RU2794677C1

RU2794677C1 - Submersible diaphragm electric pump

Info

Publication number: RU2794677C1
Application number: RU2022127046A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Становской; Сергей Матвеевич Казакявичюс; Александр Александрович Шестаков; Константин Олегович Ежков
Original assignee: ЗАО "Технология маркет"
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-04-24

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to diaphragm pumping units for the production of reservoir fluid from low-rate wells, mainly with sand intrusions, high water cut, curves or inclined wells. The electric pump consists of a housing (1), in which the operating chambers (2) and (3) are symmetrically placed, connected with the annulus by means of suction valves (4), and with the internal cavity of the tubing by means of discharge valves (7). The chambers (2) and (3) are hermetically separated by elastic diaphragms (8) and (9) from the driving end. In the driving end there is a drive and a cylinder block (10) with plungers (11) and (12) with return springs (13) and (14). Plungers (11) and (12) are driven by a drive shaft (19) with a swash plate (20) and a thrust bearing (21). A heel (22) with a foot (23) is mounted on the thrust bearing (21), which is fixed in the drive shaft (19) with the help of at least one radial bearing (24).

EFFECT: eliminating radial loads on the thrust bearing, which significantly increases the durability of its operation.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения в частности к диафрагменным насосным агрегатам для добычи пластовой жидкостной среды из малодебитных скважин преимущественно с пескопроявлениями, высокой обводненностью продукции, кривыми или наклонными стволами, с содержанием попутного газа на приеме насоса.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to diaphragm pumping units for the production of reservoir fluid from marginal wells, mainly with sand intrusions, high water cut, curved or inclined wells, with associated gas content at the pump intake.

Погружной диафрагменный электронасос состоит из гидравлической и приводной частей, разделяемых эластичной диафрагмой. Края диафрагмы жестко и герметично закреплены в стенках рабочей камеры насоса, образуя тем самым одну из таких стенок, обладающую гибкостью и упругостью. Диафрагма выполняет две функции. Первая - вытеснение добываемой жидкостной среды и вторая - изолирование приводной части от добываемой среды. В гидравлическую часть входят всасывающий и нагнетательный клапаны и рабочая камера, в которую поступает, а затем вытесняется перекачиваемая среда. Приводная часть заполнена рабочей жидкостью (маслом) и содержит приводной механизм, преобразующий вращательное движение двигателя в возвратно-поступательное. Приводной механизм в зависимости от конструктивного исполнения может содержать различные узлы. Посредством приводного механизма создаются гидравлические силовые импульсы, которые передаются эластичной диафрагме, обеспечивая тем самым изменение объема в рабочей камере насоса и через всасывающий клапан перекачиваемая среда поступает в рабочую камеру, а потом через нагнетательный клапан выталкивается в насосно-компрессорные трубы (Ивановский ВН, и др. Оборудование для добычи нефти и газа: В 2 ч. - М: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - Ч. 1., стр. 737).The submersible diaphragm electric pump consists of hydraulic and driven parts separated by an elastic diaphragm. The edges of the diaphragm are rigidly and hermetically fixed in the walls of the working chamber of the pump, thereby forming one of these walls, which has flexibility and elasticity. The diaphragm performs two functions. The first is the displacement of the produced liquid medium and the second is the isolation of the drive part from the produced medium. The hydraulic part includes suction and discharge valves and a working chamber into which the pumped medium enters and then is displaced. The drive part is filled with a working fluid (oil) and contains a drive mechanism that converts the rotational motion of the engine into reciprocating. The drive mechanism, depending on the design, may contain various components. Through the drive mechanism, hydraulic power impulses are created, which are transmitted to the elastic diaphragm, thereby ensuring a change in volume in the working chamber of the pump and through the suction valve the pumped medium enters the working chamber, and then through the discharge valve is pushed into the tubing (Ivanovsky VN, etc. Equipment for oil and gas production: At 2 pm - M: State Unitary Enterprise Publishing House "Oil and Gas" Russian State University of Oil and Gas named after I.M. Gubkin, 2002. - Part 1., p. 737).

