Скважинное устройство с вращающимися узлами, устойчивыми к формированию отложений (варианты)
Заявленная группа изобретений относится к радиальным подшипникам и, более конкретно, к устройствам для компонентов и узлов электрических погружных насосов с использованием радиально-опорных подшипников, которые устойчивы к формированию отложений. Скважинное устройство содержит корпус с каналом, проходящим вдоль его оси, вал, расположенный в корпусе и проходящий через канал. Вал установлен с возможностью вращения относительно корпуса и перемещения в осевом направлении в ограниченных пределах. Скважинное устройство содержит радиальный подшипник, размещенный в канале корпуса для опоры вала. Подшипник включает вкладыш, установленный в корпусе, и втулку, установленную на валу. Втулка и вкладыш имеют возможность взаимодействия. Втулка имеет возможность вращения вдоль оси корпуса и перемещения в осевом направлении вместе с валом. При этом между внутренним диаметром вкладыша и внешним диаметром втулки имеется зазор. Один из элементов подшипника, втулка или вкладыш, имеет меньший осевой размер, чем другой. Аксиальные концы элемента, имеющего меньший осевой размер, никогда не выступают за аксиальные концы другого элемента. В другом варианте изобретения один из элементов подшипника, втулка или вкладыш, имеет острый угол на его аксиальном конце для соскребания отложений с взаимодействующей поверхности другого элемента. Изобретение обеспечивает уменьшение формирования отложений в радиальных подшипниках для скважинных устройств. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиальным подшипникам и, более конкретно, к устройству для компонентов и узлов электрических погружных насосов с использованием радиально-опорных подшипников, которые устойчивы к формированию отложений.
Уровень техники
Во многих скважинных насосных системах, содержащих вращающееся оборудование, например, электрические погружные насосы (ЭПН), газосепараторы и впускные устройства, существует серьезная проблема формирования отложений в зазорах радиальных подшипников. Отложения - это любые материалы, которые могут осаждаться на поверхностях из среды, в которой работает скважинное оборудование. Одна из возникающих при этом проблем заключается в том, что формирование отложений создает помехи для аксиального перемещения вала, а с ним и всего вращающегося узла, относительно неподвижного опорного корпуса. Эта проблема может становиться критической даже в тех случаях, когда слой отложений очень тонкий, например, порядка 0,001 дюйма или более.
Как можно видеть на фиг.1, традиционный радиальный подшипник 11 обычно содержит последовательно расположенные втулки 13, из которых показана только одна, на валу 15, причем все втулки имеют одинаковый диаметр, и входят во вкладыш 17 подшипника. Вкладыши и втулки радиального подшипника могут иметь общую разницу диаметров или зазор от примерно 0,003 дюйма до примерно 0,015 дюйма между их внутренними и внешними диаметрами, соответственно. Отложения формируются в зазоре на внешней поверхности втулки подшипника и могут выступать в аксиальном направлении за пределы внутренней поверхности вкладыша. В этом случае при любом аксиальном перемещении вала сформировавшиеся отложения втягиваются в малый зазор 19 между вкладышем 17 и втулкой 13. Когда сформировавшиеся отложения втягиваются в зазор, в радиальном подшипнике действует очень большая сила трения.
Указанная проблема усложняется для радиальных подшипников наличием скосов 21 на краях вкладышей 17 и втулок 13. При перемещении вала 15 в аксиальном направлении скосы 21 на кромках действуют как воронки или кулачки, которые способствуют вталкиванию большего количества отложений в зазор 19 подшипника. Возникающее при этом дополнительное трение может вызывать многочисленные виды неисправностей. Например, подшипник и/или втулка могут перегреваться, подшипник может выходить из строя из-за недостатка смазки и перегрева, и втулка может заклинивать во вкладыше. Кроме того, отложения могут ограничивать срок службы или препятствовать повторному использованию насосов, газосепараторов или впускных устройств из-за ограниченного хода вала в аксиальном направлении или из-за заклинивания вала. Более того, насос может заблокироваться и препятствовать запуску двигателя, в результате чего двигатель может выйти из строя из-за сильного перегрева. Кроме того, чрезмерная сила трения может приводить к срезанию направляющего устройства, которое находится ниже втулки, в результате чего продолжающаяся работа насоса может вызывать чрезмерный износ вала, его ослабление и разрушение. Таким образом, существует потребность в улучшенной конструкции, которая позволяет преодолеть ограничения и проблемы известных технических решений.
