特開 2022-148726 採掘ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022148726

(43)【公開日】2022-10-06

(54)【発明の名称】採掘ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/44 20060101AFI20220929BHJP

   F04D 1/08 20060101ALI20220929BHJP

   F04D 7/04 20060101ALI20220929BHJP

   E21B 43/00 20060101ALI20220929BHJP

【ＦＩ】

F04D29/44 A

F04D1/08 A

F04D7/04 H

E21B43/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021050521

(22)【出願日】2021-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】前田 聡

(72)【発明者】

【氏名】深尾 伸次

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA04

3H130AA27

3H130AB05

3H130AB22

3H130AB46

3H130AB62

3H130AB65

3H130AB69

3H130AC01

3H130BA22A

3H130BA24A

3H130BA42A

3H130CA12

3H130DA02Z

3H130DD01Z

3H130EB01A

(57)【要約】

【課題】スラリー成分による影響が低減された採掘ポンプを提供する。
【解決手段】採掘ポンプは、生産管と、ポンプロータと、ポンプロータを囲うポンプステータと、を備え、ポンプロータは、ポンプシャフトと、ポンプシャフトとともに回転するインペラと、を有し、ポンプステータは、インペラの外側に流路を形成するステータ本体と、ステータシュラウドと、ステータ本体とステータシュラウドとを接続する複数のベーンと、を有し、ステータシュラウドは、ベーンから流出した流れの流出方向の延長線上に形成された案内面と、案内面の上方の端縁に接続され、案内面と交差する方向に延びる段差面と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下方向に延びる軸線に沿う筒状をなす生産管と、
該生産管内で前記軸線方向に延びるポンプロータと、
前記生産管と前記ポンプロータとの間で該ポンプロータを囲うポンプステータと、
を備え、
前記ポンプロータは、
前記軸線方向に順次接続された複数のポンプシャフトと、
これらポンプシャフトにそれぞれ複数段が設けられて、前記ポンプシャフトとともに回転することで上方に原油を汲み上げるインペラと、
を有し、
前記ポンプステータは、
前記軸線に沿って延びる筒状をなすことで前記インペラの外側に流路を形成するステータ本体と、
前記インペラに前記軸線方向の上方から対向することで前記流路を形成するステータシュラウドと、
前記ステータ本体と前記ステータシュラウドとを接続するとともに周方向に間隔をあけて配列された複数のベーンと、
を有し、
前記ステータシュラウドは、
前記ベーンから流出した流れの流出方向の延長線上に形成された案内面と、
該案内面の前記軸線方向の上方の端縁に接続され、前記案内面と交差する方向に延びる段差面と、
を有する採掘ポンプ。

【請求項2】

前記案内面は、径方向内側に向かうに従って次第に前記軸線方向に延びるように湾曲している請求項１に記載の採掘ポンプ。

【請求項3】

前記案内面と前記段差面の間に形成され、前記軸線方向に延びる円筒面をさらに有する請求項１又は２に記載の採掘ポンプ。

【請求項4】

前記段差面は、径方向に延びている請求項１から３のいずれか一項に記載の採掘ポンプ。

【請求項5】

前記段差面は、径方向内側に向かうに従って前記軸線方向の下方に向かって延びている請求項１から３のいずれか一項に記載の採掘ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、採掘ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

油井から原油をくみ上げるための装置として、これまでＥＳＰ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ Ｐｕｍｐ：人工採油電動ポンプ）と呼ばれるポンプが広く用いられてきた。下記特許文献１に示されるように、この種のポンプは、回転軸回りに回転する回転軸と、この回転軸に一体に設けられた複数のインペラと、回転軸及びインペラを外周側から覆うケーシングと、を備えている。このポンプは、井戸（油田）に挿入された配管内に配置され、電動機によって回転軸を回転させることで、地下の石油を上方にくみ上げる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１８－５０８７０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、採掘される原油は、液状成分に加えて、微細な固体粒子であるスラリー成分を多く含むことが知られている。このようなスラリー成分が回転軸の軸受や回転軸の表面に混入すると、摩耗や損耗が進行して正常なポンプ性能を得られなくなる虞がある。

