RU2380578C1

RU2380578C1 - Stage of downhole centrifugal pump for oil production

Info

Publication number: RU2380578C1
Application number: RU2008124901/06A
Authority: RU
Inventors: Артем Савельевич Говберг (RU); Артем Савельевич Говберг; Владимир Витальевич Герасимов (RU); Владимир Витальевич Герасимов
Original assignee: Центр Разработки Нефтедобывающего Оборудования (Црно)
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-01-27
Also published as: RU2008124901A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed stage comprises impeller, diffuser and at least one disperser. The latter is driven by pump shaft and arranged in the stage flow section, right between the impeller upper plate and diffuser lower plate. Note here that the disperser comprises at least two lines of radial blades. Note also that midlines of the blades in every line are located between those of the other blades in other lines in axial projection.

EFFECT: increased maximum amount of free gas at pump inlet without notable decrease in efficiency, delivery and axial size of stage and pump.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению, а именно к погружным скважинным электроцентробежным насосам (ЭЦН), предназначенным для перекачивания пластовой жидкости с повышенным содержанием свободного газа.The invention relates to pump engineering, and in particular to submersible borehole electric centrifugal pumps (ESP), designed for pumping formation fluid with a high content of free gas.

Известен погружной центробежный многоступенчатый насос для добычи нефти (см. патент RU 2192560 С2, 10.11.2002), содержащий корпус, внутри которого размещены, по меньшей мере, две ступени напорного типа, включающие в себя рабочее колесо и направляющий аппарат. На валу насоса установлены диспергирующие рабочие колеса, образующие совместно с соответствующими направляющими аппаратами ступени перемешивающего типа, расположенные между ступенями напорного типа (см., в частности, Фиг.3-5, пункт 8 формулы изобретения).Known submersible centrifugal multistage pump for oil production (see patent RU 2192560 C2, 10.11.2002), comprising a housing, inside of which at least two pressure type stages are placed, including an impeller and a guide apparatus. Dispersing impellers are installed on the pump shaft, forming, together with the corresponding guide vanes, mixing-type steps located between pressure-type steps (see, in particular, FIGS. 3-5, paragraph 8 of the claims).

Основным недостатком аналога является снижение напора и КПД насосной секции или увеличение ее осевого габарита, связанное с наличием дополнительных ступеней перемешивающего типа, а также снижение эффективности диспергации газовой фазы на входе в рабочее колесо вследствие обратного укрупнения газовых пузырей при прохождении газожидкостной смеси через каналы направляющего аппарата напорной ступени.The main disadvantage of the analogue is a decrease in the head and efficiency of the pump section or an increase in its axial dimension due to the presence of additional mixing stages, as well as a decrease in the dispersion efficiency of the gas phase at the impeller inlet due to the backward enlargement of gas bubbles when the gas-liquid mixture passes through the channels of the pressure head steps.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом) является ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса для добычи нефти, описанная в патенте RU 2293218 С2, 10.02.2007, включающая в себя рабочее колесо и направляющий аппарат, при этом рабочее колесо содержит ступицу, предназначенную для закрепления рабочего колеса на валу насоса, и жестко связанный со ступицей ведущий диск, на нижней стороне которого расположены рабочие лопасти, соединенные с ведомым диском рабочего колеса, а направляющий аппарат представляет собой составной стакан с верхним диском, выполненным с возможностью установки ведомого диска рабочего колеса, на нижней стороне верхнего диска направляющего аппарата расположены лопатки, соединенные с нижним диском, который выполнен с отверстием для размещения вала насоса. На валу насоса между ступицей рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата установлено дополнительное рабочее колесо в виде шнека. В описанном техническом решении по утверждению авторов обеспечивается помимо прочего перемешивание жидкости с газовыми включениями и диспергация газовых пузырей в перекачиваемой жидкости, что должно повышать стабильность работы насоса в многокомпонентных газожидкостных средах.The closest analogue of the claimed invention (prototype) is the stage of a submersible centrifugal multistage pump for oil production, described in patent RU 2293218 C2, 02/10/2007, including an impeller and a guide apparatus, while the impeller contains a hub designed to secure the impeller on the pump shaft, and a drive disk rigidly connected with the hub, on the lower side of which there are working blades connected to the driven disk of the impeller, and the guide apparatus is a a flask with an upper disk, made with the possibility of installing a driven disk of the impeller, on the lower side of the upper disk of the guide vane are blades connected to the lower disk, which is made with an opening for accommodating the pump shaft. An additional impeller in the form of a screw is installed on the pump shaft between the impeller hub and the lower disk of the guide vane. According to the authors, the described technical solution provides, among other things, mixing of liquid with gas inclusions and dispersion of gas bubbles in the pumped liquid, which should increase the stability of the pump in multicomponent gas-liquid media.