Раскрытие изобретения
В описании рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения, обеспечивающие уменьшение формирования отложений на компонентах и узлах радиальных подшипников электрических погружных насосов. Изобретение хорошо подходит для использования в скважинном вращающемся оборудовании, таком как насосы, газосепараторы и впускные устройства. Вместо обычных материалов для изготовления вкладышей и втулок могут использоваться материалы, устойчивые к износу и к осаждению отложений, такие как карбид вольфрама, импрегнированный политетрафторэтиленом и т.п.
В одном из вариантов осуществления изобретения один из элементов (вкладыш или втулка) может быть короче другого, так что он постоянно находится внутри другого элемента, вне зависимости от их относительных аксиальных перемещений. Кроме того, на продольных поверхностях вкладышей или втулок, то есть, на их взаимодействующих поверхностях, могут быть сформированы острые углы. При перемещении вала в аксиальном (осевом) направлении острый угол на одном элементе будет соскребать отложения с поверхности другого элемента. Такая конструкция будет обеспечивать удаление отложений, так что они не будут входить в зазор между втулкой и вкладышем.
Еще в одном варианте осуществления изобретения могут использоваться ограничительные втулки меньшего диаметра на обоих концах втулки в аксиальном направлении, так что отложения будут формироваться на ограничительных втулках в стороне от внутреннего диаметра вкладыша, и не будет возникать проблем, связанных с отложениями. Кроме того, в этом случае соскребаемые отложения будут удаляться в сторону от подшипника. Может дополнительно использоваться рабочий зазор, порядка 0,001 дюйма, между втулкой и вкладышем для увеличения потока смазочной среды и охлаждения компонентов. Этот элемент также может быть необходим для некоторых применений в связи с использованием острых углов на втулках и вкладышах.
Вышеуказанные и другие особенности и достоинства настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием вместе с прилагаемыми чертежами и формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Различные признаки, особенности и достоинства настоящего изобретения, кратко изложенные выше, можно будет легче понять из нижеприведенного описания, в котором раскрываются частные варианты осуществления изобретения (никоим образом не ограничивающие объем изобретения) со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематический вид сбоку продольного сечения известной конструкции радиального подшипника;
на фиг.2 - схематический вид сбоку продольного сечения одного из вариантов конструкции радиального подшипника в соответствии с изобретением;
на фиг.3 - схематический вид сбоку продольного сечения другого варианта конструкции радиального подшипника в соответствии с изобретением;
на фиг.4 - схематический вид сбоку продольного сечения еще одного варианта конструкции радиального подшипника в соответствии с изобретением;
на фиг.5 - схематический вид сбоку одного из вариантов конструкции скважинного вращающегося устройства в соответствии с изобретением;
на фиг.6 - увеличенный вид сбоку одного из вариантов "острого края" одного или нескольких вариантов конструкций радиального подшипника, раскрытого в описании.
Осуществление изобретения
Варианты осуществления изобретения, обеспечивающие уменьшение формирования отложении в радиальных подшипниках для скважинных устройств, описываются со ссылками на фиг.2-6. Изобретение хорошо подходит для применения в скважинном вращающемся оборудовании, таком как компоненты узлов электрических погружных насосов, например насосы, газосепараторы, впускные устройства и т.п.
Один из вариантов осуществления изобретения представлен на фиг.2. Скважинное устройство имеет корпус 31 с продольной геометрической осью 33 и каналом 35, проходящим в корпусе 31 вдоль оси 33. В канале 35 корпуса установлен вал 37, проходящий вдоль оси 33 в корпусе 31. Вал 37 может вращаться относительно корпуса 31 и может перемещаться в осевом направлении в некоторых пределах, зависящих от применения и конструкции.
Для уменьшения формирования отложений в скважинном устройстве установлен радиальный подшипник 41. Радиальный подшипник 41 расположен в канале 35 корпуса 31 для удерживания вала 37 в определенном положении относительно корпуса 31. Радиальный подшипник 41 содержит вкладыш 43, установленный в корпусе 31, и втулку 45, установленную на валу 37 и предназначенную для взаимодействия с вкладышем 43. Втулка 45 вращается и перемещается аксиально вместе с валом 37 относительно корпуса 31 и вкладыша 43. Между внутренним диаметром вкладыша 43 и внешним диаметром втулки 45 формируется зазор 47.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.2, втулка 45 имеет укороченную длину 51, и вкладыш 43 имеет увеличенную длину 53, которая больше укороченной длины 51. При таком устройстве аксиальные концы 55 втулки 45 никогда не будут выступать за аксиальные концы 57 вкладыша 43 при ограниченных аксиальных перемещениях вала 37. На фиг.3 представлен альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором втулка 45 длиннее вкладыша 43. Аналогично, аксиальные концы 57 вкладыша 42 никогда не будут выступать за аксиальные концы 55 втулки 45 при аксиальном перемещении вала 37 в ограниченных пределах.
