RU35371U1 - Submersible pump unit - Google Patents

Description

Погружной насосный агрегат.Submersible pump unit.

Полезная модель относится к нефтяному машиностроению, а именно к погружным насосным агрегатам, содержащим высокооборотный центробежный насос. При освоении новых месторождений нефти требуются агрегаты с повышенным ресурсом работы, меньшей обш,ей длиной и высоким напором.The utility model relates to petroleum engineering, namely to submersible pumping units containing a high-speed centrifugal pump. When developing new oil fields, aggregates are required with an increased service life, shorter overall length, high pressure.

Погружной насосный агрегат определим как часть насосной установки, состояшую из насоса и двигателя, причем центробежный насос считается высокооборотным, если частота вращения двигателя превышает 3000 об/мин.We define a submersible pump unit as a part of a pump installation consisting of a pump and an engine, and a centrifugal pump is considered to be high-speed if the engine speed exceeds 3000 rpm.

Известен погружной насосный агрегат, включающий центробежный насос и асинхронный двигатель (1, с. 15). В таком агрегате могут использоватся модуль-секции насоса, каждая из которых может содержать от 38 до 211 ступеней (1, с. 112-117). Частота вращения, как правило, не более 3000 об/мин. (2, 351). Недостатком такой конструкции является большая длина модуль-секции насоса (от 3 до 5 м) из-за большого количества ступеней в ней. При спуске таких агрегатов на скважинах с повышенной кривизной (характерной для кустового бурения) возможен быстрый выход насосов из строя, в частности из-за деформации и разгерметизации системы двигатель - протектор - насос. Кроме того, в агрегатах могут наблюдаться повышенные изгибные колебания длинного вала, ускоряющие процесс изнашивания трибосопряжений модуль-секции.Known submersible pumping unit, including a centrifugal pump and an induction motor (1, p. 15). In such an aggregate, module sections of the pump can be used, each of which can contain from 38 to 211 stages (1, p. 112-117). Rotational speed, as a rule, no more than 3000 rpm. (2, 351). The disadvantage of this design is the large length of the module section of the pump (from 3 to 5 m) due to the large number of stages in it. When such units are launched in wells with increased curvature (typical for cluster drilling), pumps can quickly fail, in particular due to deformation and depressurization of the engine-tread-pump system. In addition, in the units increased bending vibrations of the long shaft can be observed, accelerating the process of wear of the tribological conjugations of the module section.

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является погружной насосный агрегат, состояцщй из высокооборотного центробежного насоса и вентильного двигателя (2, С. 629). Насос содержит 65 ступеней. Регулируемая частота вращения ротора двигателя от 3000 до 6000 об/мин. Вентильный двигатель обеспечивает более высокое количество оборотов, чем асинхронный двигатель с короткозамкнутыми ротором. Недостатком такой конструкции остается его относительно большая длина при использовании обычных модуль-секций с числом ступеней несколько десятков. Кроме того, при таком количестве ступеней высокая нагрузка на осевую опору вала, и соответственно пяту, в сочетании с повышенным количеством оборотов может приводить к разрушению рабочих поверхностей пяты или верхней опоры (термошоковое разрушение зоны трибоконтакта пята-верхняя опора).The closest analogue of the claimed utility model is a submersible pump unit, consisting of a high-speed centrifugal pump and a valve motor (2, p. 629). The pump contains 65 stages. Adjustable rotor speed of the engine from 3000 to 6000 rpm. The vane motor provides a higher number of revolutions than the squirrel-cage induction motor. The disadvantage of this design is its relatively large length when using conventional module sections with a number of steps of several tens. In addition, with such a number of steps, a high load on the axial shaft support, and accordingly the heel, in combination with an increased number of revolutions can lead to the destruction of the working surfaces of the heel or upper support (thermal shock destruction of the tribocontact zone of the heel-upper support).

Настоящая полезная модель нацелена на устранение указанных недостатков известных технических решений. Достигаемьш технический результат состоит в сокращении длины погружной части высокооборотной насосной установки при одновременном повьш1ении степени надежности погружного скважинного агрегата, в частности, за счет исключенияThe present utility model is aimed at eliminating the indicated drawbacks of known technical solutions. The technical result achieved is to reduce the length of the submersible part of the high-speed pumping unit while simultaneously increasing the degree of reliability of the submersible borehole unit, in particular, by eliminating

