RU2211379C1

RU2211379C1 - Submersible pumping unit (versions)

Info

Publication number: RU2211379C1
Application number: RU2002120530A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Шенгур; А.Т. Куликов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Электон"
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2003-08-27

Abstract

FIELD: oil producing industry. SUBSTANCE: invention can be used in pumping units designed for lifting formation fluid with higher content of abrasives from oil wells. Proposed pumping unit contains kinematically intercoupled pumps. First pump is made in form of centrifugal pump which is mechanically coupled with shaft of common drive motor and is connected by suction branch pipe with well annulus and by delivery branch pipe, with suction branch pipe of second single-screw pump. Said single-screw pump is connected by delivery branch with pressure pipeline. Pumps are connected hydraulically in tandem. Rated delivery of centrifugal pump exceeds rated delivery of single-screw pump by valve of leaks in the latter, minimum. According to second design version, single- screw pump is installed first in pumping unit and centrifugal pump is second in turn. Pumps can be mechanically coupled by means of reduction gear. EFFECT: increased service life, enlarged range of control, provision of stability of delivery. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано для добычи из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. The invention relates to the field of hydraulic engineering and can be used for production from oil wells of formation fluid with a high content of abrasive particles.

Известна погружная насосная установка, содержащая одновинтовые насосы, подключенные кинематически последовательно к электродвигателю и образующие последовательную гидравлическую систему [1]. Known submersible pump installation containing single-screw pumps connected kinematically in series with an electric motor and forming a sequential hydraulic system [1].

Для данной насосной установки характерны низкая долговечность и нестабильность подачи при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости, содержащей абразивные частицы. This pump unit is characterized by low durability and instability of the feed when pumping formation fluid containing abrasive particles from oil wells.

Наиболее близким техническим решением является погружная насосная установка, содержащая два одновинтовых насоса, подключенных последовательно через редуктор к электродвигателю и образующих параллельную гидравлическую систему [2] . Повышение надежности достигается за счет значительного уменьшения частоты вращения ротора с помощью редуктора, а компенсация уменьшения подачи при этом достигается за счет использования параллельного включения двух одновинтовых насосов, что позволяет использовать ее только на низкодебитных скважинах. Недостатком указанной насосной установки является низкая долговечность и нестабильность подачи при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. The closest technical solution is a submersible pump installation, containing two single-screw pumps connected in series through a gearbox to an electric motor and forming a parallel hydraulic system [2]. Improving reliability is achieved by significantly reducing the rotor speed using a gearbox, while compensating for a decrease in supply is achieved by using the parallel connection of two single-screw pumps, which allows it to be used only in low-rate wells. The disadvantage of this pumping unit is the low durability and instability of the feed when pumping formation fluids with a high content of abrasive particles from oil wells.

Технической задачей изобретения является повышение долговечности, расширение диапазона регулирования подачи, стабильности подачи погружной насосной установки при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. An object of the invention is to increase durability, expand the range of feed control, feed stability of a submersible pump unit when pumping formation fluid with a high content of abrasive particles from oil wells.

Технический результат в первом варианте достигается тем, что в погружной насосной установке, содержащей кинематически связанные между собой насосы, первый из которых кинематически связан с валом общего приводного двигателя и соединен всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй выполнен в виде одновинтового насоса, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос выполнен в виде центробежного насоса и соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком одновинтового насоса, а номинальная подача центробежного насоса превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем. The technical result in the first embodiment is achieved by the fact that in a submersible pump installation containing kinematically connected pumps, the first of which is kinematically connected to the shaft of a common drive motor and connected by a suction pipe to the annulus of the well, and the second is made as a single screw pump connected by a pressure a nozzle with a pressure pipe, the pumps are connected hydraulically in series with the pipe, the first pump being made in the form of a centrifugal pump and connected to netatelnym nozzle with single-screw pump suction port, and the nominal supply centrifugal pump supply exceeds the nominal single-screw pump, at least by the amount of leakage in the latter.

