RU2197643C2 - Центробежный секционный насос для подъема жидкости из скважин - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к конструкциям центробежных многосекционных насосов для подъема нефти из скважин, в частности их межсекционных соединений. Центробежный секционный насос содержит две сочленяемые секции, каждая из которых выполнена в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены рабочие органы и вал, установленный с возможностью вращения и ограниченного осевого перемещения, причем на цилиндрическом корпусе одной из секций закреплена головка, а на цилиндрическом корпусе другой секции закреплено основание. Концевая часть головки выполнена охватывающей, а концевая часть основания выполнена охватываемой. Охватываемая часть основания снабжена буртом, имеющим коническую и две цилиндрические поверхности, соединяемые в процессе сборки соединения с соответствующими поверхностями охватывающей концевой части, цилиндрические поверхности которой разделены кольцевым пазом из двух канавок, в первой из которых, большего диаметра, установлен промежуточный стопорный элемент в виде разрезного пружинного кольца или тора и предназначен для размещения между вогнутой поверхностью бурта и поверхностью второй закругленной канавки, меньшего диаметра. Изобретение направлено на обеспечение возможности выполнения бесфланцевого соединения цилиндрических трубчатых корпусов секций с повышением надежности работы погружного оборудования, улучшение качества соединения при снижении стоимости и сокращении продолжительности выполнения монтажно-демонтажных работ. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к насосостроению, предназначено для соединения секций и узлов насоса и может быть использовано в конструкциях центробежных многосекционных насосов, предназначенных для подъема жидкости, преимущественно нефти, из скважин.

Известен погружной центробежный насос для добычи нефти из скважин [1], состоящий из нескольких последовательно соединенных секций, или модуль-секций. Для обеспечения герметичного соединения между собой корпуса секций снабжены фланцами с центрирующими буртиками и уплотнениями, скрепляемыми при помощи болтов или шпилек. При этом валы секций снабжены осевыми опорами и фиксированы в осевом направлении.

Недостаток известной конструкции заключается в том, что при спусках погружного насоса в скважину, особенно имеющую искривленные участки, болты или шпильки, соединяющие фланцы, подвергаются значительным растягивающим нагрузкам и деформациям, которые приводят к ослаблению соединения. По мере износа деталей при работе погружного насоса возникают вибрации, под действием которых болты часто обрываются или развинчиваются, и оборудование падает на забой скважины. Ликвидация такой аварии связана со значительными материальными затратами, простоями скважины и потерями нефти. Кроме того, при проведении операций монтажа и демонтажа резьбовые участки соединения снашиваются, что приводит к снижению надежности всего соединения.

К недостаткам известного соединения относятся также высокая длительность монтажа-демонтажа секций, связанная с необходимостью завинчивания и развинчивания крепежных деталей, что нежелательно, особенно при выполнении работ в условиях непогоды или пониженной температуры.

Недостатком известной конструкции соединения является также ограниченный вылет нижнего шлицевого конца вала секции относительно соединительного фланца, затрудняющий сочленение вала верхней секции со шлицевой муфтой на валу нижней секции. Указанный недостаток связан с тем, что расположение вала на осевой опоре является строго фиксированным.

Известен также погружной центробежный насос для добычи нефти из скважин [2], аналогичный по конструкции указанному выше насосу, но отличающийся тем, что вал секции не зафиксирован в осевом направлении.

Указанный насос обладает тем преимуществом, что вал насоса подвижен в осевом направлении в ограниченных пределах. Вместе с тем, данному насосу присущи те же недостатки, что и насосу, описанному ранее.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является погружной центробежный секционный электронасос [3], содержащий секции, соединяемые последовательно при помощи фланцев. Нижний фланец каждой верхней секции данного насоса выполнен с пазом, в котором установлена, с возможностью перемещения, верхняя часть фиксирующей планки со стопорным винтом, нижний фланец каждой верхней секции снабжен хвостовиком, имеющим два центрирующих пояска с уплотнительными элементами, между которыми размещены кулачки, выполненные в виде сегментов, и упоры в виде штифтов, расположенные выше кулачков, в верхнем фланце каждой нижней секции выполнены две центрирующие расточки, между последними размещен упорный бурт, в котором выполнены пазы, обеспечивающие осевое перемещение кулачков верхней секции и поворот их под упорным буртом, а на внешней поверхности фланца - фиксирующий паз, имеющий размеры, соответствующие размерам нижней части планки, и указанная часть планки размещена в фиксирующем пазу. Такая конструкция соединения насосных секций имеет следующие недостатки:
1. При сочленении секций оператор не видит нижний шлицевый конец вала верхней секции и шлицевую муфту вала нижней секции, что существенно снижает вероятность правильного сочленения шлицевого соединения валов.