【0005】

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、スラリー成分による影響が低減された採掘ポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本開示に係る採掘ポンプは、上下方向に延びる軸線に沿う筒状をなす生産管と、該生産管内で前記軸線方向に延びるポンプロータと、前記生産管と前記ポンプロータとの間で該ポンプロータを囲うポンプステータと、を備え、前記ポンプロータは、前記軸線方向に順次接続された複数のポンプシャフトと、これらポンプシャフトにそれぞれ複数段が設けられて、前記ポンプシャフトとともに回転することで上方に原油を汲み上げるインペラと、を有し、前記ポンプステータは、前記軸線に沿って延びる筒状をなすことで前記インペラの外側に流路を形成するステータ本体と、前記インペラに前記軸線方向の上方から対向することで前記流路を形成するステータシュラウドと、前記ステータ本体と前記ステータシュラウドとを接続するとともに周方向に間隔をあけて配列された複数のベーンと、を有し、前記ステータシュラウドは、前記ベーンから流出した流れの流出方向の延長線上に形成された案内面と、該案内面の前記軸線方向の上方の端縁に接続され、前記案内面と交差する方向に延びる段差面と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、スラリー成分による影響が低減された採掘ポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の実施形態に係る採掘ポンプの構成を示す縦断面図である。

【図2】本開示の実施形態に係る採掘ポンプの要部拡大断面図である。

【図3】本開示の実施形態に係る採掘ポンプの動作中における流体の流れを示す説明図である。

【図4】本開示の実施形態に係る採掘ポンプの変形例を示す要部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（採掘ポンプの構成）
以下、本開示の実施形態に係る採掘ポンプについて、図１から図３を参照して説明する。本実施形態に係る採掘ポンプ１００は、油井から原油をくみ上げるための装置である。図１及び図２に示すように、この採掘ポンプ１００は、ポンプ本体９０と、モータ８０と、掘削管９と、下端スラスト軸受部１０と、を備えている。ポンプ本体９０は、モータ８０から供給された動力によって駆動する。掘削管９は、これらポンプ本体９０、モータ８０、下端スラスト軸受部１０を外周側から覆うとともに、上下方向に延びる軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。

【0010】

ポンプ本体９０は、生産管本体１ａと、ポンプロータ２１と、ポンプステータ３と、を有している。生産管本体１ａは、掘削管９と同軸をなすとともに、掘削管９の内周側に配置される筒状の部材である。ポンプロータ２１は、軸線Ｏ方向に接続された複数のポンプシャフト２１ｓと、ポンプシャフト２１ｓ同士を接続するカップリングスリーブ（不図示）と、これらポンプシャフト２１ｓに固定された複数のインペラ５と、を有している。インペラ５の構成については後述する。

【0011】

ポンプステータ３は、インペラ５を外周側から覆うステータ本体３ｈと、ステータ延長部３ｅと、を有する。ステータ本体３ｈは、下方から上方に向かうに従って拡径と縮径を繰り返すことでインペラ５を収容するとともに、原油が流通するためのステータ流路Ｆｓを画成する。インペラ５、及びポンプステータ３の構成については後述する。ステータ延長部３ｅは、ステータ本体３ｈの下方に一体に設けられるとともに、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。このステータ延長部３ｅの下端には、下端スラストパッド７ｄが取り付けられている。

【0012】

モータ８０は、生産管先端部１ｂと、モータロータ２２と、コイル８１と、磁性部材２２ｍと、を有している。生産管先端部１ｂは、上述の生産管本体１ａの下方に一体に設けられた筒状をなしている。生産管本体１ａと、生産管先端部１ｂは、全体として生産管１を形成する。生産管先端部１ｂの内周面には、周方向に配列された複数のコイル８１が設けられている。このコイル８１は、外部から供給された電流によって電磁力を発生させる。モータロータ２２は、これらコイル８１の内周側に配置され、軸線Ｏに沿って延びる円柱状をなしている。モータロータ２２は、上述のポンプロータ２１をなす複数のポンプシャフト２１ｓのうち、最も下方に位置するポンプシャフト２１ｓに対して下端スプラインカップリング３０ｄを介して接続されている。これら複数のポンプシャフト２１ｓ、及びモータロータ２２は、全体としてロータ２を形成している。モータロータ２２の外周面には、磁性部材２２ｍとしての永久磁石が設けられている。コイル８１に通電することで発生した磁界と磁性部材２２ｍの磁界との間で生じる電磁力によって、ロータ２に回転力が与えられる。