Во втором варианте погружной насосной установки, содержащей кинематически связанные между собой насосы, первый из которых выполнен в виде одновинтового насоса, кинематически связанного с валом общего приводного двигателя и соединенного всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины, а второй соединен нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом, насосы соединены трубопроводом гидравлически последовательно, причем первый насос соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком второго насоса, а второй насос выполнен в виде центробежного насоса, номинальная подача которого превышает номинальную подачу одновинтового насоса, по меньшей мере, на величину протечек в последнем. In the second embodiment, a submersible pump installation containing kinematically connected pumps, the first of which is made in the form of a single-screw pump kinematically connected to the shaft of a common drive motor and connected by a suction pipe to the annulus of the well, and the second is connected by a discharge pipe to the pressure pipe, the pumps are connected the pipeline is hydraulically in series, the first pump being connected by the discharge pipe to the suction pipe of the second pump, and the second pump It executes a centrifugal pump, nominal delivery flow which exceeds the rated single-screw pump, at least by the amount of leakage in the latter.

В обоих вариантах исполнения насосы могут быть кинематически связаны между собой с помощью дополнительно установленного редуктора. In both versions, the pumps can be kinematically connected to each other using an additional gearbox.

Насосы одновинтовые содержат роторную систему, создающую при вращении и взаимодействии со статорной системой за счет вытеснения прокачиваемой жидкости рабочими органами соответствующие давление и подачу насоса. Одновинтовые насосы имеют "жесткую" характеристику Q_но - Р (см. фиг.3, кривая 1), то есть подача данных насосов Q_но, при прочих равных условиях, пропорциональна частоте вращения приводного двигателя. Коэффициент полезного действия одновинтовых насосов достигает 70-80%.Single-screw pumps contain a rotor system, which creates, when rotating and interacting with the stator system, due to the displacement of the pumped liquid by the working bodies, the corresponding pressure and pump flow. Single-screw pumps have a “rigid” characteristic Q _but - P (see Fig. 3, curve 1), that is, the supply of these pumps Q _but , ceteris paribus, is proportional to the speed of the drive motor. The efficiency of single-screw pumps reaches 70-80%.

Для создания больших давлений на выходе одновинтового насоса и обеспечения "жесткой" характеристики Q_но - Р, в паре ротор-статор данного насоса требуется обеспечить определенный натяг, что при перекачивании жидкостей, содержащих абразивные частицы, приводит к интенсивному износу в месте контакта пары "ротор-статор", и за счет возникновения протечек насосная установка в относительно короткий срок эксплуатации теряет свои первоначальные рабочие характеристики, т. е. падают коэффициент полезного действия и создаваемое насосом давление.To create high pressures at the output of a single-screw pump and ensure a “rigid” characteristic Q _no - P, a certain tightness is required in the rotor-stator pair of this pump, which, when pumping liquids containing abrasive particles, leads to intensive wear at the contact point of the rotor pair -stator ", and due to leakage, the pumping unit loses its initial operating characteristics in a relatively short period of operation, that is, the efficiency and pressure created by the pump fall.

Насос центробежный имеет "мягкую" характеристику Q_нц - Р (см. фиг.3, кривая 2), где Q_нц - подача, а Р - давление, развиваемое данным насосом, поэтому для создания высокого давления насос должен иметь большое количество рабочих колес и направляющих аппаратов.The centrifugal pump has a “soft” characteristic Q _nts - P (see Fig. 3, curve 2), where Q _nts is the supply and P is the pressure developed by this pump, therefore, to create high pressure, the pump must have a large number of impellers and guiding devices.

Давление, развиваемое центробежным насосом, создается путем превращения кинетической энергии потока жидкости в потенциальную в направляющих аппаратах и зависит от конструктивных особенностей рабочих колес, их количества, мощности приводного двигателя и, при прочих равных условиях, в кубической степени зависит от частоты вращения рабочего колеса. The pressure developed by a centrifugal pump is created by converting the kinetic energy of the fluid flow into potential in the guiding devices and depends on the design features of the impellers, their quantity, the power of the drive motor and, all other things being equal, to a cubic degree depends on the speed of the impeller.

Подача Q_нц центробежных насосов зависит от конструктивных особенностей рабочих колес и, при прочих равных условиях, в квадратной степени зависит от частоты вращения приводного двигателя.The supply of Q _NC centrifugal pumps depends on the design features of the impellers and, other things being equal, in a square degree depends on the speed of the drive motor.