2. Осевая фиксация секций осуществляется после выполнения поворота верхней секции относительно нижней. При этом бурт фланца верхней секции должен "войти" под опорный бурт фланца нижней секции. Выполнение данной операции также сопряжено с определенными трудностями, так как работы проводятся "на весу", в результате чего из-за несоосности сочленяемых секций в большинстве случаев формируется незначительный осевой зазор между буртами фланцев.

Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и долговечности насоса и сокращение продолжительности и стоимости монтажно-демонтажных работ.

Техническим результатом предложенного насоса является повышение надежности и качества соединения за счет перераспределения нагрузок на концевые корпусные элементы соединения с обеспечением сокращения трудозатрат и продолжительности выполнения монтажных и демонтажных операций. Кроме того, заявленное изобретение обеспечивает повышение срока службы соединения.

Для достижения технического результата в центробежном секционном насосе, содержащем, по крайней мере, две сочленяемые секции, каждая из которых выполнена в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены рабочие органы и вал, установленный с возможностью вращения и ограниченного осевого перемещения, причем на цилиндрическом корпусе одной из секций закреплена головка, а на цилиндрическом корпусе другой секции закреплено основание, согласно предложенного изобретения, по крайней мере, часть внутренней поверхности выполненного охватываемым основания образована первой и второй цилиндрическими поверхностями, сопряженными между собой посредством бурта, причем внешний диаметр первой цилиндрической поверхности основания меньше внешнего диаметра второй цилиндрической поверхности основания, первая цилиндрическая поверхность основания сопряжена с первым краем конической поверхности бурта, имеющим сечение с диаметром меньшим, чем диаметр сечения второго края конической поверхности бурта, сопряженного с первым краем цилиндрической поверхности бурта, второй край которой сопряжен с первым краем вогнутой поверхности бурта, второй край которой сопряжен с краем второй цилиндрической поверхности, сопряженной со второй секцией корпуса, а, по крайней мере, часть внешней поверхности, выполненной охватывающей, головки образована цилиндрическими поверхностями, первая из которых, имеющая радиус больший, чем внутренний радиус второй цилиндрической поверхности головки, сопряжена с первым краем закругленной канавки, глубина которой меньше толщины промежуточного стопорного элемента, второй край закругленной канавки сопряжен с первым краем дополнительной канавки, глубина которой больше толщины промежуточного стопорного элемента, а второй край дополнительной канавки сопряжен с краем второй цилиндрической поверхности головки, сопряженной с первой секцией, причем, промежуточный стопорный элемент, выполненный упругим, предназначен для размещения между вогнутой поверхностью бурта и поверхностью закругленной канавки.

Возможно такое выполнение центробежного секционного насоса, при котором вогнутая поверхность бурта и закругленная канавка выполнены таким образом, что величины их диаметров скругления, лежащих в плоскости, в которой лежит продольная ось насоса, большие, либо равны толщине промежуточного стопорного элемента, равной диаметру сечения материала, из которого изготовлен стопор.

Внешняя поверхность концевой части основания снабжена резьбовым участком для установки гайки, обеспечивающей фиксацию головки относительно основания при механическом контакте торца гайки с торцевой поверхностью головки корпуса и возможность демонтажа соединения при помощи диаметрально разрезной втулки, выполненной в виде двух полувтулок.

Для предотвращения возможности поворота головки относительно основания концевая часть головки выполнена со шлицами, взаимно соответствующими шлицам, выполненным в основании.

На цилиндрической поверхности основания могут быть выполнены канавки, предназначенные для установки уплотнительных элементов, входящих в соприкосновение со второй цилиндрической поверхностью головки.

Центробежный насос может быть выполнен таким образом, что внутренний диаметр первой цилиндрической поверхности головки больше диаметра цилиндрической поверхности бурта.

Возможно выполнение центробежного насоса так, что промежуточный стопорный элемент может быть выполнен в виде тора, разрезанного по плоскости, в которой лежит ось вращения тора.