Известен погружной диафрагменный насос с электроприводом SU № 1399501. В корпусе насоса в гидравлической части находятся рабочая камера с всасывающими и нагнетательными клапанами. В приводной части находятся электродвигатель, приводной механизм и поршневой вытеснитель, который расположен в камере с двумя полостями, находящимися сверху и снизу поршня для прямого и обратного хода. Две диафрагмы герметично изолируют приводную часть от рабочей камеры с перекачиваемой средой. Полость сверху поршня соединена каналом с полостью одной из диафрагм, а полость снизу поршня соединена также каналом с полостью другой диафрагмы. Между полостями диафрагм и поршневым вытеснителем также расположен блок компенсации утечек (предохранительный блок), выполненный в виде корпуса, в котором расположены каналы и подпружиненные золотники. Однако наличие каналов, расположенных параллельно поршневому вытеснителю не дает возможности увеличения производительности насоса. Так как для этого потребуется увеличить радиальные размеры поршня и, следовательно, разнести в радиальном направлении каналы, что невозможно в условиях заданного ограниченного пространства насосно-компрессорных труб. К тому же из-за большого количества перегибов каналов возникает гидросопротивление, обусловленное наличием вязкого трения, что приводит к потере удельной энергии (переход ее в теплоту) и присутствует такая проблема, как пульсации перекачиваемой среды.Known submersible diaphragm pump with electric drive SU No. 1399501. In the pump housing in the hydraulic part there is a working chamber with suction and discharge valves. The drive part contains an electric motor, a drive mechanism and a piston displacer, which is located in a chamber with two cavities located above and below the piston for forward and reverse stroke. Two diaphragms hermetically isolate the drive part from the working chamber with the pumped medium. The cavity at the top of the piston is connected by a channel with the cavity of one of the diaphragms, and the cavity at the bottom of the piston is also connected by a channel with the cavity of the other diaphragm. Between the cavities of the diaphragms and the piston displacer there is also a leakage compensation block (safety block), made in the form of a housing in which channels and spring-loaded spools are located. However, the presence of channels located parallel to the piston displacer does not make it possible to increase the pump performance. Since for this it is necessary to increase the radial dimensions of the piston and, consequently, to spread the channels in the radial direction, which is impossible in the conditions of a given limited space of tubing. In addition, due to the large number of kinks in the channels, hydraulic resistance arises due to the presence of viscous friction, which leads to a loss of specific energy (transition into heat) and there is such a problem as pulsations of the pumped medium.

Известен погружной электроприводной насос для добычи нефти по патенту SU № 1583652. Насос также состоит из корпуса, разделенного эластичными диафрагмами на гидравлическую и приводную части. Гидравлическая часть содержит всасывающие и нагнетательные клапаны, рабочие камеры в которые поступает, а затем вытесняется перекачиваемая среда и клапанный узел. Рабочие камеры расположены в корпусе насоса по окружности. В камерах находятся эластичные диафрагмы колпачковой формы. На наружной поверхности клапанного узла имеются канавки, отделенные одна от другой уплотнительными кольцами. Каждая канавка связана с одной из рабочих камер и всасывающим и нагнетательным клапанами. При этом число канавок равно числу рабочих камер и числу всасывающих и нагнетательных клапанов. В приводной части находятся электропривод и приводной механизм. В качестве приводного использован механизм, включающий блок цилиндров с плунжерами и возвратными пружинами. Плунжеры приводятся в действие приводным валом с наклонной шайбой, на которой находится торцевой подшипник, в качестве которого используется стандартный упорный подшипник. Поверхность подшипника служит контактной поверхностью для плунжеров. При работе такого приводного механизма плунжеры не только совершают возвратно поступательное движение, их торцы скользят по контактной поверхности по круговым траекториям. Недостатком данной конструкции является то что, при работе насоса шарики торцевого подшипника испытывают радиальные нагрузки, которые не допускаются в упорном подшипнике и что приведет к разрушению подшипника. Кроме того, недостатком данной конструкции является и то, что из-за малого радиуса кривизны торца плунжера в месте контакта с поверхностью торцевого подшипника возникают большие контактные напряжения.Known electric submersible pump for oil production patent SU No. 1583652. The pump also consists of a housing divided by elastic diaphragms into hydraulic and drive parts. The hydraulic part contains suction and discharge valves, the working chambers into which the pumped medium enters and then is displaced, and the valve assembly. The working chambers are located in the pump housing around the circumference. The chambers contain elastic cap-shaped diaphragms. On the outer surface of the valve assembly there are grooves separated from one another by sealing rings. Each groove is connected to one of the working chambers and to the suction and discharge valves. The number of grooves is equal to the number of working chambers and the number of suction and discharge valves. The drive part contains an electric drive and a drive mechanism. As a drive, a mechanism was used, including a cylinder block with plungers and return springs. The plungers are driven by a drive shaft with a swash plate bearing an end bearing, which is a standard thrust bearing. The bearing surface serves as the contact surface for the plungers. During the operation of such a drive mechanism, the plungers not only reciprocate, but their ends slide along the contact surface along circular paths. The disadvantage of this design is that, during operation of the pump, the end bearing balls experience radial loads that are not allowed in the thrust bearing and which will lead to the destruction of the bearing. In addition, the disadvantage of this design is the fact that due to the small radius of curvature of the end of the plunger at the point of contact with the surface of the end bearing there are large contact stresses.