МГЖ-7РОШ1/06 MGZH-7ROSH1 / 06

разрушения рабочей поверхности верхней опоры вала при термошоковом разрушении. Указанный агрегат обладает повышенной надежностью работы при его установке в скважину со сложной геометрией (с более высокой кривизной некоторых участков скважин). Кроме того, снижается трудоемкость изготовления высокоточных деталей модуль-секции насоса.destruction of the working surface of the upper shaft support during thermal shock destruction. The specified unit has increased reliability when installed in a well with complex geometry (with a higher curvature of some sections of the wells). In addition, the complexity of manufacturing high-precision parts of the pump module module is reduced.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном насосном агрегате, состояшем из двигателя, вьшолненного с возможностью регулировки частоты и высокооборотного центробежного насоса при частоте вращения двигателя в интервале 6 000 об/мин содержится модуль-секция с количеством ступеней , причем все опоры, фиксируюпще вал модуль-секции в радиальном и осевых направлениях вьшолнены в виде подшипников скольжения, рабочие поверхности которых образованы полированными поверхностями твердосплавных материалов, причем осевая опора может вьшолняться двусторонней для предотвращения смещения вала модуль-секции вдоль оси в любую сторону, причем больший диаметр D рабочей поверхности опоры лежит в интервале мм, причем по крайней мере, одна рабочая поверхность подшипников скольжения может быть образована сплавом на основе карбида вольфрама в никелевой матрице, причем двигатель может вьшолняться в виде маслозаполненного электромеханического преобразователя, содержащего статор, ротор, вьшолненный с использованием постоянных магнитов, узел токоввода и узел теплообменника, расположенный между электромеханическим преобразователем и узлом токоввода. На рис 1. приведен вид заявляемого устройства модуль-секции (без двигателя).The specified technical result is achieved due to the fact that in the well-known submersible pump unit, consisting of an engine configured to adjust the frequency and a high-speed centrifugal pump at an engine speed in the range of 6,000 rpm, there is a module section with the number of stages, all support , fixing the shaft of the module section in the radial and axial directions are made in the form of sliding bearings, the working surfaces of which are formed by polished surfaces of carbide materials, moreover, the axial bearing can be double-sided to prevent the module-section shaft from shifting along the axis in any direction, the larger diameter D of the bearing working surface lying in the range mm, and at least one working surface of the sliding bearings can be formed by an alloy based on tungsten carbide in a nickel matrix, wherein the engine can be implemented in the form of an oil-filled electromechanical converter containing a stator, a rotor filled using permanent magnets, a current assembly and a heat exchanger assembly disposed between the electromechanical transducer and the current lead unit. Figure 1. shows a view of the inventive device module section (without engine).

Исследовалась работа насосного агрегата в рабочем режиме с целью его модификации. Указанное устройство содержало вал (1), ступени (2), верхнюю двустороннюю опору (3) (верхние и нижние рабочие поверхности такой опоры воспринимают осевые силы), пяту (4). Соответствующие пары трения образовывались твердосплавными материалами, подвергнутыми шлифовке и полировке (шероховатость обработанной поверхности Rmax от 0,1 до ОД мкм). Диаметр вала выбирался, например, из диапазона 10-25 мм. Диаметр верхней рабочей поверхности - больший диаметр пяты (имеюш;ей кольцевую форму и определяющий размеры области трибоконтакта с поверхностью пяты) верхней опоры (3) лежал в диапазоне от 30 до 60 мм . Количество ступеней в модуль-секции определено опытным путем для частоты вращения двигателя 6 000 000 об/мин. Именно при таком (и меньшем количестве) ступеней гарантированно происходит эффективная разгрузка системы верхняя опора - пята в такой степени, что резко снижается вероятность разрушения трибосопряжения из-за эффекта термошока. Поясним это качественными соображениями. Параметр определяет характерную максимальную мощность тепловых источников в зоне трибоконтакта, где k - коэффициент трения, зависящий от физико-механическихThe operation of the pump unit in the operating mode with the aim of its modification was investigated. The specified device contained a shaft (1), steps (2), an upper two-sided support (3) (the upper and lower working surfaces of such a support receive axial forces), a heel (4). Corresponding friction pairs were formed by carbide materials subjected to grinding and polishing (the roughness of the treated surface Rmax was from 0.1 to OD microns). The shaft diameter was selected, for example, from a range of 10-25 mm. The diameter of the upper working surface — the larger diameter of the heel (having an annular shape and determining the dimensions of the tribocontact area with the heel surface) of the upper support (3) lay in the range from 30 to 60 mm. The number of steps in the module section is determined empirically for an engine speed of 6,000,000 rpm. It is with such (and fewer) steps that the effective unloading of the upper support system is guaranteed — heels to such an extent that the likelihood of destruction of tribological conjugation due to the effect of thermal shock is sharply reduced. We explain this with qualitative considerations. The parameter determines the characteristic maximum power of heat sources in the tribocontact zone, where k is the coefficient of friction, depending on the physical and mechanical