Основным недостатком прототипа является малая эффективность диспергации газовых пузырей, вследствие чего реального повышения допустимого газосодержания на входе насоса описанной выше конструкции по сравнению с насосом обычной конструкции не выявлено.The main disadvantage of the prototype is the low efficiency of the dispersion of gas bubbles, as a result of which a real increase in the allowable gas content at the inlet of the pump of the above construction compared to the pump of a conventional design is not revealed.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании погружного центробежного многоступенчатого насоса для добычи нефти, предназначенного для работы в скважинах с содержанием свободного газа в пластовой жидкости до 60% на входе насоса.Thus, the problem to which the present invention is directed, is to create a submersible centrifugal multistage pump for oil production, designed to work in wells with a free gas content in the reservoir fluid of up to 60% at the pump inlet.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении предельного содержания свободного газа на входе насоса без существенного снижения КПД, подачи и осевого габарита ступени и насоса в целом.The technical result achieved during the implementation of the invention is to increase the maximum free gas content at the pump inlet without significantly reducing the efficiency, supply and axial dimension of the stage and the pump as a whole.

Ступень погружного центробежного многоступенчатого насоса для добычи нефти, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, включает в себя рабочее колесо и направляющий аппарат. Рабочее колесо содержит ступицу, предназначенную для закрепления рабочего колеса на валу насоса, и жестко связанный со ступицей ведущий диск, на нижней стороне которого расположены рабочие лопасти, соединенные с ведомым диском рабочего колеса. Направляющий аппарат представляет собой стакан с верхним диском, выполненным с возможностью установки ведомого диска рабочего колеса, на нижней стороне верхнего диска направляющего аппарата расположены лопатки, соединенные с нижним диском, который выполнен с отверстием для размещения вала насоса. Ступень включает в себя, по меньшей мере, один диспергирующий орган, приводимый во вращение валом насоса и расположенный в проточной части ступени между верхним диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата. При этом в отличие от прототипа диспергирующий орган содержит, по меньшей мере, два ряда радиальных лопастей, а средние линии лопастей каждого ряда расположены между средними линиями лопастей других рядов в осевой проекции.The step of a submersible centrifugal multistage pump for oil production, ensuring the achievement of the above technical result, includes an impeller and a guiding apparatus. The impeller contains a hub for fixing the impeller to the pump shaft, and a drive disk rigidly connected to the hub, on the lower side of which there are impellers connected to the driven disk of the impeller. The guide apparatus is a glass with an upper disk made with the possibility of installing a driven disk of the impeller, on the lower side of the upper disk of the guide apparatus are blades connected to the lower disk, which is made with a hole for accommodating the pump shaft. The stage includes at least one dispersing member driven by the pump shaft and located in the flow part of the stage between the upper impeller disk and the lower disk of the guide vane. In this case, in contrast to the prototype, the dispersing body contains at least two rows of radial blades, and the middle lines of the blades of each row are located between the middle lines of the blades of other rows in axial projection.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, диспергирующий орган представляет собой закрепляемое на валу центробежное колесо, на ступице которого расположены ряды радиальных лопастей.In addition, in the particular case of the invention, the dispersing body is a centrifugal wheel fixed to the shaft, on the hub of which there are rows of radial blades.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, диспергирующий орган включает в себя, по меньшей мере, два закрепляемых на валу центробежных колеса, на ступице каждого из которых выполнен один ряд радиальных лопастей.In addition, in the particular case of the invention, the dispersing body includes at least two centrifugal wheels fixed to the shaft, on the hub of each of which one row of radial blades is made.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, радиальные лопасти, образующие диспергирующий орган, выполнены в нижней части ступицы рабочего колеса.In addition, in the particular case of the invention, the radial blades forming the dispersing body are made in the lower part of the impeller hub.

