１に示すように、ポンプ（油田用ポンプ）１２と、配管１４と、地上設備１６と、案内管１８と、を有する。ポンプ１２は、油田４に貯留されている対象油Ｑを送る機器である。対象油Ｑには、原油に加えて鉱石等の固形物が含まれる場合がある。配管１４は、内部に対象油Ｑが流れる流路であり、一方の端部が油田４に設置され、他方の端部が地上設備１６に接続される。配管１４は、内部の油田４側の部分にポンプ１２が配置されている。地上設備１６は、例えばコイルタービン又はワイヤ巻き取り機構等、後述するワイヤ２０を巻き取る装置を有する。案内管１８は、採取した対象油Ｑを案内する。

次に、図１に加え、図２から図５を用いて、ポンプ１２を説明する。図２は、図１に示す油田用ポンプの部分断面図である。図３は、スラスト軸受に対象油Ｑを供給する機構の一例を示す断面図である。ポンプ１２は、ワイヤ２０と、ポンプ本体２２と、連結部２４と、モータ２６と、固定筒２８と、電気ケーブル２９と、スラスト軸受５０と、供給配管６２と、を含む。

ポンプ１２は、ポンプ本体２２、連結部２４及びモータ２６の一部（後述するロータ３０）が一体で連結される。ポンプ本体２２は、上端にワイヤ２０が連結される。ワイヤ２０は、上記の地上設備１６により巻き取り及び繰り出しが可能となっている。固定筒２８は、モータ２６の一部であるステータ３２を固定する。固定筒２８の内部には、採取された対象油Ｑが流通可能である。電気ケーブル２９は、地上設備１６とステータ３２との間を接続し、ステータ３２に電力を供給する。

本実施形態に係るポンプ１２は、ポンプ本体２２、連結部２４及びモータ２６と、電気ケーブル２９とが分離可能である。つまり、ワイヤ２０を巻き取ることにより、ポンプ本体２２、連結部２４及びモータ２６のロータ３０が一体となり、ステータ３２から分離されて固定筒２８内を上昇可能となっている。この構成により、ポンプ本体２２、連結部２４及びロータ３０の一体物の投入及び引き上げを容易に行うことが可能であるため、設置面２において大規模なリグ等の設置が不要となる。

モータ２６は、ロータ（回転部）３０と、ステータ（固定部）３２と、を有する。ロータ３０は、円筒状である。ロータ３０は、内部に対象油Ｑが流通する通路３４が形成される。また、対象油Ｑが流れる通路３４は、接続部２４の通路と接続される、接続部２４は、対象油Ｑの通路として、通路５６、５８と、分岐部６０とが形成される。通路５６は、通路３４と分岐部６０とを接続する。分岐部６０は、ロータ３０内を流通する対象油Ｑをロータ２０とステータ３２との間の空間に供給する。通路５８は、分岐部６０よりも鉛直方向上側に設けられ、内周面がロータ３０、外周面がステータ３２となる。通路５８は、ポンプ２２の通路と接続する。

ロータ３０は、中心軸ＣＬを中心として回転可能である。ロータ３０は、永久磁石４０を有する。永久磁石４０は、ステータ３２は、ロータ３０の外周にロータ３０と一体で配置される。ステータ３２は、電磁石４２を有する。電磁石４２は、電気ケーブル２９から供給される電力により磁場を生じさせる。電磁石４０から生じる磁場と永久磁石４２から生じる磁場との相互作用により、ロータ３０が中心軸ＣＬを中心として回転可能となっている。ロータ３０の鉛直方向上側には、ポンプ２２の羽根車が配置される。ロータ３０が回転することにより、ロータ３０と一体で羽根車が回転する。羽根車の回転により、周囲の対象油Ｑがロータ３０の内部に圧縮して供給されるようになっている。つまり、ロータ３０は、ポンプ１２のロータ（回転部）と連結しており一体で回転する。また、ステータ３２は、ポンプ１２のステータと連結している。

連結部２４において、ロータ３０の中心軸方向の上端部は、固定筒２８の下端部に挿入されている。通路５６は、固定筒２８内において分岐部６０に接続される。分岐部６０は、通路３４内を鉛直方向の上方に流通してくる対象油Ｑを径方向の外側に送り出す。

図２及び図３に示すように、ポンプ１２は、通路３４、５６、５８及び分岐部６０を流れる対象油Ｑの一部をスラスト軸受５０に供給する供給配管６２を備える。供給配管６２は、ロータ３０とステータ３２とで挟まれた領域であり、円筒状の流路である。供給配管６２は、一方の端部である採油口６２ａが分岐部６０と接続し、他方の端部である供給口６２ｂがスラスト軸受５０の隙間Ｇと接続している。供給配管６２は、ロータ３０の回転で対象油Ｑに作用する遠心力と、各位置との差圧と、重力により、分岐部６０からスラスト軸受５０に向かう方向に対象油Ｑが流れる。