Проблемы, описанные выше решаются данным изобретением, техническим результатом которого будет устранение радиальных нагрузок на упорный подшипник. Дополнительным техническим результатом конкретного варианта изобретения является уменьшение контактных напряжений между плунжерами и контактной поверхностью упорного подшипника.The problems described above are solved by this invention, the technical result of which is the elimination of radial loads on the thrust bearing. An additional technical result of a particular embodiment of the invention is the reduction of contact stresses between the plungers and the contact surface of the thrust bearing.

Означенный технический результат достигается тем, что погружной диафрагменный электронасос, как и прототип, содержит корпус, разделенный эластичными диафрагмами на гидравлическую и приводную части. Гидравлическая часть содержит всасывающие и нагнетательные клапаны и рабочие камеры в которые поступает, а затем вытесняется перекачиваемая среда. В приводной части находятся электропривод и приводной механизм. В качестве приводного использован механизм, включающий блок цилиндров с плунжерами и возвратными пружинами. Плунжеры приводятся в действие приводным валом с наклонной шайбой и упорным подшипником. Отличие состоит в том, что на упорный подшипник установлена пята с ножкой, которая фиксируется в приводном валу с помощью по меньшей мере одного радиального подшипника.The indicated technical result is achieved by the fact that the submersible diaphragm electric pump, like the prototype, contains a housing divided by elastic diaphragms into hydraulic and drive parts. The hydraulic part contains suction and discharge valves and working chambers into which the pumped medium enters and then is displaced. The drive part contains an electric drive and a drive mechanism. As a drive, a mechanism was used, including a cylinder block with plungers and return springs. The plungers are driven by a drive shaft with swash plate and thrust bearing. The difference lies in the fact that a heel with a foot is installed on the thrust bearing, which is fixed in the drive shaft with at least one radial bearing.

Для увеличения площади контакта, а соответственно для уменьшения контактных напряжений целесообразно между пятой и плунжерами установить опорные детали, которые со стороны пяты имеют плоскую поверхности, а с плунжерами сопрягаются по сфере. Такие детали имеют возможность скользить по поверхности пяты.To increase the contact area, and, accordingly, to reduce contact stresses, it is advisable to install support parts between the heel and the plungers, which have a flat surface from the side of the heel, and are mated with the plungers in a sphere. Such parts have the ability to slide on the surface of the heel.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами:The invention is illustrated by graphic materials:

На фиг.1 представлен продольный разрез погружного диафрагменного насоса.Figure 1 shows a longitudinal section of a submersible diaphragm pump.

На фиг. 2 и 3 показаны поперечные сечения погружного диафрагменного насоса.In FIG. 2 and 3 show cross sections of a submersible diaphragm pump.

Погружной диафрагменный электронасос (фиг.1) состоит из корпуса 1, в котором симметрично относительно оси насоса размещены рабочие камеры 2 и 3, соединенные посредством всасывающих клапанов 4 и 5 с затрубным пространством, а посредством нагнетательных клапанов 6 и 7 с внутренней полостью насосно- компрессорных труб. Рабочие камеры 2 и 3 герметично отделены эластичными диафрагмами 8 и 9 от приводной части. В приводной части находятся привод и блок цилиндров 10 с плунжерами 11 и 12 с возвратными пружинами 13 и 14. Цилиндры 15 и 16 плунжеров 11 и 12 соединены с полостями диафрагм 8 и 9 каналами 17 и 18. Привод включает электродвигатель (не показан) с приводным валом 19. Приводной вал 19 заканчивается наклонной шайбой 20, которая в данной конструкции выполнена с ним за одно целое. На наклонной шайбе установлен упорный подшипник 21. На упорном подшипнике 21 установлена пята 22 с ножкой 23. Ножка 23 с помощью радиального подшипника 24 установлена в теле наклонной шайбы 20 перпендикулярно к ее торцевой поверхности. В результате радиальная составляющая нагрузки на пяту воспринимается радиальным подшипником 24, а осевая составляющая, как и в прототипе, воспринимается упорным подшипником 21. Таким образом происходит разгрузка упорного подшипника от радиальных нагрузок, что значительно повышает долговечность его работы. Приводная часть заполнена маслом.Submersible diaphragm electric pump (figure 1) consists of a housing 1, in which the working chambers 2 and 3 are placed symmetrically with respect to the axis of the pump, connected by means of suction valves 4 and 5 with the annulus, and by means of discharge valves 6 and 7 with the internal cavity of the pump-compressor pipes. Working chambers 2 and 3 are hermetically separated by elastic diaphragms 8 and 9 from the drive part. In the drive part there is a drive and a cylinder block 10 with plungers 11 and 12 with return springs 13 and 14. The cylinders 15 and 16 of the plungers 11 and 12 are connected to the cavities of the diaphragms 8 and 9 by channels 17 and 18. The drive includes an electric motor (not shown) with a drive shaft 19. The drive shaft 19 ends with an inclined washer 20, which in this design is made with it in one piece. A thrust bearing 21 is mounted on the swashplate. A heel 22 with a leg 23 is installed on the thrust bearing 21. The leg 23 is installed in the body of the swashplate 20 perpendicular to its end surface by means of a radial bearing 24. As a result, the radial component of the load on the heel is perceived by the radial bearing 24, and the axial component, as in the prototype, is perceived by the thrust bearing 21. Thus, the thrust bearing is unloaded from radial loads, which significantly increases the durability of its operation. The drive end is filled with oil.