При увеличении давления нагнетания критическое давление Р_кр.но, при котором одновинтовой насос еще работает эффективно, увеличивается в насосной установке на величину Р_изб., так как насосы гидравлически последовательно связаны между собой, (см. фиг.3, кривые 2 и 3, соответственно) и принимает значение Р_кр.ну..With an increase in the discharge pressure, the critical pressure P _cr , but at which the single-screw pump still works efficiently, increases in the pump unit by the value of P _h. , since the pumps are hydraulically sequentially interconnected, (see figure 3, curves 2 and 3, respectively) and takes the value P _cr.nu. .

Комбинация двух насосов, образующих последовательную гидравлическую систему, состоящую из насоса одновинтового и насоса центробежного, имеющего номинальную подачу, превышающую номинальную подачу одновинтового насоса, позволяет получить в обоих вариантах исполнения насосную установку, обладающую рядом дополнительных свойств: более широким диапазоном регулирования подачи, повышенной долговечностью и стабильностью подачи при добыче из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. The combination of two pumps forming a sequential hydraulic system, consisting of a single-screw pump and a centrifugal pump, having a nominal flow rate that exceeds the nominal flow of a single-screw pump, makes it possible to obtain in both versions a pump unit with a number of additional properties: a wider range of flow control, increased durability and the stability of the feed when producing reservoir oil from oil wells with a high content of abrasive particles.

Расширение диапазона регулирования подачи насосной установки в обоих вариантах исполнения достигается за счет обеспечения возможности увеличения частоты вращения приводного двигателя относительно номинальной, так как центробежный насос создает на входе (или на выходе) одновинтового насоса подпор (или разряжение), который позволяет допускать увеличенный зазор в паре ротор-статор одновинтового насоса без уменьшения подачи и тем самым позволяет увеличить долговечность одновинтового насоса и стабильность подачи насосной установки в целом. The extension of the supply control range of the pump installation in both versions is achieved by providing the possibility of increasing the speed of the drive motor relative to the nominal one, since the centrifugal pump creates a support (or vacuum) at the inlet (or outlet) of the single-screw pump, which allows an increased clearance in the pair rotor-stator of a single-screw pump without reducing the supply and thereby allows to increase the durability of the single-screw pump and the stability of the supply of the pump installation in scrap.

Центробежный насос в составе насосной установки позволяет увеличить долговечность одновинтового насоса в несколько раз. При этом сохраняется стабильность подачи в течение более длительного времени. Замена деталей одновинтового насоса, вышедших из строя в процессе эксплуатации, весьма дорогостоящая операция (за счет необходимости подъема погружного насоса из скважины), поэтому увеличение долговечности насосной установки в несколько раз существенно повышает экономическую эффективность эксплуатации скважины, что особенно актуально при добыче пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц. The centrifugal pump as part of the pumping unit allows you to increase the durability of a single-screw pump several times. This preserves the stability of the feed for a longer time. Replacing single-screw pump parts that fail during operation is a very expensive operation (due to the need to lift the submersible pump from the well), therefore, increasing the durability of the pump installation by several times significantly increases the economic efficiency of well operation, which is especially important when producing reservoir fluid with increased content of abrasive particles.

На фиг. 1 приведена структурная схема первого варианта исполнения погружной насосной установки. In FIG. 1 is a structural diagram of a first embodiment of a submersible pump installation.

На фиг. 2 приведена структурная схема второго варианта исполнения погружной насосной установки. In FIG. 2 shows a structural diagram of a second embodiment of a submersible pump installation.

На фиг. 3 приведены напорные характеристики центробежного насоса, одновинтового насоса и насосной установки. In FIG. Figure 3 shows the pressure characteristics of a centrifugal pump, a single screw pump, and a pump unit.

