ГИБКАЯ ГЕРМЕТИЧНАЯ МУФТА
FLEXIBLE DRIP

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к устройствам для гибкого соединения модульных секций центробежных, объемных и винтовых насосов, используемых для подъема пластовой жидкости из сильно искривленных и наклонно направленных горизонтальных скважин и боковых стволов малого диаметра.
Для нормальной работы в скважине погружное насосное оборудование должно быть опущено ниже динамического уровня жидкости, который может находиться в основном стволе, на уровне врезки бокового ствола или в самом боковом стволе. Спуск насосного оборудования в боковой ствол сопряжен со сложностями, связанными с малым внутренним диаметром эксплуатационной колонны, составляющим 114, 102 и 89 мм, и интенсивностью набора кривизны. При бурении бокового ствола набор кривизны может варьироваться от 1…3 градусов на 10 метрах проходки до 5…6 градусов и даже достигать 15…18 градусов [см., например, В.Н. Ивановский и др. Анализ влияния темпа набора кривизны на габаритные размеры скважинного оборудования для эксплуатации скважин с боковыми стволами. - Территория НЕФТЕГАЗ, 2011, №11, с. 72-74].
Для размещения установок насосного агрегата в точке оптимального значения по дебиту в искривленных скважинах модульные секции соединяются гибкими муфтами.
Известна гибкая муфта, содержащая два корпуса, соединенные между собой посредством кольца со сферической наружной поверхностью и крестовиной из пальцев, размещенный внутри крестовины промежуточный вал с шарнирными муфтами по концам для сочленения валов секций и передачи осевого усилия, каждая из которых включает вилки, соединенные с валами посредством шлицов, имеющих возможность осевого перемещения, крестовину со сферической поверхностью и центром на пересечении оси вращения вала с осью пальца крестовины, и валы, упирающиеся торцами в сферическую поверхность крестовины [Патент №2478836 РФ, F04D 13/10, 2013].
Недостаток гибкой муфты состоит в том, что она содержит много трущихся поверхностей, которые находятся в потоке пластовой жидкости и не защищены от воздействия абразивных частиц. Кроме того, проблематично изготовление гибкой муфты в малом габарите применительно к скважинам малого диаметра. И, наконец, гибкая муфта позволяет изменять положение осей соседних частей УЭЦН относительно друг друга на ограниченный угол.
Известно устройство углового перемещения модульных секций, состоящее из вала в опорах, продольных пружинных стержней, одни концы которых жестко закреплены в отверстиях корпуса, а противоположные концы зафиксированы в торце накидной гайки, при этом один стыкуемый корпус снабжен внутренней сферической расточкой, наружной резьбой под гайку и присоединительным фланцем для хомута, а другой стыкуемый корпус - наружной сферической расточкой, накидной гайкой, ступицей с отверстиями под стержни и присоединительным фланцем [Патент №2076952 РФ, F04B 47/02, 1997].
Недостаток устройства углового перемещения модульных секций состоит в сложности примененного в ней приспособления для ограничения угловых перемещений и скручивания корпусов относительно друг друга.
Известна зубчатая муфта для сочленения вала верхней секции, выходной конец которой снабжен сферическим элементом, с валом нижней секции, выходной конец которой снабжен сферическим гнездом, состоящая из обоймы с прямыми зубьями на внутренней поверхности и находящейся с ней в зацеплении бочкообразной головки с наружными зубьями, при этом сочленение муфты с выходными концами валов соседних секций осуществляют с помощью шлицевых соединений [Патент №2159870 РФ, F04D 13/10, 2000].
Недостаток зубчатой муфты состоит в том, что соединяемые ею модули УЭЦН должны быть оснащены нестандартными концевыми элементами, что понижает их уровень унификации. Другим недостатком является отсутствие защиты зубьев от механических примесей и как следствие - их износ при эксплуатации.
Известна гибкая герметичная муфта для соединения секций погружной насосной установки, состоящая из корпуса, сферического фланца, левой полуоси, вращающейся в опоре, правой полуоси, сферических роликов или шариков, установленных в сегментных пазах левой и правой полуосей, гофрированной эластичной диафрагмы [Патент №2480628 РФ, F04D 13/10, 2013].