次にスラスト軸受５０は、突出部７０と、対面部７２ａを備える保持部７２と、対面部７４ａを備える保持部７４と、を有する。突出部７０は、ロータ３０の外周３０ａに固定され、ロータ３０と一体で回転する。突出部７０は、例えば円板状であり、中心軸ＣＬの軸方向の表裏に配置される第１面７０ａ及び第２面７０ｂを有する。本実施形態において、例えば第１面７０ａが鉛直方向の下側の面であり、第２面７０ｂが鉛直方向の上側の面である。保持部７２、７４は、突出部７０と対面する面に軸受パッド７６が設けられている。対面部７２ａ、対面部７４ａは、軸受パッド７６の表面である。

保持部７２、７４は、リング上の部材であり、連結部２４のステータ、本実施形態では固定筒２８に固定される。保持部７２、７４は、ネジ等の締結機構で固定筒２８に固定されることで、固定筒２８に対して着脱可能である。これにより、ロータ３０を取り出すことができる。対面部７２ａは、突出部７０の第１面７０ａと対面する。対面部７４ａは、突出部７０の第２面７０ｂと対面する。また、突出部７０は、中心軸ＣＬを中心とした円筒状の側面７０ｃを有する。側面７０ｃは、固定筒２８の内周面２８ａと対面する。

第１面７０ａと対面部７２ａとの間、第２面７０ｂと対面部７４ｂとの間、側面７０ｃと内周面２８ａとの間には、それぞれ潤滑油が充填される隙間Ｇが形成される。隙間Ｇに潤滑油が充填されることにより、スラスト軸受５０がロータ３０を円滑に回転可能としつつ、ロータ３０とステータ３２との間の中心軸ＣＬの軸方向の荷重を支持することが可能となっている。この潤滑油には、油田４から採取される対象油Ｑが用いられる。

図４は、スラスト軸受の概略構成を示す正面図である。図５は、図４のＡ方向から見たスラスト軸受の側面図である。スラスト軸受５０は、上述したように、突出部７０と、突出部の軸方向の端となる面と対面する保持部７２、７４と、を含む。保持部７２は、対面部７２ａが突出部７０の第１面７０ａと対面する。保持部７４は、対面部７４ａが突出部７０の第１面７０ｂと対面する。ここで、スラスト軸受５０の保持部７２、７４は、対面部７２ａ、７４ａとなる面にそれぞれ複数の軸受パッド７６が配置されている。

パッド７６は、図４に示すように、ロータ３０の回転方向に複数配置されている。パッド７６は、周方向に等間隔で配置することが好ましい。軸受パッド７６は、突出部７０と対向し、突出部７０が軸方向に所定距離移動した場合、対面部７２ａ、７４ａとして、保持部７２、７４に代わって接触する。軸受パッド７６は、突出部７０よりも剛性の低い材料で形成され、突出部７０と接触した場合、摩耗する。軸受パッド７６の突出部７０と対向する面は、突出部７０との距離がロータ３０の回転方向の上流側から下流側に向かうにしたがって短くなる傾斜面である。これにより、突出部７０は回転して所定位置が移動した場合、所定位置と軸受パッド７６との距離は徐々に短くなる。

軸受パッド７６は、突出部７０と対向する面に溝１００が形成される。本実施形態では、２本の溝１００が形成されるが、本数は限定されない。溝１００は、両端が軸受パッド７６の端部まで延びている。溝１００は、回転方向上流側の端部１０２が、軸受パッド７６の回転方向上流側の面に開口している。溝１００は、回転方向下流側の端部１０４が、パッド７６の径方向外側の面に開口している。

ポンプ１２は、通路の分岐部６０と接続する供給流路６２を設けることで、スラスト軸受５０に対象油Ｑを供給することができる。これにより、他の潤滑油を供給する系統を設けずに、スラスト軸受５０に潤滑油を供給することができる。

ポンプ１２は、軸受パッド７６に溝１００を設けることで、隙間Ｇの突出部７０と対面部７２ａ、７４ａの対象油Ｑが、溝１００に沿って、端部１０２から端部１０４に流れる。対象油Ｑに固形物が含まれる場合、固形物は、他の部分よりも幅の広い溝１００に沿って移動しやすくなる。これにより、隙間Ｇに固形物が流入した場合も溝１００に沿って固形物を径方向外側の軸受パッド７６よりも外側に移動させることができる。これにより、固形物がパッド７６と突出部７０との隙間が狭い、パッド７６の表面の回転方向下流側の部分に移動することを抑制することができる。これにより、スラスト軸受５０に固形物が流入した場合も、径方向外側に排出でき、突出部７０と保持部７２、７４との間に固形物が噛みこむことを抑制することができる。これにより、スラスト軸受５０の損傷の可能性を低減することができ、スラスト軸受５０の寿命を長くすることができる。