Наличие диспергирующего органа с радиальными лопастями между верхним диском рабочего колеса и нижним диском направляющего аппарата позволяет осуществлять эффективную диспергацию свободного газа в смеси непосредственно перед входом в рабочее колесо, где обычно происходит срыв подачи. Диспергирующие лопасти осуществляют превращение газожидкостной смеси в мелкодисперсную структуру, что существенно снижает вероятность срыва подач, при этом диспергированная газожидкостная смесь подается на вход рабочего колеса, минуя переходные узлы (направляющий аппарат и пр.), где возможно обратное укрупнение газовых пузырей.The presence of a dispersing body with radial blades between the upper disk of the impeller and the lower disk of the guide vane allows for effective dispersion of free gas in the mixture immediately before the entrance to the impeller, where the feed usually breaks down. The dispersing blades transform the gas-liquid mixture into a finely dispersed structure, which significantly reduces the likelihood of a feed failure, while the dispersed gas-liquid mixture is fed to the impeller inlet, bypassing the transition nodes (guiding apparatus, etc.), where gas bubbles can be enlarged again.

При этом диспергирующие лопасти оказываются размещены в наиболее узком сечении проточной части ступени, однако размещение лопастей в несколько рядов, расположенных с поворотом относительно друг друга и с относительно небольшим количеством лопастей в каждом ряду (количество лопаток в каждом ряду равно числу лопастей, которое необходимо для обеспечения требуемой степени диспергации смеси, разделенному на число рядов лопастей, оптимально - две или три) позволяет уменьшить общее гидравлическое сопротивление и снизить до минимума потери в КПД и подаче насоса при сохранении эффективности диспергации, соответствующей одному ряду лопастей с большим числом лопастей. Кроме того, наличие нескольких рядов последовательно расположенных диспергирующих лопастей обеспечивает дополнительное повышение эффективности диспергации за счет увеличения суммарного объема зон дробления пузырей газа на единице длины диспергирующей части ступени.In this case, the dispersing blades are located in the narrowest section of the flowing part of the stage, however, the blades are placed in several rows arranged with rotation relative to each other and with a relatively small number of blades in each row (the number of blades in each row is equal to the number of blades that is necessary to ensure the required degree of dispersion of the mixture, divided by the number of rows of blades, optimally - two or three) allows you to reduce the total hydraulic resistance and minimize losses in Efficiency and supply of the pump while maintaining the dispersion efficiency corresponding to one row of blades with a large number of blades. In addition, the presence of several rows of dispersing blades arranged in series provides an additional increase in the dispersion efficiency by increasing the total volume of crushing zones of gas bubbles per unit length of the dispersing part of the stage.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции и действия погружного центробежного многоступенчатого насоса для добычи нефти со ступенями, выполненными в соответствии с настоящим изобретением, сопровождаемым графическими материалами, на которых изображено следующее.The possibility of carrying out the invention, characterized by the above set of features, is confirmed by the description of the design and operation of a submersible centrifugal multistage pump for oil production with stages made in accordance with the present invention, accompanied by graphic materials, which depict the following.

На Фиг.1 - часть ступени насоса.Figure 1 - part of the pump stage.

На Фиг.2 - диспергирующее колесо на виде сбоку.Figure 2 - dispersive wheel in side view.

На Фиг.3 - диспергирующее колесо на виде сверху.Figure 3 - dispersive wheel in a top view.