Для увеличения площади контакта, а, следовательно, уменьшения контактных напряжений, между пятой 22 и плунжерами 11 и 12 установлены опорные детали 25 и 26, которые со стороны пяты имеют плоскую поверхность, а с плунжерами 11 и 12 с помощью шарового шарнирного соединения сопрягаются по сфере.To increase the contact area, and, consequently, reduce contact stresses, support parts 25 and 26 are installed between the heel 22 and plungers 11 and 12, which have a flat surface from the side of the heel, and are mated with the plungers 11 and 12 using a ball joint .

Погружной диафрагменный электронасос работает следующим образом. Электродвигатель вращает приводной вал 19 с наклонной шайбой 20. При этом плунжеры 11 и 12 совершают возвратно-поступательное движение в блоке цилиндров 10. В верх они перемещаются за счет воздействия пяты 22, а вниз - под действием пружин 13 и14. Движение плунжера 12 вниз приводит к изменению объема масла, заполняющего внутреннюю полость диафрагмы 9. В результате чего эластичная диафрагма 9 сжимается, и перекачиваемая среда через всасывающий клапан 5 поступает в рабочую камеру 3. При ходе плунжера 12 вверх масло из полости цилиндра вытесняется во внутреннюю полость диафрагмы 9, объем, ограниченный диафрагмой, увеличивается и перекачиваемая среда из рабочей камеры 3 через нагнетательный клапан 7 поступает в полость насосно-компрессорных труб. Аналогичный цикл работ, только совершаемый в противофазе, происходит и в рабочей камере 2.Submersible diaphragm electric pump operates as follows. The electric motor rotates the drive shaft 19 with the swash plate 20. At the same time, the plungers 11 and 12 reciprocate in the cylinder block 10. They move upward due to the action of the heel 22, and downward - under the action of the springs 13 and 14. The downward movement of the plunger 12 leads to a change in the volume of oil filling the internal cavity of the diaphragm 9. As a result, the elastic diaphragm 9 is compressed, and the pumped medium through the suction valve 5 enters the working chamber 3. When the plunger 12 moves upward, the oil is forced out of the cylinder cavity into the internal cavity diaphragm 9, the volume limited by the diaphragm increases and the pumped medium from the working chamber 3 through the discharge valve 7 enters the cavity of the tubing. A similar cycle of work, only performed in antiphase, occurs in the working chamber 2.

При вращении приводного вала 19 опорные детали 25 и 26, имея возможность скольжения, обеспечивают повышенный контакт плоской поверхности детали с наклонной поверхностью пяты 22. Контакт опорных деталей 25 и 26 с плунжерами 11 и 12 с помощью шарового шарнира передает осевую нагрузку на плунжер при любом угле между осью плунжера и поверхностью пяты 22, а также обеспечивает постоянный увеличенный контакт сферических сопрягаемых поверхностей.When the drive shaft 19 rotates, the support parts 25 and 26, having the possibility of sliding, provide increased contact of the flat surface of the part with the inclined surface of the heel 22. The contact of the support parts 25 and 26 with the plungers 11 and 12 with the help of a ball joint transfers the axial load to the plunger at any angle between the plunger axis and the surface of the heel 22, and also provides a constant increased contact of the spherical mating surfaces.

Claims

1. A submersible diaphragm electric pump, containing a housing divided by elastic diaphragms into hydraulic and drive parts, while the hydraulic part contains suction and discharge valves and working chambers, and in the drive part there is an electric drive and a drive mechanism, including a cylinder block with plungers and return springs, a drive shaft with an inclined washer, with a thrust bearing mounted on it, characterized in that a heel with a foot fixed in the drive shaft with at least one radial bearing is mounted on the thrust bearing.

2. A submersible diaphragm electric pump according to claim 1, characterized in that support parts are installed between the heel and the plungers, which have a flat surface on the side of the heel, and are mated with the plungers in a sphere.