Недостатком гибкой герметичной муфты является ограниченное применение из-за невозможности передачи осевого усилия от вала к валу соседних частей УЭЦН. Кроме того, муфта имеет большой диаметр и не может быть использована в УЭЦН малого габарита, которые наиболее востребованы для работы в боковых стволах.
Наиболее близкой к заявляемой и принятой за прототип является гибкая герметичная муфта, состоящая из двух соединенных посредством сферического кольца корпусов, в которых установлены ведущий и ведомый валы, соединенные с помощью кулачково-дискового шарнирного соединения и снабженные радиальными отверстиями, оси которых смещены относительно торцов валов в сторону их центра масс с образованием на торцах прямоугольного профиля, в радиальных отверстиях установлены цилиндрические кулачки, торцы которых ограничены от продольного перемещения пластинами, закрепленными на ведущем и ведомом валах, при этом в кулачках выполнены продольные круговые пазы прямоугольного профиля шириной меньше диаметра кулачка для размещения диска, ось которого расположена перпендикулярно оси каждого из радиальных отверстий, а центр масс совпадает с центром масс сферического кольца [Патент №2488682 РФ, Е21В 17/02, 2013].
Недостатком гибкой муфты является низкая надежность кулачково-дискового шарнирного соединения, имеющего большое количество незащищенных поверхностей, контактирующих с частицами породы из пластовой жидкости и подвергающихся нагреву и изнашиванию, особенно при повышенных частотах вращения. Кроме того, из-за значительного радиального размера муфта не пригодна для эксплуатации в скважинах малого диаметра.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении надежности работы гибкой герметичной муфты в скважинах со значительной кривизной ствола, уменьшении ее габаритов, а также обеспечении возможности передачи осевых усилий, возникающих в модульных секциях при повышенных оборотах вращения вала.
Указанный технический результат достигается тем, что гибкая герметичная муфта, содержащая два корпуса, соединенных между собой с возможностью углового смещения друг относительно друга, ведущий и ведомый вал, узел сочленения валов, согласно изобретению выполнена симметричной относительно поперечной плоскости, проходящей через середину входящей в ее состав центральной обечайки, корпуса снабжены внутренней резьбой и имеют на обращенных друг к другу торцах продольные пазы и сферическую выточку, сопрягаемую со сферическим донышком стакана, ввинченного в центральную обечайку, в которой концентрично установлен корпус радиального подшипника с продольными каналами на наружной поверхности и подвижной обоймой подшипника внутри, снабженной продольными зубьями для сочленения с продольными зубьями на сферических головках ведущего и ведомого валов, между которыми установлен вкладыш с ответными сферическими выточками по торцам и продольными зубьями, каждый вал уложен в радиальный подшипник скольжения, установленный в поджимной втулке, состоящей из цилиндрической части с наружной резьбой и головной части с наклонными отверстиями и сферическим основанием, опирающимся на внутреннюю поверхность сферического донышка стакана, на стакане установлен зубчатый фиксатор, находящийся в зацеплении с продольными пазами корпуса, к каждому торцу подвижной обоймы подшипника прикреплена гофрированная диафрагма, зафиксированная на валах пружинным кольцом, между цилиндрической частью поджимной втулки и валом сформирован кольцевой канал, образующий с наклонными отверстиями и продольными каналами в корпусе радиального подшипника проточный канал для течения жидкости.
На фиг. 1 и фиг. 2 схематично изображена предлагаемая гибкая герметичная муфта в прямолинейном и криволинейном участке скважины, продольный разрез, на фиг. 3 - она же между модульными секциями.
