Деталь погружного центробежного насоса для добычи нефти
Техническое решение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов для добычи нефти, содержащих детали, выполненные методами порошковой металлургии, в частности, насосов для добычи нефти из скважин с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жидкости. Деталь погружного скважинного центробежного насоса содержит пористую матрицу, образованную спеченным металлическим порошковым материалом, поры которой заполнены пропиточным материалом. При этом в отличии от прототипа пропиточный материал выполнен на основе вещества с низкой склонностью к солеотложению в скважинных условиях, а в объеме пропиточного материала распределены частицы наполнителя, предназначенного для повышения абразивной стойкость пропиточного материала. Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности, долговечности и эффективности использования погружных центробежных насосов для добычи нефти в скважинах с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жидкости за счет снижения склонности к солеотложению используемых в насосе деталей без существенного снижения их прочности и стойкости к абразивному износу.
Техническое решение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов для добычи нефти, содержащих детали, выполненные методами порошковой металлургии, в частности, насосов для добычи нефти из скважин с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жид кости.
Известна деталь погружного центробежного насоса для добычи нефти (см. Меркушев Ю.М. Ступени УЭЦН с низким солеотложением, журнал «Журнал Бурение и нефть», 2005 г.), представляющая собой комбинированный направляющий аппарат ступени насосной модуль-секции насоса с проточной частью, выполненной из полимерного материала.
Недостатком аналога является недостаточно высокая технологичность и низкая абразивная стойкость полимерных элементов, образующих проточную часть направляющего аппарата, разрушение которых существенно ухудшает гидродинамические характеристики ступеней и насоса в целом.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели (прототипом) является деталь погружного центробежного насоса для добычи нефти (см. патент RU 2106430 С 1, 10.03.1998 и Т.А.Сюр, А.И.Рабинович и др. КОРРОЗИЯ ПРОПИТАННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В СРЕДАХ НЕФТЕДОБЫЧИ, «Защита металлов» т.33, №4, с.397-400, 1997),
содержащая пористую матрицу, образованную спеченным порошковым материалом, поры которой заполнены полимерным пропиточным материалом, улучшающим коррозионные характеристики детали и представляющим собой один или несколько слоев последовательно отверженного полимерного материала на основе поливинилового спирта (масляностирольной краски МС-17, фенолформальдегидного клея БФ-4 и др.) с добавками ингибитора коррозии (производные из класса диантипирилметанов ПТУ-2, цинковая соль дитио-карбоновой кислоты ДФ-11 и др.)
Основными недостатками прототипа является недостаточная абразивная стойкость пропиточного материала, а также то, что пропиточный полимерный материал предназначен исключительно для повышения общей коррозионной стойкости детали и может оказаться неэффективным с точки зрения снижения солеотложения на деталях погружного насоса, что часто более важно при эксплуатации насоса в скважине с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жидкости.
Таким образом, задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в обеспечении возможности использования погружных центробежных насосов для добычи нефти с деталями, изготовленными методами порошковой металлургии, в скважинах с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жидкости.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности, долговечности и эффективности использования погружных центробежных насосов для добычи нефти в
скважинах с высокой обводненностью и высоким содержанием минеральных солей в пластовой жидкости за счет снижения склонности к солеотложению используемых в насосе деталей без существенного снижения их прочности и стойкости к абразивному износу.
Деталь погружного скважинного центробежного насоса содержит пористую матрицу, образованную спеченным металлическим порошковым материалом, поры которой заполнены пропиточным материалом. При этом в отличии от прототипа пропиточный материал выполнен на основе вещества с низкой склонностью к солеотложению в скважинных условиях, а в объеме пропиточного материала распределены частицы наполнителя, предназначенного для повышения абразивной стойкость пропиточного материала.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, суммарная площадь участков выходов на поверхность матрицы пор, заполненных пропиточным материалом, составляет от 10 до 40% от общей площади поверхности матрицы.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал содержит ингибитор солеотложения.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал содержит пористые волокна, пропитанные ингибитором солеотложения.