Заявляемая погружная насосная установка в первом варианте исполнения конструктивно состоит из следующих основных узлов (см. фиг.1): приводного электродвигателя 1, на валу которого жестко закреплен центробежный насос 2, соединенный всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины; одновинтового насоса 3, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом и жестко присоединенного к валу центробежного насоса 2 через редуктор 4; при этом одновинтовой насос 3 образует с центробежным насосом 2 последовательную гидравлическую систему, т.е. центробежный насос 2 соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком одновинтового насоса 3. The inventive submersible pump installation in the first embodiment is structurally composed of the following main units (see Fig. 1): a drive motor 1, on the shaft of which a centrifugal pump 2 is rigidly fixed, connected by a suction pipe to the annulus of the well; a single-screw pump 3 connected by a discharge pipe to a pressure pipe and rigidly attached to the shaft of a centrifugal pump 2 through a gearbox 4; in this case, the single-screw pump 3 forms a sequential hydraulic system with the centrifugal pump 2, i.e. a centrifugal pump 2 is connected by a discharge pipe to the suction pipe of a single-screw pump 3.

Насосная установка работает следующим образом. The pump installation operates as follows.

Оба насоса: центробежный насос 2 и одновинтовой насос 3 последовательно нагнетают в напорный трубопровод прокачиваемую жидкость. При этом подача центробежного насоса 2 больше подачи одновинтового насоса 3, а суммарная подача насосной установки будет определяться подачей одновинтового насоса 3. В гидравлическом тракте между центробежным насосом 2 и одновинтовым насосом 3 создается избыточное давление, которое компенсирует протечки одновинтового насоса 3, повышает его коэффициент полезного действия и позволяет уменьшить величину натяга и увеличить допустимый зазор в паре "ротор-статор". При этом диапазон регулирования подачи насосной установки при увеличении или уменьшении частоты вращения приводного двигателя увеличивается по сравнению с диапазоном регулирования подачи как одновинтового насоса (прототипа), так и насоса центробежного. Both pumps: a centrifugal pump 2 and a single-screw pump 3, sequentially pump the pumped liquid into the pressure pipe. In this case, the supply of the centrifugal pump 2 is greater than the supply of the single-screw pump 3, and the total supply of the pump installation will be determined by the supply of the single-screw pump 3. In the hydraulic path between the centrifugal pump 2 and the single-screw pump 3, excessive pressure is created that compensates for leakage of the single-screw pump 3, increases its useful coefficient action and allows you to reduce the amount of interference and increase the allowable gap in the pair of "rotor-stator". At the same time, the range of regulation of the supply of the pumping unit increases or decreases the speed of the drive motor compared to the range of regulation of the supply of both a single screw pump (prototype) and a centrifugal pump.

Во втором варианте исполнения заявляемая погружная насосная установка конструктивно состоит из следующих основных узлов (см. фиг.2):
приводного электродвигателя 1, на валу которого жестко закреплен одновинтовой насос 3, соединенный всасывающим патрубком с затрубным пространством скважины; центробежного насоса 2, соединенного нагнетательным патрубком с напорным трубопроводом и жестко присоединенного к валу одновинтового насоса 3 через редуктор 4. Одновинтовой насос 3 образует с центробежным насосом 2 последовательную гидравлическую систему, то есть одновинтовой насос 3 соединен нагнетательным патрубком с всасывающим патрубком центробежного насоса 2.In the second embodiment, the inventive submersible pumping unit structurally consists of the following main components (see figure 2):
a drive motor 1, on the shaft of which a single-screw pump 3 is rigidly fixed, connected by a suction pipe to the annulus of the well; a centrifugal pump 2 connected by a discharge pipe to a pressure pipe and rigidly attached to the shaft of a single-screw pump 3 through a reducer 4. A single-screw pump 3 forms a sequential hydraulic system with a centrifugal pump 2, that is, a single-screw pump 3 is connected by a discharge pipe with a suction pipe of a centrifugal pump 2.