【0013】

なお、生産管先端部１ｂは、掘削管９の内周面から径方向内側に向かって張り出す円環状の支持部４によって下方から支持されている。支持部４の内周側の開口は、原油を取り込むための開口部Ｈとされている。モータロータ２２の下端は、この開口部Ｈ中に挿通されている。モータロータ２２の内部には、上記の開口部Ｈに加えて原油を吸込むための吸込流路Ｆが形成されている。この吸込流路Ｆは、ポンプステータ３の内周側に形成されているステータ流路Ｆｓに連通している。

【0014】

さらに、モータロータ２２の外周面であって、上記磁性部材２２ｍの上方には、径方向外側に向かって張り出すとともに、軸線Ｏを中心とする円環状の下端スラストカラー６ｄが設けられている。この下端スラストカラー６ｄは、ポンプステータ３（ステータ延長部３ｅ）の内周面に設けられた下端スラストパッド７ｄによって上方、及び下方から支持されている。これら下端スラストカラー６ｄ、及び下端スラストパッド７ｄは、下端スラスト軸受部１０を形成している。この下端スラスト軸受部１０、及び後述する中間スラスト軸受部Ｂｓによって、ポンプステータ３に対してロータ２（ポンプロータ２１、及びモータロータ２２）が軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。

【0015】

続いて、図２を参照してインペラ５の構成について説明する。インペラ５は、ディスク５１と、ブレード５２と、シュラウドカバー５３と、を有している。ディスク５１は、ポンプシャフト２１ｓの外周面に固定されるとともに、軸線Ｏを中心とする円盤状をなしている。ディスク５１における下方を向く面は、ディスク主面５１ｍとされている。ディスク主面５１ｍは、下方から上方に向かうに従って、径方向内側から外側に向かうように湾曲している。

【0016】

ディスク主面５１ｍには、周方向に間隔をあけて配列された複数のブレード５２が設けられている。詳しくは図示しないが、各ブレード５２は、径方向内側から外側に向かうに従って、ロータ２の回転方向前方側に向かって湾曲している。また、ブレード５２の翼高さ（ディスク主面５１ｍからの立ち上がり寸法）は、下方から上方に向かうに従って次第に小さくなっている。

【0017】

シュラウドカバー５３は、上記複数のブレード５２を下方から覆う漏斗状をなしている。シュラウドカバー５３は、下方から上方に向かうに従って、径方向内側から外側に向かうように湾曲している。

【0018】

以上のように構成されたインペラ５は、外周側からステータ本体３ｈによって覆われている。ステータ本体３ｈの内周面のうち、シュラウドカバー５３に対向する面は対向面３１とされている。ステータ本体３ｈの内周面のうち、対向面３１の上方に隣接する領域は、接続面３２とされている。接続面３２は、径方向外側に向かって曲面状に凹んでいる。さらに、この接続面３２の上方に隣接する領域は、下流面３３とされている。下流面３３は、下方から上方に向かうに従って、径方向外側から内側に向かって延びている。この下流面３３には、複数のベーン６０、及び当該ベーン６０の内周側に固定されたステータシュラウド３ｓが設けられている。各ベーン６０は、下流面３３から径方向内側に突出する板状をなしている。ベーン６０は、周方向に間隔をあけて複数配列されている。ステータシュラウド３ｓは、上述のディスク５１に対して上方から対向している。

【0019】

ステータシュラウド３ｓの外周面は、案内面３４と、円筒面３５と、段差面３６とによって構成されている。案内面３４は、ステータシュラウド３ｓの下端側から上方に向かうに従って、径方向外側から内側に向かって延びている。また、案内面３４は径方向内側に向かって凹むように曲面的に湾曲している。案内面３４は、図２中の矢印で示されるように、ベーン６０から流出した流れの流出方向の延長線上に位置している。言い換えると、ベーン６０の後縁に対する法線方向の直線はすべてこの案内面３４に向かって延びている。案内面３４の上方には円筒面３５が接続されている。円筒面３５は軸線Ｏに平行に延びている。円筒面３５の上方の端縁には段差面３６が接続されている。段差面３６は、案内面３４、及び円筒面３５に対して交差する方向である径方向に広がっている。円筒面３５と段差面３６とによって断面視で矩形状の段差が形成されている。段差面３６の径方向内側の端縁はポンプシャフト２１ｓの外周面に対向している。