Гибкая герметичная муфта (фиг. 1, 2) выполнена симметричной относительно поперечной плоскости, проходящей через середину входящей в ее состав центральной обечайки 1. В центральной обечайке 1 размещен корпус радиального подшипника 2 с продольными каналами 3, а в нем - подвижная обойма 4 с внутренними продольными зубьями 5, находящимися в зацеплении с наружными продольными зубьями 6 вкладыша 7, имеющего сферические выточки 8 на торцах. Концы центральной обечайки 1 снабжены внутренней резьбой 9, в которую ввинчены стаканы 10, имеющие на другом конце сферическое донышко 11 с осевым отверстием, сопрягаемое внешней поверхностью с корпусом 12 по сферической выточке 13 на его торце. На корпусе 12 со стороны стакана 10 выполнены внутренняя резьба 14 и наружные продольные пазы 15.
Поджимная втулка 16, состоящая из цилиндрической части 17 с наружной резьбой 18 и головной части 19 с наклонными отверстиями 20 и сферическим основанием 21, проходит через отверстие в сферическом донышке 11 стакана 10 и ввинчена в корпус 12 до примыкания сферического основания 21 к внутренней поверхности сферического донышка 11. В головной части 19 поджимной втулки 16 запрессована втулка подшипника 22, в которую уложен ведущий или ведомый валы 23 и 24, снабженные сферическими головками 25 с продольными зубьями 26, упирающимися в боковые сферические выточки 8 вкладыша 7.
Продольные зубья 5 подвижной обоймы 4 находятся в зацеплении с продольными зубьями 6 вкладыша 7 и продольными зубьями 26 сферической головки 25. На подвижной обойме 4 с помощью защитного колпачка 27 закреплен один конец гофрированной диафрагмы 28, которая другим концом зафиксирована на ведущем или ведомом валу 23, 24 посредством пружинного кольца 29, служащего одновременно предохранительным клапаном. На стакане 10 размещен зубчатый фиксатор 29, зубья которого входят в зацепление с наружными продольными пазами 15 корпуса 12 и ограничивают взаимные угловые смещения стакана и корпуса.
В сферических головках 25 ведущего и ведомого валов 23, 24 выполнены осевые каналы 31 и радиальные отверстия 32, заполненные смазкой. Между цилиндрической частью 17 поджимной втулки 16 и валом 23 или 24 образован кольцевой канал 33, который вместе с наклонными отверстиями 20 в поджимной втулке 16 и продольными каналами 3 в корпусе радиального подшипника 2 образует проточный канал для течения жидкости через гибкую герметичную муфту.
На сферической выточке 13 корпуса 12 проточена кольцевая канавка, в которую помещено уплотнительное кольцо 34.
Гибкую герметичную муфту собирают в следующей последовательности.
Поджимную втулку 16 вводят цилиндрической частью 17 в отверстие стакана 10, на котором размещен зубчатый фиксатор 30, и затем ввинчивают в корпус 12 до зажатия сферического донышка 11 между сферическим основанием 21 головной части 19 и сферической выточкой 13.
На каждый из валов 23, 24 надевают гофрированную диафрагму 28 с защитным колпачком 27 и закрепляют ее пружинным кольцом 29, а затем устанавливают втулку радиального подшипника 22 с фиксацией кольцом 35. Собранный ведущий вал 23 укладывают в поджимную втулку 16 до совмещения втулки радиального подшипника 22 с головной частью 19 вышеназванной втулки.
На сферическую головку 25 вала 23 насаживают подвижную обойму 4 с вкладышем 7 и закрепляют на ней гофрированную диафрагму 28 с помощью защитного колпачка 27. Центральную обечайку 1 с помещенным внутри корпусом радиального подшипника 2 надевают на подвижную обойму 4 и навинчивают на стакан 10. С другого конца в подвижную обойму 4 вставляют сферическую головку 25 ведомого вала 24 и прикрепляют гофрированную диафрагму 28 защитным колпачком 27. Сборку, включающую корпус 12, стакан 10 с зубчатым фиксатором 30 и поджимную втулку 16, насаживают на ведомый вал 24 и навинчивают на свободный конец центральной обечайки 1 до упора. При сборке внутренние полости гофрированных диафрагм 28 и осевого канала 31 заполняют высокотемпературной смазкой.