В некоторых вариантах осуществления изобретения вкладыш 43 и втулка 45 изготовлены из материалов, стойких к истиранию и к осаждению отложений на их поверхностях. Например, вкладыш 43 и втулка 45 могут быть изготовлены из карбида вольфрама, импрегнированного политетрафторэтиленом. В альтернативном варианте эти компоненты могут быть покрыты, импрегнированы или иным образом сформированы с использованием материалов, стойких к истиранию и к осаждению отложений на их поверхностях.
В других вариантах вкладыш 43 и/или втулка 45 могут быть иметь острые углы 61 (см. фиг.6) на их аксиальных концах 57, 55, соответственно. На фиг.6 показанные признаки для наглядности преувеличены. Острые углы 61 могут быть выполнены па одном или обоих аксиальных концах элемента для соскребания отложений с другого элемента радиального подшипника (а именно, вкладыш может соскребать отложения с втулки, а втулка - с вкладыша) на их соответствующих сопрягающихся поверхностях.
Такое устройство способствует удалению с поверхностей отложений, и они не будут входить в зазор 47 между вкладышем 43 и втулкой 45. Например, угол 61 может иметь максимальный радиус закругления 0,005 дюйма, и передний угол 63 может быть меньше 90°, например, от 85° до 89°. Передний угол 63 способствует соскребающему действию и продлению срока службы острого угла в случае истирания поверхности. Если угол меньше 90°, то происходит "самозатачивание" соскребающего угла по мере износа поверхности, и, таким образом, конструкция устойчива к осаждению отложений.
Как показано на фиг.4, предлагаемая в изобретении конструкция может дополнительно содержать устойчивые к осаждению отложений ограничительные втулки 71 меньшего диаметра, расположенные на валу 37 и упирающиеся в аксиальные концы 55 втулки 45 подшипника. Ограничительные втулки 71 задают пределы механического перемещения для обеспечения правильного аксиального положения втулки подшипника на валу. Также могут использоваться упорные кольца 73 или другие механические устройства для удерживания ограничительных втулок 71 в правильном аксиальном положении. В некоторых вариантах осуществления изобретения функцию ограничительных втулок выполняют ступицы рабочих колес насоса. Каждый из таких ограничителей аксиального перемещения может использоваться и в других вариантах осуществления изобретения, рассмотренных в описании, например, представленных на фиг.1-3.
Также может дополнительно использоваться рабочий зазор, порядка 0,001 дюйма, между втулкой и вкладышем для увеличения потока смазочной среды и охлаждения элементов подшипника. Этот признак также может быть необходим для некоторых применений в связи с острыми углами на втулках и вкладышах.
На фиг.5 представлен один из вариантов скважинного устройства для скважины 110. Скважинное устройство содержит установку 11 электрического погружного насоса, размещенную в скважине 110. Установка 11 насоса может содержать центробежный насос 112 с впускным устройством 113 и внутренним газосепаратором. К насосу 112 присоединена уплотнительная секция 114 и электрический двигатель 116, и все они погружены в скважинный флюид 118. Вал двигателя 116 соединен с валом уплотнительной секции, и далее с валом центробежного насоса 112. Установка 11 насоса и скважинный флюид 118 находятся внутри обсадной колонны 119, которая является частью скважины 110. Насос 112 соединен с лифтовой колонной 125, которая передает скважинный флюид 118 в бак-хранилище (не показан). Конструкции радиального подшипника, раскрытые в настоящем описании, могут быть использованы в насосах, газосепараторах, впускных устройствах, а также в других компонентах, которые пригодны для применения в скважинах.
Хотя изобретение было рассмотрено и описано только в некоторых формах, специалистам с данной области техники должно быть ясно, что изобретение не ограничивается только этими формами, в которые могут быть внесены различные изменения без выхода за пределы объема изобретения. Например, на углах более длинного элемента подшипника (вкладыша или втулки) могут быть выполнены скосы, облегчающие введение более длинного элемента. Однако при этом должно предотвращаться смещение элементов подшипника под скосы при их тепловом расширении или при аксиальных перемещениях вала в крайние положения.
1. Скважинное устройство, содержащее корпус с каналом, проходящим через корпус вдоль его оси, вал, расположенный в корпусе и проходящий через указанный канал в корпусе вдоль его оси с возможностью вращения относительно корпуса и перемещения в осевом направлении в ограниченных пределах, радиальный подшипник, обеспечивающий снижение образования отложений, размещенный в канале корпуса для опоры вала относительно корпуса и включающий вкладыш, установленный в корпусе, и втулку, установленную на валу с возможностью взаимодействия с вкладышем, вращения вдоль оси корпуса и перемещения в осевом направлении вместе с валом относительно корпуса и вкладыша, и при этом между внутренним диаметром вкладыша и внешним диаметром втулки имеется зазор, причем один из элементов подшипника, вкладыш или втулка, имеет меньший осевой размер, чем другой, так что аксиальные концы элемента, имеющего меньший осевой размер, никогда не выступают за аксиальные концы элемента, имеющего больший осевой размер, при упомянутом ограниченном перемещении вдоль оси.