свойств пары трения (материалов, характера поверхностной обработки), Р - контактное давление в области трибосопряжения (прямо пропорциональное количеству ступеней в модуль-секции), V - максимальная линейная скорость в области трибосопряжения (V пропорциональна п - частоте вращения двигателя). Е не должна превышать заданной критической величины, при которой наступает термошок. При превышении критического порога тепловая мошлость Е в зоне трибосопряжения увеличивается настолько, что тепло, создаваемое в зоне трибоконтакта, не успевает отводится из зоны контакта и происходит разогрев зоны контакта. В результате зона трибосопряжения разрушается (эффект термошока). Отсюда следует, что для заданного диапазона частот вращения двигателя существует некое предельно допустимое N - число ступеней, при котором Е в зоне трибосопряжения не превышает критического порога. Кроме того, при таком числе ступеней модуль-секции получается короткой (менее 1 м) и в ней практически не наблюдаются изгибные колебания вала, приводящие к повьш1енному износу трибосопряжений в модуль-секции.the properties of the friction pair (materials, the nature of the surface treatment), P is the contact pressure in the tribo-conjugation region (directly proportional to the number of steps in the module section), V is the maximum linear velocity in the tribo-conjugation region (V is proportional to n is the engine speed). E must not exceed a predetermined critical value at which thermal shock occurs. When the critical threshold is exceeded, the thermal depletion E in the tribo-conjugation zone increases so much that the heat generated in the tribo-contact zone does not have time to be removed from the contact zone and the contact zone is heated. As a result, the tribo-conjugation zone is destroyed (thermal shock effect). It follows that for a given range of engine speeds there is a certain maximum permissible N - the number of steps at which E in the tribo-conjugation zone does not exceed the critical threshold. In addition, with such a number of steps, the module section turns out to be short (less than 1 m) and bending vibrations of the shaft are practically not observed in it, leading to increased wear of tribo couplings in the module section.

Использование вентильного двигателя с теплообменником позволяет увеличить ресурс агрегата при работе на двигателя высоких оборотах об/мин. Для повьштения износостойкости, и соответственно повьшхения ресурса работы опоры, ее рабочая поверхность, а также рабочая поверхность пяты может вьшолняться из сплава карбида вольфрама в никелевой матрице и подвергается полировке.The use of a valve motor with a heat exchanger allows you to increase the resource of the unit when working on an engine with high rpm. To increase the wear resistance, and accordingly increase the service life of the support, its working surface, as well as the working surface of the heel, can be made from an alloy of tungsten carbide in a nickel matrix and polished.

В качестве примера рассмотрим погружной агрегат, который состоит из двигателя и насоса с одной модуль-секцией. Модуль-секция включает: набор из 8 ступеней (направляющих аппаратов с рабочими колесами), вал, верхнюю двухстороннею опору с рабочей поверхностью из сплава карбида вольфрама в никелевой матрице ВН8 (никель 8%), два радиальных подщипника, удерживающих вал от поперечных смещений. В рабочем режиме насоса возникаюшую осевую силу воспринимают рабочие поверхности верхней опоры, формируемые торцевыми поверхностями неподвижных подшипниковых втулок, закрепленных в верхней опоре и взаимодействующие с рабочей поверхностью пяты, формируемые торцевым подшипником верхней пяты. Диаметр рабочей поверхности верхней опоры 48 мм. Указанная трибоповерхность шлифуется и полируется. Двигатель выполнялся в виде маслозаполненного электромеханического преобразователя электродвигателя с возможностью регулирования количества оборотов от 6000 до 20 000 тыс об/мин. Ротор двигателя вьшолнялся с использованием постоянных магнитов, узел токоввода и узел теплообменника, расположенный между электромеханическим преобразователем и узлом токовводаAs an example, consider a submersible unit, which consists of an engine and a pump with one module section. The module section includes: a set of 8 steps (guiding devices with impellers), a shaft, an upper bilateral support with a working surface made of a tungsten carbide alloy in a BH8 nickel matrix (8% nickel), two radial bearings, which keep the shaft from lateral displacements. In the pump operating mode, the emerging axial force is perceived by the working surfaces of the upper bearing formed by the end surfaces of the stationary bearing bushings fixed in the upper bearing and interacting with the working surface of the heel formed by the mechanical bearing of the upper heel. The diameter of the working surface of the upper support is 48 mm. The specified tribo-surface is ground and polished. The engine was made in the form of an oil-filled electromechanical converter of an electric motor with the ability to control the number of revolutions from 6,000 to 20,000 thousand rpm. The rotor of the engine was performed using permanent magnets, a current input unit and a heat exchanger unit located between the electromechanical converter and the current input unit