1
Посредством собранной гибкой муфты соединяют модульные насосные секции (фиг. 3). Для этого на вал 36 нижней насосной секции 37 надевают шлицевую муфту 38 с регулированием вылета L винтом 39 и вставляют в нее шлицевой конец ведущего вала 23, после чего проводят сборку фланцевого соединения между секцией и муфтой. В той же последовательности соединяют ведомый вал 24 и гибкую герметичную муфту с валом 40 верхней насосной модульной секции 41 и скрепляют их фланцы. Затем проводят контроль трансмиссии валов 40, 24, 23, 36.
Соединение модульных секций насосного агрегата посредством заявляемых гибких герметичных муфт проводится на устье скважины, при этом месторасположение и количество гибких герметичных муфт определяется техническими характеристиками скважины.
При попадании в криволинейную или наклонно направленную скважину модульные секции насосного агрегата адаптируются к ее профилю за счет принятия гибкими герметичными муфтами формы ломаной линии. Это происходит при повороте продольной оси любого из корпусов 12 относительно продольной оси центральной обечайки 1 на угол α=2°. Корпуса 12 поворачиваются относительно центров, находящихся в точке контакта сферических головок 25 валов 23, 24 со сферическими выточками 8 во вкладыше 7. При повороте сферическая выточка 13 корпуса 12 скользит по внешней поверхности сферического донышка 11 стакана 10, а сферическое основание 21 поджимной втулки 16 скользит по внутренней поверхности сферического донышка 11. Зубчатый фиксатор 30, находящийся в зацеплении с наружными продольными пазами 15, ограничивает угловое смещение корпуса 12 относительно стакана 10 и предотвращает скручивание относительно продольной оси. Уплотнительное кольцо 34 обеспечивает герметичность между контактирующими сферическими поверхностями корпуса 12 и стакана 10. Суммарный поворот осей двух секций насосного агрегата с гибкой герметичной муфтой посередине составляет 2α=4°. У трехметровых насосных секций, соединенных 2 муфтами, ось искривляется на угол 6α=12 градусов, при этом сборка может быть размещена на десяти метрах.
За счет возможности копирования профиля скважины предотвращается изгиб и напряжения во фланцевых соединениях и корпусных деталях модульных секций погружного насосного агрегата.
Во время работы погружного насосного агрегата в гибкой герметичной муфте крутящий момент от ведущего вала 23 передается к ведомому валу 24 посредством зубчатой передачи, образованной продольными зубьями 26 на двух сферических головках 25 вышеназванных валов и внутренними продольными зубьями 5 подвижной обоймы 4, вращающейся в корпусе радиального подшипника 9.
Благодаря тому, что ведущий 23 и ведомый 24 валы упираются сферическими головками 25 в сферические выточки 8 на торцах вкладыша 7, гибкая герметичная муфта обеспечивает передачу осевых усилий, возникающих в модульных секциях насосного агрегата.
Для снижения потерь на трение продольные зубья 26 на сферических головках 25 и продольные зубья 5 на подвижной обойме 4 смазываются смазкой, поступающей из осевого канала 31 по радиальным отверстиям 32. Одновременно смазываются контактирующие поверхности сферических головок 25 и сферических выточек 8. Для защиты от возможного воздействия механических частиц трущиеся детали герметично закрыты гофрированной диафрагмой 28, закрепленной колпачком 27. Через пружинное кольцо 29 осуществляется стравливание избыточного давления из пространства под гофрированной диафрагмой 28.
Заявляемая гибкая герметичная муфта имеет небольшой габарит, что дает возможность использовать ее в скважинах малого диаметра, в том числе при повышенных оборотах вплоть до 6000 об/мин, поскольку гофрированная диафрагма в сочетании с защитным колпачком и пружинным кольцом обеспечивает продолжительное нахождение смазки между трущимися деталями, предотвращая их перегрев.
Использование заявляемой гибкой герметичной муфтой для соединения модульных секций повышает надежность работы погружного насосного агрегата в наклонно направленных скважинах с превышающей допустимые пределы кривизной, что позволяет более эффективно использовать действующий фонд скважин.