Оба насоса: одновинтовой насос 3 и центробежный насос 2 последовательно нагнетают в напорный трубопровод прокачиваемую жидкость. При этом подача центробежного насоса 2 больше подачи одновинтового насоса 3, а суммарная подача насосной установки будет определяться подачей одновинтового насоса 3. В гидравлическом тракте между одновинтовым насосом 3 и центробежным насосом 2 создается разряжение, которое компенсирует протечки одновинтового насоса 3, повышает его коэффициент полезного действия и обеспечивает возможность уменьшения величины натяга и увеличения допустимого зазора в паре "ротор-статор". При этом диапазон регулирования подачи насосной установки при увеличении или уменьшении частоты вращения приводного двигателя увеличивается по сравнению с диапазоном регулирования подачи как одновинтового насоса (прототипа), так и насоса центробежного. Both pumps: a single screw pump 3 and a centrifugal pump 2 sequentially pump the pumped liquid into the pressure pipe. In this case, the supply of the centrifugal pump 2 is greater than the supply of the single-screw pump 3, and the total supply of the pump installation will be determined by the supply of the single-screw pump 3. In the hydraulic path between the single-screw pump 3 and the centrifugal pump 2, a vacuum is created that compensates for leakage of the single-screw pump 3, increases its efficiency and provides the opportunity to reduce the magnitude of the interference and increase the allowable gap in the pair of "rotor-stator". At the same time, the range of regulation of the supply of the pumping unit increases or decreases the speed of the drive motor compared to the range of regulation of the supply of both a single screw pump (prototype) and a centrifugal pump.

Частота вращения приводного двигателя в обоих вариантах исполнения насосной установки может регулироваться с помощью станции управления с частотным регулированием (см., например, Свидетельство на полезную модель 22843). The rotational speed of the drive motor in both versions of the pump installation can be controlled using a frequency-controlled control station (see, for example, Certificate for Utility Model 22843).

Повышенная долговечность и стабильность подачи погружной насосной установки при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц в обоих вариантах исполнения по сравнению с одновинтовыми насосами обеспечивается снижением давления, развиваемого одновинтовым насосом, и, следовательно, допускаемой величины натяга в паре "ротор-статор" за счет давления, развиваемого центробежным насосом. Для этого подача центробежного насоса при номинальной частоте вращения приводного двигателя должна превышать подачу насоса одновинтового при заданной частоте вращения. Increased durability and stability of the submersible pump installation when pumping formation fluid with an increased abrasive particle content from oil wells in both versions compared to single-screw pumps is ensured by a decrease in the pressure developed by a single-screw pump, and, therefore, the allowable interference value in the rotor-stator pair "due to the pressure developed by the centrifugal pump. For this, the feed of the centrifugal pump at the rated speed of the drive motor must exceed the feed of the single-screw pump at a given speed.

Таким образом, предлагаемая насосная установка обладает повышенной долговечностью и стабильной подачей при перекачивании из нефтяных скважин пластовой жидкости с повышенным содержанием абразивных частиц в течение длительного периода эксплуатации при обеспечении возможности регулирования подачи по сравнению с прототипом в более широком диапазоне. Thus, the proposed pump unit has increased durability and a stable supply when pumping formation fluid from an oil well with a high content of abrasive particles over a long period of operation while providing the ability to control the flow compared to the prototype in a wider range.

Источники информации
1. Патент US 4580955, 1986.Sources of information
1. Patent US 4580955, 1986.

2. Патент US 3802803, 1974 (прототип). 2. Patent US 3802803, 1974 (prototype).

Claims

1. Submersible pump installation containing kinematically connected pumps, the first of which is kinematically connected to the shaft of a common drive motor and connected by a suction pipe to the annulus of the well, and the second is made as a single screw pump connected by a discharge pipe to a pressure pipe, characterized in that the pumps are hydraulically connected by a pipeline, the first pump being in the form of a centrifugal pump and connected by a discharge pipe to a suction pipe single-screw pump tube, and the nominal feed of the centrifugal pump exceeds the nominal single-screw pump feed by at least the amount of leakage in the latter.

2. Submersible pumping station according to claim 1, characterized in that the pumps are kinematically connected with each other using an additional gearbox.

3. Submersible pump installation containing kinematically connected pumps, the first of which is made in the form of a single-screw pump, kinematically connected with the shaft of a common drive motor and connected by a suction pipe to the annulus of the well, and the second is connected by a discharge pipe with a pressure pipe, characterized in that the pumps are hydraulically connected by a pipeline, the first pump being connected by the discharge pipe to the suction pipe of the second pump, and the second by CO is made in the form of a centrifugal pump, the nominal flow rate of which exceeds the nominal flow rate of a single-screw pump, at least by the amount of leakage in the latter.

4. Submersible pump installation according to p. 3, characterized in that the pumps are kinematically connected to each other using an additional gearbox.