При этом в частном случае реализации полезной модели, пористые волокна выполнены из материала, химически не взаимодействующего с пропиточным материалом.
При этом в частном случае реализации полезной модели, пористые волокна представляют собой углеродные волокна.
При этом в частном случае реализации полезной модели, пористые волокна представляют собой волокна расширенного графита.
При этом в частном случае реализации полезной модели, ингибитор солеотложения представляет собой соли фосфоновой кислоты.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, на поверхности пористой матрицы образован слой упомянутого пропиточного материала.
При этом в частном случае реализации полезной модели, толщина, по крайней мере, основной части слоя пропиточного материала составляет не менее 0,04 мм.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, объем пор матрицы, заполненных пропиточным материалом, находится в пределах от 10 до 40% объема матрицы.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал представляет собой лак на основе сложного полиэфира.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал представляет собой лак на основе поливинилхлорида.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал представляет собой сложноосновный материал, содержащий, по меньшей мере, два последовательно отверженных лака.
При этом в частном случае реализации полезной модели, пропиточный
материал содержит отверженный лак на основе поливинилхлорида и отверженный лак на основе полифениленсульфида.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, наполнитель представляет собой частицы SiO2.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, наполнитель представляет собой керамический порошковый материал.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, наполнитель представляет собой порошковый материала на основе карбидов и/или карбо-нитридов тугоплавких металлов.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал выполнен на основе высокомолекулярного полиэтилена.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал выполнен на основе фенолформальдегидной смолы.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пропиточный материал включает в себя антифрикционную присадку.
При этом в частном случае реализации полезной модели, антифрикционная присадка представляет собой дисульфид молибдена.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, пористая матрица выполнена из порошкового материала на основе железа и/или стали.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, деталь представляет собой рабочее колесо или направляющий аппарат ступени насосной модуль-секции погружного центробежного насоса или втулку радиальной опоры насосной модуль-секции погружного центробежного насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, деталь представляет собой рабочий орган или шнек газосепаратора погружного центробежного насоса.
Повышение надежности и долговечности насоса за счет снижения склонности деталей насоса к солеотложению в среде пластовой жидкости обеспечивается путем применения металло-полимерных деталей, представляющих собой пропитываемые спеченные изделия, в качестве пропитывающего материала для которых используются неметаллические материалы на основе полимеров, имеющих низкую адсорбционную способность к минеральным солям, выпадающим в осадок из обычной пластовой жидкости в скважинных условиях (карбонаты кальция (СаСО3), магния (MgCO 3) и пр.) и изначально содержащихся в ней, например хлориды кальция, натрия, железа, пирит (FeS2), доломит (CaMg[CO3]2 ) и пр., а также другим минералам, не относящимся к солям, но обычно входящим в состав минеральных отложений, образующихся на деталях погружных насосов. Кроме того, полимерные материалы практически не подвержены коррозии, в результате которой на поверхности детали образуются основные очаги кристаллизации отложений, и не создают гальванопар в среде пластовой жидкости, что также является одной из основных причин образования солеотложений на металлических деталях насоса, так как ионы минеральных солей имеют электрический заряд и при взаимодействии с поверхностью деталей насоса происходит выделение солей из объема пластовой жидкости и их адсорбция на поверхности деталей насосного оборудования, главным образом в застойных зонах с низкой
скоростью потока. Таким образом, чередование на поверхности детали небольших по размерам участков металла (спеченного порошкового материала) и пропиточного полимерного материала, создает условия, при которых не происходит разрастания отложений, образующиеся на металлических участках поверхности, и, в результате, они постоянно смываются потоком перекачиваемой жидкости. При этом, если суммарная площадь участков выходов на поверхность детали пор матрицы, заполненных полимерным материалом, будет меньше 10% от общей площади поверхности детали указанный выше эффект будет проявляться в недостаточной степени, а если площадь таких участков превысит 40%, то это приведет к снижению прочности металлической матрицы, так как рассматриваемый параметр напрямую связан с ее общей пористостью.