【0020】

（作用効果）
次に、上記の採掘ポンプ１００の動作について説明する。採掘ポンプ１００を稼動させるに当たっては、まず上述のモータ８０に電力を供給することによって、ロータ２を回転させる。ロータ２が回転すると、掘削管９の下端に形成された開口部Ｈから油井内の原油がポンプ本体９０によって上方に吸い上げられる。また、この時、原油はモータロータ２２内に形成された吸込流路Ｆによっても吸い上げられる。

【0021】

ここで、採掘される原油は、液状成分に加えて、微細な固体粒子であるスラリー成分を多く含むことが知られている。このようなスラリー成分が軸受やポンプシャフト２１ｓの表面に混入すると、摩耗や損耗が進行して正常なポンプ性能を得られなくなる虞がある。

【0022】

そこで、本実施形態では上述のようにステータシュラウド３ｓの外周面に案内面３４、円筒面３５、及び段差面３６が形成されている。図３に示すように、案内面３４に沿って流れたスラリー成分を含む原油の主流Ｆ１は、円筒面３５によって軸線Ｏ方向の成分を与えられた後、段差面３６を通過する。この段差面３６が形成されていることによって、主流Ｆ１は剥離する。この剥離によって、段差面３６の上方では剥離渦流れＦ２が形成される。剥離渦流れＦ２が滞留するため、主流Ｆ１は案内面３４、及び円筒面３５よりも径方向内側の領域には流れ込みにくくなる。その結果、スラリー成分がポンプシャフト２１ｓの外周面に向かって流れ込む可能性が低減される。

【0023】

さらに、案内面３４は、径方向内側に向かうに従って次第に軸線Ｏ方向に延びるように湾曲している。この構成によれば、案内面３４によって流体の流れを軸線Ｏ方向に向かうように円滑に案内することができる。

【0024】

また、上記構成では、案内面３４と段差面３６の間に形成され、軸線Ｏ方向に延びる円筒面３５をさらに有する。この構成によれば、円筒面３５によって流体の流れ方向に軸線Ｏ方向成分をさらに大きく付与することができる。その結果、上述した主流Ｆ１に含まれるスラリー成分が径方向内側に向かってしまう可能性をさらに低減することができる。

【0025】

加えて、上記構成では、段差面３６は、径方向に延びている。この構成によれば、段差面３６が径方向に延びていることによって、案内面３４から流出した流れに対してより安定的に剥離渦流れＦ２を形成させることができる。剥離渦流れＦ２が発達するほど、主流Ｆ１が径方向内側に向かってしまう可能性を低減することができる。その結果、採掘ポンプ１００をより安定的に運用することができる。

【0026】

以上、本開示の実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、採掘ポンプ１００を例に説明した。しかしながら、上述の案内面３４、円筒面３５、及び段差面３６は、スラリー等の固形成分を含む流体を扱う回転機械であればいかなるものにも好適に適用することが可能である。

【0027】

さらに、上記実施形態とは異なり、円筒面３５を形成せず、案内面３４の上側の端縁に直接的に段差面３６を形成することも可能である。このような構成によっても上述したものと同様の作用効果を得ることができる。

【0028】

また、図４に示すように、段差面３６ｂが径方向内側に向かうに従って軸線Ｏ方向の下方に向かって延びるように構成することも可能である。このような構成によれば、案内面３４、及び円筒面３５から流出した流れに対してより積極的かつ安定的に渦流れを形成させることができる。