Центробежный насос, выполненный таким образом, что промежуточный стопорный элемент может быть изготовлен из пружинящего материала.

Сущность заявленного насоса поясняется чертежами, где:
На фиг.1 изображен двухсекционный насос в собранном состоянии.

На фиг. 2 изображены концевые части основания верхней секции и головки нижней секции перед их сочленением.

На фиг.3 показан разрез соединения секций в рабочем положении.

На фиг. 4 изображено приспособление в виде двух полувтулок, применяемых при демонтаже соединения секций.

Центробежный электронасос (фиг. 1) погружается в скважину на трубах и содержит, по крайней мере, две секции (или модуля). Нижняя 1 и верхняя 2 секции соединены последовательно между собой согласно настоящему изобретению.

Каждая секция насоса содержит полый цилиндрический корпус 3, внутри которого размещены направляющие аппараты (не показаны). На торцах корпусов 3 расположены замыкающие детали, в частности, головка 4 и основание 5, служащие для соединения секций (модулей).

В каждом корпусе 3 (фиг.2) расположен вал 6, на котором установлены рабочие колеса (не показаны). Валы 6 нижней 1 и верхней 2 секций соединены при помощи шлицевой муфты 7, выполненной с поперечным штифтом 8. Вал 6 верхней секции 2 не зафиксирован в определенном положении и выполнен с возможностью перемещения в ограниченных пределах в осевых направлениях так, чтоб нижний шлицевый конец 9 имел способность выступать за торец основания 5 верхней секции 2 до сочленения со шлицевой муфтой 7. Вал 6 нижней секции 1 зафиксирован в определенном положении так, что торец шлицевой муфты 7 выступает над торцом головки 4 нижней секции 1. Указанное расположение нижнего конца 9 вала 6 и муфты 7 обеспечивает возможность легкого соединения вала 6 с муфтой 7.

Концевая часть основания 5 верхней секции 2 является охватываемой, а концевая часть головки 4 нижней секции 1 - охватывающей.

Концевая часть основания 5 содержит шлицы 10, первую цилиндрическую поверхность 11, выполненную с канавкой, в которой размещается уплотнительное кольцо 12, бурт 13, вторую цилиндрическую поверхность 14 и наружный резьбовой участок 15. При этом наружный диаметр шлицев 10 меньше наружного диаметра поверхности 11, первая цилиндрическая поверхность 11 соединена с буртом 13 при помощи конуса 16, а бурт 13 имеет цилиндрическую часть, сопряженную со второй цилиндрической поверхностью 14 посредством скругления 17.

Концевая часть головки 4 нижней секции 1 содержит шлицы 18, первую 19, вторую 20 и третью 21 цилиндрические поверхности. Первая цилиндрическая поверхность 19 сопряжена со второй цилиндрической поверхностью 20 посредством конусной поверхности 22, а вторая цилиндрическая поверхность 20 сопряжена с третьей цилиндрической поверхностью 21 посредством двух кольцевых канавок: большего диаметра 23 и меньшего диаметра 24. В канавке 23 расположен упругий стопор 25, выполненный, например, в виде разрезного кольца, круглого в поперечном сечении, с диаметром, условно обозначенным d, равным толщине промежуточного стопорного элемента. Предпочтительно выполнение упругого стопора из пружинящего материала.

Размеры показанных на фиг.2 элементов концевой части головки 4 связаны с размерами элементов концевой части основания 5 следующими соотношениями:
- шлицы 18 и 10 выполнены по размерам стандартного шлицевого соединения;
- цилиндрическая поверхность 19 и цилиндрическая поверхность 11 выполнены таким образом, что зазор между указанными поверхностями в собранном состоянии обеспечивает герметичность уплотнительного кольца 12 и соосность головки 4 и основания 5;
- внутренняя поверхность конуса 22 практически повторяет внешнюю поверхность конуса 16 в пределах допуска механической обработки с обеспечением возможности сборки соединения;
- диаметры цилиндрических поверхностей 20 и 21 выполнены соответствующими наружному диаметру цилиндрической поверхности бурта 13 с обеспечением их свободного перемещения по бурту 13;
- внешний диаметр канавки 23 больше наружного диаметра цилиндрической поверхности бурта 13 не менее чем на 2d (где d - диаметр стопора, равный толщине промежуточного стопорного элемента 25), в общем случае, диаметр d определяется как диаметр проволоки, из которой выполнен промежуточный стопорный элемент;
- диаметр канавки 24 больше наружного диаметра цилиндрической поверхности 14 не менее чем на 2d;
- длина канавок 23 и 24 выполнена равной или больше d стопора, в частности, равной толщине промежуточного стопорного элемента 25;
- радиус скругления канавки 24 выполнен меньшим или равным 0,5d;
- внутренний диаметр стопора 25 меньше или равен наружному диаметру цилиндрической поверхности 14.