また、本実施形態のように、軸受パッド７６の対面部７２ａ、７４ａの面を回転方向上流から下流に向けて、対面部７２ａ、７４ａに近づく形状とすることで、隙間Ｇに対象油Ｑが供給されることで生じる面圧を高くすることができ、スラスト方向の荷重をより好適に受けることができる。

また、本実施形態では、軸受パッド７６を保持部７２、７４に設け、対面部７２ａ、７４ａとしたが、これに限定されず、突出部７０の第１面７０ａ、第２面７０ｂに設けてもよい。この場合も、溝１００を軸受パッド７６に対して対象油Ｑが流入する側に、一方の開口を設け、他方の開口を径方向外側に設けることで、対象油Ｑに含まれる固形物を径方向外側に案内することができる。

また、スラスト軸受５０は、軸受パッド７６を軸方向の両面に設けることで、重力でロータ３０が鉛直方向下側に移動した場合も、ポンプ１２による圧力でロータ３０が鉛直方向上側に移動した場合もスラスト方向の荷重を受けることができる。

次に、図６は、スラスト軸受に対象油を供給する機構の他の例を示す断面図である。図７は、供給配管の構造を示す拡大断面図である。図６及び図７に示すポンプ１２ａは、固形物を対象油Ｑから除去する機構を除いて他の構成は樹本的に図１から図５に示すポンプ１２と同様である。

図６に示すポンプ１２ａは、供給配管６２に形成された溝１２０と、排出配管１２４と、を有する。溝１２０は、供給配管６２の径方向外側の面、つまり、ステータ３２の表面に形成されている。溝１２０は、ステータの円筒形状の内周面にらせん状に形成されている。溝１２０は、対象油Ｑに含まれ、通路３４に流入する固形物１３０よりも幅が大きい溝である。溝１２０は、両端が供給配管６２内で終端している。

排出配管１２４は、ステータ３２の内部に形成される配管である。排出配管１２４は、一方の端部である流入口１２４ａが溝１２０の鉛直方向下側の端部と接続し、他方の端部である排出口１２４ｂが供給配管６２の接続部よりも下流側となる通路５８に接続される。排出配管１２４は、ロータ３０の回転で対象油Ｑに作用する遠心力と、各位置との差圧により、流入口１２４ａから排出口１２４ｂに向かう流れが形成される。

図６及び図７に示すポンプ１２ａは、溝１２０を供給配管６２の径方向外側の面に設けることで、対象油Ｑに含まれ、ロータ３０の回転により、径方向外側の遠心力が作用することで、径方向外側に移動している固形物１３０を溝１２０で捕集することができる。また、溝１２０を螺旋形状とすることで、溝１２０で捕集した固形物１３０を対象油Ｑの流れ方向に沿って移動させることができる。これにより、本実施形態では、溝１２０の内部の固形物１３０を鉛直方向下側に移動させることができる。これにより、スラスト軸受５０に固形物１３０が流入する恐れを低減することができる。

また、排出配管１２４を設けることで、溝１２０で捕集した固形物１３０を、スラスト軸受５０に対象油Ｑを供給する位置よりも下流側に排出することができる。これにより、スラスト軸受５０に固形物１３０が流入する可能性を低減することができ、メンテナンスの頻度を低減することができる。

また、本実施形態では、供給配管６２に溝１２０を設けたが、これに限定されない。ポンプ１２ａは、固形物の流入を抑制したい対象領域よりも、対象油Ｑの流れ方向の上流側の位置で、ロータとステータとが向かい合っている位置であれば、溝１２０を設けることができる。例えば、通路３４の一部を、ロータ３０の内部ではなく、ロータ３０と、ステータ３２との間に設けた場合、通路３４のロータ３０と、ステータ３２との間で形成される領域に、溝１２０を設けてもよい。溝１２０が形成されている領域の対象油Ｑの流れ方向が鉛直方向上側に向かう流れの場合、排出配管１２４は、鉛直方向上側の端部に設けることが好ましい。また、排出配管１３０は、溝１２０の対象油Ｑの流れ方向下流側端部に設けることが好ましいが、これに限定されない。