Погружной центробежный многоступенчатый насос для добычи нефти, содержащий корпус 1, внутри которого размещен вал 2 и ступени напорного типа, каждая из которых состоит из рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 4. Рабочее колесо включает в себя ступицу 5, предназначенную для закрепления рабочего колеса на валу 2, и жестко связанный со ступицей ведущий диск, на нижней стороне которого расположены рабочие лопасти, соединенные с ведомым диском рабочего колеса. В кольцевой проточке ведомого диска установлена опорная шайба. Рабочие колеса могут быть выполнены с отверстиями 9 в ведущем диске и лопатках, что обеспечивает повышенную защиту насоса от срыва подачи. Направляющий аппарат представляет собой стакан с верхним диском, на котором выполнен опорный буртик для установки ведомого диска рабочего колеса, на нижней стороне верхнего диска направляющего аппарата расположены лопатки, соединенные с нижним диском 6, который выполнен с отверстием для вала 1 насоса.A submersible multi-stage centrifugal pump for oil production, comprising a housing 1, inside of which a shaft 2 and a pressure type stage are located, each of which consists of an impeller 3 and a guiding device 4. The impeller includes a hub 5 designed to fix the impeller to the shaft 2, and a drive disk rigidly connected to the hub, on the lower side of which there are impellers connected to the driven disk of the impeller. A support washer is installed in the annular groove of the driven disk. The impellers can be made with holes 9 in the drive disk and the blades, which provides increased protection of the pump from stalling. The guide apparatus is a glass with an upper disk, on which a support flange is made for installing a driven disk of the impeller, on the lower side of the upper disk of the guide device are blades connected to the lower disk 6, which is made with an opening for the pump shaft 1.

Между ступицей 5 и нижним диском 6 направляющего аппарата установлено дополнительное диспергирующее центробежное колесо осевого типа 7 (или два отдельных колеса), на ступице которого выполнены два ряда радиальных лопастей 8. Каждый ряд состоит из трех лопастей, расположенных под углом 120° относительно друг друга, при этом средние линии лопастей одного ряда расположены посередине между средними линиями лопастей другого ряда в осевой проекции. Таким образом общее число диспергирующих лопаток будет равно шести, а эффективность диспергации смеси, обеспечиваемая таким колесом, соответствует или превышает эффективность диспергации обычного шестилопастного колеса, и при этом создается существенно меньшее сопротивление движению потока в узком сечении проточной части насоса, где расположено диспергирующее колесо.Between the hub 5 and the lower disk 6 of the guide vane, an additional axial-type dispersing centrifugal wheel 7 (or two separate wheels) is installed, on the hub of which there are two rows of radial blades 8. Each row consists of three blades located at an angle of 120 ° relative to each other, while the middle lines of the blades of one row are located in the middle between the middle lines of the blades of the other row in axial projection. Thus, the total number of dispersing vanes will be six, and the dispersion efficiency of the mixture provided by such a wheel corresponds to or exceeds the dispersion efficiency of a conventional six-blade wheel, and significantly less resistance to flow is created in the narrow section of the pump passage where the dispersing wheel is located.

Claims

1. The step of a submersible centrifugal multistage pump for oil production, including an impeller and a guide apparatus, the impeller comprising a hub designed to secure the impeller to the pump shaft and a drive disk rigidly connected to the hub, on the lower side of which there are working the blades connected to the driven disk of the impeller, the guide apparatus is a glass with an upper disk made with the possibility of installing a driven disk of the impeller on the lower side vanes located on the upper disk of the guide vane are connected to the lower disk, which is made with an opening to accommodate the pump shaft, and the stage includes at least one dispersing member driven by the pump shaft and located in the flow part of the stage between the upper disk the impeller and the lower disk of the guide vane, characterized in that the dispersing body contains at least two rows of radial blades, while the middle lines of the blades of each row are located between middle lines of the blades of other rows in axial projection.

2. The stage according to claim 1, characterized in that the dispersing body is a centrifugal wheel fixed to the shaft, on the hub of which there are rows of radial blades.

3. The stage according to claim 1, characterized in that the dispersing body includes at least two centrifugal wheels fixed to the shaft, on the hub of each of which one row of radial blades is made.

4. The stage according to claim 1, characterized in that the radial blades forming the dispersing body are made in the lower part of the impeller hub.