【0029】

＜付記＞
各実施形態に記載の採掘ポンプ１００は、例えば以下のように把握される。

【0030】

（１）第１の態様に係る採掘ポンプ１００は、上下方向に延びる軸線Ｏに沿う筒状をなす生産管１と、該生産管１内で前記軸線Ｏ方向に延びるポンプロータ２１と、前記生産管１と前記ポンプロータ２１との間で該ポンプロータ２１を囲うポンプステータ３と、を備え、前記ポンプロータ２１は、前記軸線Ｏ方向に順次接続された複数のポンプシャフト２１ｓと、これらポンプシャフト２１ｓにそれぞれ複数段が設けられて、前記ポンプシャフト２１ｓとともに回転することで上方に原油を汲み上げるインペラ５と、を有し、前記ポンプステータ３は、前記軸線Ｏに沿って延びる筒状をなすことで前記インペラ５の外側に流路を形成するステータ本体３ｈと、前記インペラ５に前記軸線Ｏ方向の上方から対向することで前記流路を形成するステータシュラウド３ｓと、前記ステータ本体３ｈと前記ステータシュラウド３ｓとを接続するとともに周方向に間隔をあけて配列された複数のベーン６０と、を有し、前記ステータシュラウド３ｓは、前記ベーン６０から流出した流れの流出方向の延長線上に形成された案内面３４と、該案内面３４の前記軸線Ｏ方向の上方の端縁に接続され、前記案内面３４と交差する方向に延びる段差面３６と、を有する。

【0031】

上記構成によれば、ベーンから流出した流体の流れは、案内面３４に沿って上方に流れる。その後、流れが段差面３６を通過する際に、当該段差面３６によって流れの剥離が生じ、段差面３６の上方に渦が形成される。この渦が形成されることによって、流体の主流は段差面３６の直上には入り込みにくくなる。つまり、スラリー成分がこの領域に入り込みにくくなる。その結果、ステータシュラウド３ｓの内周側に位置するポンプシャフト２１ｓの表面にスラリー成分が混入する可能性を低減することができる。

【0032】

（２）第２の態様に係る採掘ポンプ１００では、前記案内面３４は、径方向内側に向かうに従って次第に前記軸線Ｏ方向に延びるように湾曲している。

【0033】

上記構成によれば、案内面３４によって流体の流れを軸線Ｏ方向に向かうように円滑に案内することができる。

【0034】

（３）第３の態様に係る採掘ポンプ１００は、前記案内面３４と前記段差面３６の間に形成され、前記軸線Ｏ方向に延びる円筒面３５をさらに有する。

【0035】

上記構成によれば、円筒面３５によって流体の流れ方向に軸線Ｏ方向成分をさらに大きく付与することができる。

【0036】

（４）第４の態様に係る採掘ポンプ１００では、前記段差面３６は、径方向に延びている。

【0037】

上記構成によれば、段差面３６が径方向に延びていることによって、案内面３４から流出した流れに対してより安定的に渦を形成させることができる。

【0038】

（５）第５の態様に係る採掘ポンプ１００では、前記段差面３６は、径方向内側に向かうに従って前記軸線Ｏ方向の下方に向かって延びている。

【0039】

上記構成によれば、段差面３６が径方向内側に向かうに従って軸線Ｏ方向の下方に向かって延びていることで、案内面３４から流出した流れに対してより積極的かつ安定的に渦を形成させることができる。

【符号の説明】

【0040】

１００ 採掘ポンプ
１ 生産管
１ａ 生産管本体
１ｂ 生産管先端部
２ ロータ
３ ポンプステータ
３ｅ ステータ延長部
３ｈ ステータ本体
４ 支持部
５ インペラ
６ｄ 下端スラストカラー
７ｄ 下端スラストパッド
９ 掘削管
１０ 下端スラスト軸受部
２１ ポンプロータ
２１ｓ ポンプシャフト
２２ｍ 磁性部材
３０ｄ 下端スプラインカップリング
３１ 対向面
３２ 接続面
３３ 下流面
３４ 案内面
３５ 円筒面
３６，３６ｂ 段差面
５１ ディスク
５１ｍ ディスク主面
５２ ブレード
５３ シュラウドカバー
６０ ベーン
８０ モータ
８１ コイル
９０ ポンプ本体
Ｆ 吸込流路
Ｆ１ 主流
Ｆ２ 渦流れ
Ｏ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】