Наличие спеченной металлической матрицы обеспечивает сохранение прочностных характеристик детали, которые оказываются существенно выше, чем у цельнополимерных деталей, описанных, в частности, в свидетельствах на полезную модель RU 42867 U 1, 20.12.2004, RU 6852 U 1, 06.16.1998 и др. При этом пропитка является одним из наиболее простых и технологичных способов изготовления металло-полимерных изделий, что выгодно отличает заявленное техническое решение, в частности, от первого из указанных выше аналогов.
Наиболее интенсивно образование солевых отложений идет на приеме насоса (газосепаратора) и на рабочих органах насосных модуль-секций. При этом отложения солей в проточной части рабочих органов насоса приводит к
уменьшению подачи, понижению КПД насоса, значительному росту числа отказов насоса и погружного электродвигателя. Таким образом, снижение солеотложения на деталях насоса наряду с повышением надежности и долговечности насоса обеспечивает повышение общей эффективности его использования в течении всего периода эксплуатации.
Кроме того, благодаря наличию на поверхности детали участков, образованных полимерным материалом, обеспечивается также повышение общей коррозионной стойкости детали, в частности в средах, содержащих сероводород.
Наличие в объеме пропиточного материала частиц наполнителя обеспечивает повышение стойкости пропиточного материала и, соответственно, детали в целом к абразивному износу, вызываемому воздействием на детали насоса твердыми частицами, содержащимися в перекачиваемой жидкости (породообразующие минералы, вымываемые из продуктивного коллектора, такие как кварц, полевые шпаты и пр., продукты коррозии и т.д.).
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием рабочего колеса погружного центробежного насоса, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, сопровождаемое графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 - схематичное изображение приповерхностной зоны детали после механической обработки.
На Фиг.2 - схематичное изображение приповерхностной зоны детали с
открытыми участками пористой матрицы.
Рабочее колесо включает в себя пористую спеченную металлическую матрицу 1 с открытой пористостью и расположенный в ее порах полимерный пропиточный материал 2.
Части пористой матрицы (ведущий диск рабочего колеса, ведомый диск с лопастями и втулку) сформировали двухсторонним прессованием на гидравлическом прессе из металлического порошка на основе железа и стали. Затем произвели спекание порошкового материала с одновременным соединением частей пористой матрицы. Состав и размер частиц порошка, а также режим прессования и спекания подбирали таким образом, чтобы обеспечить остаточную пористость спеченной заготовки около 25%, при этом суммарная площадь участков 3 выходов на поверхность пор спеченной заготовки оказалась в пределах 20-30% от общей площади поверхности детали. Спеченную заготовку подвергли дополнительной прокалке для открытия пор, после этого осуществили вакуумную пропитку (глубина вакуума 10 -1 атм) лаком на основе сложного полиэфира, обладающим высокой адгезией к материалу спеченной заготовки.
Для повышения абразивной стойкости рабочего колеса перед пропиткой в лак ввели присадку из группы кремнийорганических соединений, из которой при нагреве выделяются твердые частицы 4 двуокиси кремния (SiO 2), равномерно распределяющиеся в объеме пропиточного материала. Размеры образующихся частиц меньше размера пор матрицы 1, что обеспечивает их свободный проход к приповерхносным слоям заготовки при пропитке.
Кроме того для повышения абразивной стойкости в пропиточный материал наряду с упомянутой присадкой или независимо от нее может быть введен порошковый неметаллический наполнитель (керамический или твердосплавный порошковый материал на основе карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов), размер частиц основной фракции которого также должен быть выбран меньше предполагаемого размера пор матрицы.
Пропитка также может быть осуществлена под давлением (3-5 атм) или комбинированным способом, так как это не оказывает влияния на эксплуатационные свойства изделия.
Для заполнения пор или для придания особых свойств изделию после сушки первой порции пропиточного материала может быть осуществлена повторная пропитка заготовки полимерным материалом, при этом может быть использован тот же самый или иной пропиточный материал, в том числе обладающий низкой адгезией к материалу спеченной заготовки, например лак на основе полифениленсульфида (PPS). В результате, после отвержения (сушки или полимеризации) второй порции пропиточного материала, поры спеченной металлической матрицы будут заполнены сложноосновным полимерным материалом, содержащим два последовательно отверженных лака.