/я/I

ступеней меньше 12 и числе оборотов двигателя от 6000 до 20 000 об/мин верхняя опора работает в режиме исключающем термошоковое разрушение области трибосопряжения верхней опоры. Диаметр выбирался пяты больше диаметра верхней опоры. Изгибные колебания вала, и соответствующие им процессы изнашивания, в модуль-секции отсутствуют. Использование коротких модуль-секций (1 м) значительно сокращает длину погружной части насоса и позволяет опускать ее в скважины со сложной геометрией. Даже при наличии 4-5 модуль-секций (как правило, это максимальное количество в установке) погружная часть насосной установки остается достаточно короткой.steps are less than 12 and the engine speed is from 6000 to 20,000 rpm; the upper support works in the mode excluding thermal shock destruction of the tribo-conjugation region of the upper support. The diameter of the heel was chosen larger than the diameter of the upper support. The bending vibrations of the shaft, and the corresponding wear processes, are absent in the module section. The use of short module sections (1 m) significantly reduces the length of the submersible part of the pump and allows it to be lowered into wells with complex geometry. Even with 4-5 module sections (usually the maximum number in the installation), the submersible part of the pump installation remains fairly short.

Список литературы.List of references.

1.Международный транслятор. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Междзшародная инженерная энциклопедия. Серия Нефтегазовые установки. Под. Ред. Ю.В. Алекперова и В.Я. Кершенбаума. Изд-во Нефть и газ Москва. 1998. 2.Оборудование для добычи нефти и газа В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. ГУП. Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 767 с.1.International translator. Installations of submersible centrifugal pumps for oil production. Interstate Engineering Encyclopedia. Series Oil and gas installations. Under. Ed. Yu.V. Alekperova and V.Ya. Kershenbaum. Publishing House Oil and Gas Moscow. 1998. 2. Equipment for oil and gas production V.N. Ivanovsky, V.I. Darishchev, A.A.Sabirov, V.S. Kashtanov, S.S. Pekin. SUE. Publishing House Oil and Gas Russian State University of Oil and Gas named after Gubkina, 2002, 767 p.

З.Скважинные насосные установки для добычи нефти. В.Н.Ивановский, В.И.Даршцев, А.А.Сабиров, В.С.Каштанов, С.С.Пекин. М. ГУП. Изд-во Нефть и газ РГУ нефти и газа им. Губкина, 2002, 824 с.Z. Borehole pumping units for oil production. V.N. Ivanovsky, V.I. Darshtsev, A.A.Sabirov, V.S. Kashtanov, S.S. Pekin. M. State Unitary Enterprise. Publishing House Oil and Gas Russian State University of Oil and Gas named after Gubkina, 2002, 824 p.

Claims (4)

1. Погружной насосный агрегат, содержащий высокооборотный центробежный многоступенчатый насос и двигатель, выполненный с возможностью регулировки частоты вращения, отличающийся тем, что при частоте вращения двигателя в интервале 6000<n<20000 об/мин насос содержит модуль-секцию с количеством ступеней N<12, причем все опоры, фиксирующие вал модуль-секции в радиальном и осевых направлениях, выполнены в виде подшипников скольжения, рабочие поверхности которых образованы полированными поверхностями твердосплавных материалов.1. Submersible pump unit containing a high-speed centrifugal multistage pump and an engine configured to adjust the speed, characterized in that when the engine speed in the range of 6000 <n <20,000 rpm, the pump contains a module section with the number of stages N <12 moreover, all the bearings fixing the shaft of the module section in the radial and axial directions are made in the form of sliding bearings, the working surfaces of which are formed by polished surfaces of carbide materials. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что осевая опора выполнена двусторонней, предотвращающей смещение вала модуль-секции вдоль оси в любую сторону, причем больший диаметр D рабочей поверхности опоры лежит в интервале 30<D<60 мм.2. The assembly according to claim 1, characterized in that the axial support is made bilateral, preventing the shaft of the module section from shifting along the axis in any direction, the larger diameter D of the working surface of the support lying in the range 30 <D <60 mm. 3. Агрегат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна рабочая поверхность подшипников скольжения образована сплавом на основе карбида вольфрама в никелевой матрице.3. The assembly according to any one of claims 1 and 2, characterized in that at least one working surface of the bearings is formed by an alloy based on tungsten carbide in a nickel matrix. 4. Агрегат по любому из предыдущих пп.1-3, отличающийся тем, что двигатель выполнен в виде маслозаполненного электромеханического преобразователя, содержащего статор, ротор, выполненный с использованием постоянных магнитов, узел токоввода и узел теплообменника, расположенный между электромеханическим преобразователем и узлом токоввода.4. The assembly according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the engine is made in the form of an oil-filled electromechanical converter containing a stator, a rotor made using permanent magnets, a current input unit and a heat exchanger unit located between the electromechanical converter and the current input unit.