2. Скважинное устройство по п.1, представляющее собой компонент установки электрического погружного насоса.
3. Скважинное устройство по п.2, в котором компонент установки электрического погружного насоса представляет собой насос, газосепаратор или впускное устройство.
4. Скважинное устройство по п.1, в котором вкладыш и втулка изготовлены из материалов, стойких к истиранию и формированию отложений.
5. Скважинное устройство по п.4, в котором вкладыш и втулка изготовлены из карбида вольфрама, импрегнированного политетрафторэтиленом.
6. Скважинное устройство по п.1, в котором один из элементов, вкладыш или втулка, имеет острый угол на его аксиальном конце для соскребания отложений с взаимодействующей поверхности другого элемента и удаления этих отложений так, чтобы они не попадали в зазор между вкладышем и втулкой.
7. Скважинное устройство по п.6, в котором радиус закругления острого угла не превышает 0,005 дюйма, а передний угол меньше 90°.
8. Скважинное устройство по п.6, в котором оба аксиальных конца одного элемента, вкладыша или втулки, имеют острые углы.
9. Скважинное устройство по п.6, в котором оба элемента, вкладыш и втулка, имеют острые углы.
10. Скважинное устройство по п.1, дополнительно содержащее ограничительные втулки, расположенные на аксиальных концах втулки подшипника и упирающиеся в них в качестве механических ограничителей для удерживания втулки подшипника в правильном вдоль оси корпуса положении на валу, причем диаметр ограничительных втулок меньше диаметра втулки подшипника и они изготовлены из материала, стойкого к формированию отложений.
11. Скважинное устройство по п.10, в котором ограничительные втулки включают упорные кольца или ступицы рабочих колес насоса.
12. Скважинное устройство, содержащее корпус с каналом, проходящим через корпус вдоль его оси, вал, расположенный в корпусе и проходящий через указанный канал в корпусе вдоль его оси с возможностью вращения относительно корпуса и перемещения в осевом направлении в ограниченных пределах, радиальный подшипник, обеспечивающий снижение роста отложений, размещенный в канале корпуса для опоры вала относительно корпуса и включающий вкладыш, установленный в корпусе, и втулку, установленную на валу с возможностью взаимодействия с вкладышем, вращения вдоль оси корпуса и перемещения в осевом направлении вместе с валом относительно корпуса и вкладыша, и при этом между внутренним диаметром вкладыша и внешним диаметром втулки имеется зазор, причем один из элементов подшипника, вкладыш или втулка, имеет меньший осевой размер, чем другой, так что аксиальные концы элемента, имеющего меньший осевой размер, никогда не выступают за аксиальные концы элемента, имеющего больший осевой размер, при упомянутом ограниченном перемещении вдоль оси, и один из элементов, вкладыш или втулка, имеет острый угол на его аксиальном конце для соскребания отложений с взаимодействующей поверхности другого элемента и удаления отложений так, чтобы они не попадали в зазор между вкладышем и втулкой.
13. Скважинное устройство по п.12, представляющее собой один из компонентов установки электрического погружного насоса, включающих насос, газосепаратор или впускное устройство.
14. Скважинное устройство по п.12, в котором вкладыш и втулка изготовлены из материалов, стойких к истиранию и к формированию отложений.
15. Скважинное устройство по п.14, в котором вкладыш и втулка изготовлены из карбида вольфрама, импрегнированного политетрафторэтиленом.
16. Скважинное устройство по п.12, в котором радиус закругления острого угла не превышает 0,005 дюйма, а передний угол меньше 90°.
17. Скважинное устройство по п.12, в котором оба аксиальных конца одного элемента, вкладыша или втулки, имеют острые углы.
18. Скважинное устройство по п.12, в котором оба элемента, вкладыш и втулка, имеют острые углы.
19. Скважинное устройство по п.12, дополнительно содержащее ограничительные втулки, расположенные на аксиальных концах втулки подшипника и упирающиеся в них в качестве механических ограничителей для удерживания втулки подшипника в правильном вдоль оси корпусам положении на валу, причем диаметр ограничительных втулок меньше диаметра втулки подшипника и они изготовлены из материала, стойкого к формированию отложений.
20. Скважинное устройство по п.19, в котором ограничительные втулки включают упорные кольца или ступицы рабочих колес насоса.