図８は、スラスト軸受の他の例を示す概略構成図である。図８に示すように、スラスト軸受５０ａは、中心軸ＣＬの軸方向に多段に設けられてもよい。この構成では、スラスト軸受５０ａに対する荷重が中心軸ＣＬの軸方向に分散される。したがって、スラスト軸受５０ａの１つ当たりに作用する面圧を低減し、隙間Ｇを大きくすることが可能となる。このため、固形物を含む対象油Ｑを潤滑油として用いる構成では、突出部７０の第１面７０ａ、第２面７０ｂと、対面部７２ａ、７４ａとの間において固形物の噛み込みが低減され、長寿命化を図ることができる。

図９は、スラスト軸受の他の例を示す概略構成図である。図９に示すように、スラスト軸受５０ｂは、中心軸ＣＬの軸方向に多段に設けられる場合において、突出部７０と保持部７２、７４の少なくとも一方との間にバネ部７８が設けられてもよい。これにより、スラスト軸受５０ａの１つ当たりに作用する面圧の均一化を図ることができる。また、軸受パッド７６は、突出部７０に設けられている。

図８及び図９に示すように、スラスト軸受を多段に配置した場合、供給配管６２は、突出部７０の隙間毎に設けてもよいし、１つの突出部の隙間を通過した後、次の突出部の隙間に供給されるようにしてもよい。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、本実施形態のパットに溝１００を形成するスラスト軸受の構造と、供給配管６２に溝１２０を設ける構造を１つのポンプに適用してもよい。

２ 設置面
４ 油田
１０ 採油装置
１２ ポンプ
１４ 配管
１６ 地上設備
１８ 案内管
２０ ワイヤ
２２ ポンプ本体
２４ 連結部
２６ モータ
２８ 固定筒
２８ａ 内周面
２９ 電気ケーブル
３０ ロータ
３０ａ 外周
３２ ステータ
３４，５６，５８ 通路
４０ 永久磁石
４２ 電磁石
５０，５０ａ，５０ｂ スラスト軸受
６０ 分岐部
６２，６６ 供給配管
６２ａ 採油口
６２ｂ 供給口
６４、６４ａ フィルタ
７０ 突出部
７０ａ 第１面
７０ｂ 第２面
７０ｃ 側面
７２，７４ 保持部
７２ａ，７４ａ，７４ｂ 対面部
７６ 軸受パッド
７８ バネ部
１００ 溝
１０２、１０４ 端部
１２０ 溝
１２４ 排出配管
１２４ａ 流入口
１２４ｂ 排出口
１３０ 固形物
Ｇ 隙間
Ｑ 対象油

Claims (5)

1. 油田に繋がった配管の内部に配置され、貯留された対象油を所定の方向に送る油田用ポンプであって、
   回転部と、
   前記回転部の外周に配置された固定部と、
   前記回転部の内部に形成された部分と前記回転部と前記固定部との間に形成された部分が繋がり、前記対象油が流れる通路と、
   前記回転部と、固定部との軸方向の荷重を支持するスラスト軸受と、
   前記通路の対象油の一部を前記スラスト軸受に供給する供給配管と、を含み、
   前記スラスト軸受は、前記回転部の外周に固定され、前記回転部と一体で回転する突出部と、前記固定部に固定され、前記突出の軸方向の面と対面する対面部と、を含み、
   前記突出部と前記対面部との間に前記対象油が充填され、
   前記突出部は、前記対面部と対向する面に、回転方向上流側から下流側に向けて、径方向外側に移動し、下流側の端部が径方向外側に開口した溝が形成される油田用ポンプ。
2. 前記スラスト軸受は、前記突出部の前記対向面と対向する面に配置され、前記溝が形成されたパッドを有し、
   前記パッドは、前記回転方向下流側に向かって、前記対面部との距離が短くなる請求項１に記載の油田用ポンプ。
3. 油田に繋がった配管の内部に配置され、貯留された対象油を所定の方向に送る油田用ポンプであって、
   回転部と、
   前記回転部の外周に配置された固定部と、
   前記回転部の内部に形成された部分と前記回転部と前記固定物との間に形成された部分が繋がり、前記対象油が流れる通路と、
   前記回転部と、固定部との軸方向の荷重を支持するスラスト軸受と、
   前記通路の対象油の一部を前記スラスト軸受に供給する供給配管と、を含み、
   前記スラスト軸受よりも上流側の前記通路及び前記供給配管の少なくとも一方は、径方向外側にらせん状の溝が形成される油田用ポンプ。
4. 前記供給配管は、前記回転部と前記固定部との間に形成され、
   前記溝は、前記供給配管の前記固定部側の面に形成される請求項３に記載の油田用ポンプ。
5. 一方の端部が前記溝と接続し、他方の端部が前記通路の前記通路の前記供給配管の接続部よりも下流側に接続し、前記スラスト軸受に供給された対象油を、前記通路に排出する排出配管を備える請求項３または請求項４に記載の油田用ポンプ。

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