Для дополнительного снижения солеотложения на рабочем колесе погружного насоса в пропиточный материал ввели пористые углеродные волокна, пропитанные раствором ингибитора солеотложения типа ДИФАНАТ марки А (волокна были предварительно высушены для удаления растворителя). Описанный способ введения ингибитора позволяет с необходимой
точностью задавать скорость его растворения в пластовой жидкости в процессе эксплуатации рабочего колеса.
В состав пропиточного материала предварительно ввели также антифрикционную присадку (дисульфид молибдена).
После сушки (полимеризации) пропиточного материала часть поверхностей рабочего колеса подвергли механической обработке (шлифованию), при этом на поверхностях не подвергающихся мехобработке (проточная часть колеса и др.) в процессе пропитки может быть образован слой 5 полимерного материала, толщиной до 0,04 мм за счет избыточно количества пропиточного материала, что обеспечивает максимальную степень защиты этих поверхностей от солеотложения и коррозии при некотором снижении абразивной стойкости поверхности.
1. Деталь погружного скважинного центробежного насоса, содержащая пористую матрицу, образованную спеченным металлическим порошковым материалом, поры которой заполнены пропиточным материалом, отличающаяся тем, что пропиточный материал выполнен на основе вещества с низкой склонностью к солеотложению в скважинных условиях, а в объеме пропиточного материала распределены частицы наполнителя, предназначенного для повышения абразивной стойкости пропиточного материала.
2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарная площадь участков выходов на поверхность матрицы пор, заполненных пропиточным материалом, составляет от 10 до 40% от общей площади поверхности матрицы.
3. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал содержит ингибитор солеотложения.
4. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал содержит пористые волокна, пропитанные ингибитором солеотложения.
5. Деталь по п.4, отличающаяся тем, что пористые волокна выполнены из материала, химически не взаимодействующего с пропиточным материалом.
6. Деталь по п.5, отличающаяся тем, что пористые волокна представляют собой углеродные волокна.
7. Деталь по п.5, отличающаяся тем, что пористые волокна представляют собой волокна расширенного графита.
8. Деталь по п.3 или 4, отличающаяся тем, что ингибитор солеотложения представляет собой соли фосфоновой кислоты.
9. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности пористой матрицы образован слой упомянутого пропиточного материала.
10. Деталь по п.9, отличающаяся тем, что толщина, по крайней мере, основной части слоя пропиточного материала составляет не менее 0,04 мм.
11. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что объем пор матрицы, заполненных пропиточным материалом, находится в пределах от 10 до 40% объема матрицы.
12. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал представляет собой лак на основе сложного полиэфира.
13. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал представляет собой лак на основе поливинилхлорида.
14. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал представляет собой сложноосновный материал, содержащий, по меньшей мере, два последовательно отверженных лака.
15. Деталь по п.14, отличающаяся тем, что пропиточный материал содержит отверженный лак на основе поливинилхлорида и отверженный лак на основе полифениленсульфида.
16. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель представляет собой частицы SiO.
17. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель представляет собой керамический порошковый материал.
18. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель представляет собой порошковый материал на основе карбидов и/или карбонитридов тугоплавких металлов.
19. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал выполнен на основе высокомолекулярного полиэтилена.
20. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал выполнен на основе фенолформальдегидной смолы.
21. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пропиточный материал включает в себя антифрикционную присадку.
22. Деталь по п.21, отличающаяся тем, что антифрикционная присадка представляет собой дисульфид молибдена.
23. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что пористая матрица выполнена из порошкового материала на основе железа и/или стали.
24. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что представляет собой рабочее колесо или направляющий аппарат ступени насосной модуль-секции погружного центробежного насоса или втулку радиальной опоры насосной модуль-секции погружного центробежного насоса.
25. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что представляет собой рабочий орган и/или шнек газосепаратора погружного центробежного насоса.