На резьбовом участке 15 основания 5 установлен фиксирующий элемент, например, гайка 26 с пазами 27 "под ключ", с обеспечением (фиг.3) возможности механического контакта нижнего торца фиксирующего элемента с торцом головки 4 или торцом 28 приспособления, состоящего (фиг.4) из двух половин 29 разрезной втулки, у которой наружный диаметр 30 меньше или равен диаметру цилиндрической поверхности 21 головки 4, а внутренний диаметр 31 больше или равен наружному диаметру цилиндрической поверхности 14 основания 5, а фаска 32 выполнена под углом, меньшим или равным 20^o, причем длина полувтулок 29 меньше или равна расстоянию между торцами головки 4 и резьбового участка 15 на основании 5 в рабочем положении соединения секций заявленного насоса (фиг.3).

Соединение секций заявленного насоса осуществляют в следующей последовательности.

Нижняя секция 1 устанавливается (фиг.2) на устье скважины, а верхняя секция 2 вывешивается вертикально над нижней секцией и плавно опускается, при этом поочередно:
- сочленяются нижний шлицевой конец 9 вала 6 со шлицевой муфтой 7, таким образом, что в момент контакта данных элементов оператор видит указанные элементы и способен обеспечить правильное соединение вала 6 и муфты 7;
- шлицевой конец 9 вала 6 перемещается по шлицам муфты 7 до упора в поперечный штифт 8;
- цилиндрическая поверхность 11 вместе с уплотнительным кольцом 12 входит в цилиндрическую поверхность 19, обеспечивая соосность основания 5 с головкой 4 и герметичность соединения;
- шлицы 10 входят в шлицы 18, обеспечивая невозможность проворота основания 5 относительно головки 4;
- бурт 13 входит в цилиндрическую поверхность 21, а конус 16 смещает стопор 25 до упора в нижний торец канавки 23, при этом конус 16 и бурт 13 раздвигают упругий стопор 25 и смещают его в канавку 23;
- конус 16 "садится" на ответный конус 22, и движение верхней секции 2 прекращается, при этом упругий стопор 25 защелкивается на цилиндрической поверхности 14.

Далее верхняя секция 2 приподнимается, скругление 17 захватывает стопор 25 и поднимает его до упора в скругление верхнего торца канавки 24. После этого осуществляется окончательная фиксация соединения, для чего:
- осуществляется дальнейший подъем верхней секции 2, стопор 25 закрепляется между скруглениями 17 и канавкой 24, что обеспечивает подъем нижней секции 1;
- затем, при помощи ключа гайка 26 вывертывается до тех пор, пока ее нижний торец не придет в соприкосновение с определенной силой нажатия с торцом головки 4 (как показано на фиг.3), что обеспечивает жесткую фиксацию соединения секций.

Разборка соединения секций заявленного насоса осуществляется следующим образом:
- в положении "на весу" отворачивается гайка 26 до тех пор, пока ее верхний торец не упрется в торец основания 5, расположенного над гайкой;
- две полувтулки разрезной втулки 29 накладываются на цилиндрическую поверхность 14 и сдвигаются в зазор между поверхностью 21 и поверхностью 14;
- затем, нижняя секция 1 устанавливается на устье скважины, а верхняя секция 2 опускается до упора конуса 16 до ответного конуса 22, при этом нижний торец резьбового участка 15 давит на верхний торец 28 полувтулок разрезной втулки 29, снабженных фаской 32, смещает их вниз, а половины стопора 25 перемещаются по фаске, в результате чего упругий стопор 25 раздвигается и перемещается на цилиндрическую поверхность 30 полувтулок 29, в процессе чего стопор 25 задвигается в канавку 23;
- затем, гайка 26 отворачивается вниз до соприкосновения ее нижнего торца с верхним торцом 28 полувтулок 29, в результате чего фиксируется положение полувтулок 29 и стопора 25;
- затем, верхняя секция 2 поднимается над нижней секцией 1, секции беспрепятственно разъединяются.

Заявленная конструкция центробежного насоса для добычи нефти из скважин, преимущественно многосекционного, решает задачу повышения эксплуатационной надежности и долговечности работы насоса и сокращения продолжительности и стоимости монтажно-демонтажных работ. По сравнению с ближайшим аналогом заявленный насос обладает рядом преимуществ. Соединение валов открыто для обзора, также исключается необходимость выполнения поворота для захвата соединяемых частей, что особенно важно, когда все операции выполняются "на весу". Еще одним достоинством заявляемого соединения является то, что оно может быть применено для соединения узлов погружных агрегатов.

Проведенные на предприятии, а также в промысловых условиях испытания подтвердили эффективность и надежность заявляемой конструкции насоса.

Источники информации
1. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. М. , 1999, изд. "Наука и Техника", Фирма ИНТАК, МФ "Технонефтегаз", с.92-93, рис.2.1.

2. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. М., 1999, с.237, рис.2.146.

3. Патент РФ 2030643, F 04 D 13/10, 29/62, публ. 1995.

Claims (8)

1. Центробежный секционный насос, содержащий, по крайней мере, две сочленяемые секции, каждая из которых выполнена в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены рабочие органы и вал, установленный с возможностью вращения и ограниченного осевого перемещения, причем на цилиндрическом корпусе одной из секций закреплена головка, а на цилиндрическом корпусе другой секции закреплено основание, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть внутренней поверхности выполненного охватываемым основания образована первой и второй цилиндрическими поверхностями, сопряженными между собой посредством бурта, причем внешний диаметр первой цилиндрической поверхности основания меньше внешнего диаметра второй цилиндрической поверхности основания, первая цилиндрическая поверхность основания сопряжена с первым краем конической поверхности бурта, имеющим сечение с диаметром меньшим, чем диаметр сечения второго края конической поверхности бурта, сопряженного с первым краем цилиндрической поверхности бурта, второй край которой сопряжен с первым краем вогнутой поверхности бурта, второй край которой сопряжен с краем второй цилиндрической поверхности, сопряженной со второй секцией корпуса, а, по крайней мере, часть внешней поверхности выполненной охватывающей головки образована цилиндрическими поверхностями, первая из которых, имеющая внутренний радиус больший, чем внутренний радиус второй цилиндрической поверхности головки, сопряжена с первым краем закругленной канавки, глубина которой меньше толщины промежуточного стопорного элемента, второй край закругленной канавки сопряжен с первым краем дополнительной канавки, глубина которой больше толщины промежуточного стопорного элемента, а второй край дополнительной канавки сопряжен с краем второй цилиндрической поверхности головки, сопряженной с первой секцией, причем промежуточный стопорный элемент, выполненный упругим, размещен между вогнутой поверхностью бурта и поверхностью закругленной канавки.

2. Центробежный насос по п. 1, отличающийся тем, что вогнутая поверхность бурта и закругленная канавка выполнены таким образом, что величины их диаметров скругления, лежащих в плоскости, в которой лежит продольная ось погружного центробежного насоса, меньше либо равны толщине промежуточного стопорного элемента.

3. Центробежный насос по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на внешней поверхности основания выполнен резьбовой участок с установленной на нем гайкой, выполненной обеспечивающей фиксацию головки относительно основания при механическом контакте торца гайки с торцевой частью головки.

4. Центробежный электронасос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что головка выполнена со шлицами, соответствующими шлицам, выполненным в основании, выполненными предотвращающими возможность вращения головки относительно основания.

5. Центробежный электронасос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на цилиндрической поверхности основания выполнены канавки, предназначенные для установки уплотнительных элементов, входящих в соприкосновение с цилиндрической поверхностью головки.

6. Центробежный насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что внутренний диаметр первой цилиндрической поверхности головки больше диаметра цилиндрической поверхности бурта.

7. Центробежный насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что промежуточный стопорный элемент выполнен в виде тора, разрезанного по плоскости, в которой лежит ось вращения тора.

8. Центробежный насос по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что промежуточный стопорный элемент выполнен из пружинящего материала.

Images