УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОГРУЖНОГО НАСОСНОГО УЗЛА
ULTRASONIC WELDING OF ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP UNIT COMPONENTS

Область техники
[0001] Настоящее раскрытие относится к электрическим погружным насосным узлам. Более конкретно, раскрытие относится к ультразвуковой сварке определенных компонентов узла.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Во многих углеводородных добывающих скважинах используются электрические погружные насосы (ESP). Типовой ESP содержит насос, который приводится в действие электрическим двигателем. Между двигателем и насосом устанавливают уплотнительную секцию для герметизации вала и, как правило, для уменьшения перепада давлений между скважинной жидкостью и смазывающим веществом двигателя. ESP может содержать другие модули, такие как газовый сепаратор или дополнительные насосы, двигатели и уплотнительные секции, соединенные последовательно.
[0003] Некоторые из модулей ESP могут иметь длину 30 футов или более, поэтому обычно их доставляют на площадку скважины по отдельности, а затем соединяют с другими модулями. Обычно каждый модуль имеет переходник с резьбовым соединителем для соединения с другими модулями. Резьбовой соединитель, как правило, представляет собой наружный фланец с отверстиями для болтов для болтового соединения двух модулей друг с другом. Каждый переходник прикрепляется за счет использования резьбового взаимодействия с трубчатым корпусом его модуля.
[0004] Резьбовое соединение переходника с его корпусом позволяет создавать замок. Резьбовое соединение переходника одного модуля с переходником другого модуля также позволяет создавать замок между двумя переходниками. Герметизация этих замков в скважинных средах, в которых замок должен обеспечивать блокировку от передачи давления, попадания коррозионных жидкостей, влаги и загрязняющих веществ, может быть сложна. Большинство замков герметизируют эластомерными уплотнительными кольцами или прокладками.
Изложение сущности изобретения
[0005] Скважинный узел содержит трубчатые первый и второй компоненты, имеющие общую продольную ось, цилиндрические внешние поверхности и торцевые грани, обращенные друг к другу и образующие замок между торцевыми гранями. Слои металлической фольги приваривают к внешним поверхностям первого и второго компонентов вокруг замка, чтобы обеспечить герметизацию для предотвращения попадания скважинных жидкостей в замок.
[0006] В показанном варианте осуществления кольцевое углубление имеет участок, образованный на внешней поверхности первого компонента смежно с торцевой гранью первого компонента, и другой участок, образованный на внешней поверхности второго компонента смежно с торцевой гранью второго компонента. Слои металлической фольги приваривают вокруг углубления.
[0007] В одном варианте осуществления передняя часть первого компонента проходит за торцевую грань первого компонента во внутреннюю часть второго компонента. Сопрягаемые витки резьбы на внешней стороне передней части и внутренней боковой стенке второго компонента позволяют прикреплять первый компонент ко второму компоненту. В качестве вспомогательного уплотнения между внешним участком передней части и внутренней боковой стенкой второго компонента может использоваться уплотнительное кольцо. В другом варианте осуществления металлическая фольга обеспечивает единственное несущее нагрузку соединение между первым и вторым компонентами.
[0008] В показанном варианте осуществления наружный фланец проходит наружу от каждого из первого и второго компонентов. Фланцы имеют примыкающие поверхности, которые образуют торцевые грани. Фланцы скреплены друг с другом с помощью болтов, а цилиндрические внешние поверхности расположены на наружных диаметрах каждого из фланцев.
[0009] В показанных вариантах осуществления узел содержит электрический погружной насос, имеющий первый и второй модули. Первый компонент содержит переходник первого модуля, причем переходник имеет резьбовой соединитель, который прикрепляет первый модуль ко второму модулю. Второй компонент содержит трубчатый корпус первого модуля.
[0010] В показанных вариантах осуществления первый и второй модули содержат модуль двигателя и модуль уплотнительной секции. Первый компонент содержит переходник модуля двигателя, причем переходник имеет наружный фланец с отверстиями для болтов для прикрепления модуля двигателя к модулю уплотнительной секции. Второй компонент содержит трубчатый корпус двигателя. Переходник может иметь переднюю часть, которая проходит во внутреннюю часть корпуса двигателя. Сопрягаемые витки резьбы между передней частью и внутренней боковой стенкой корпуса двигателя позволяют прикреплять переходник к корпусу двигателя.
Краткое описание графических материалов
[0011] На Фиг. 1 представлен вид сбоку электрического погружного насосного узла, имеющего приваренные друг к другу компоненты, в соответствии с настоящим раскрытием.
[0012] На Фиг. 2 представлен вид в разрезе частей двух компонентов узла, показанного на Фиг. 1, скрепленных с помощью витков резьбы, со слоями тонкой металлической фольги, приваренной с помощью ультразвуковой сварки вокруг резьбового замка между двумя компонентами для обеспечения металлического барьера с целью предотвращения попадания скважинных жидкостей в замок.
[0013] На Фиг. 3 представлен вид в разрезе альтернативной конструкции, на котором показаны слои тонкой металлической фольги, приваренной с помощью ультразвуковой сварки вокруг замка из двух компонентов, причем образованный шов обеспечивает герметизацию, а также несущее нагрузку соединение между двумя компонентами.
[0014] На Фиг. 4 представлен вид в разрезе другой альтернативной конструкции, на котором показаны части двух компонентов с фланцами, скрепленными друг с другом с помощью болтов, со слоями тонкой металлической фольги, приваренной с помощью ультразвуковой сварки вокруг совмещенных фланцев двух компонентов для обеспечения металлического барьера с целью предотвращения попадания скважинных жидкостей в замок.
[0015] На Фиг. 5 представлен схематический вид, выполненный вдоль линии 2-2 на Фиг. 2 и иллюстрирующий металлическую фольгу по варианту осуществления, показанному на Фиг. 2, привариваемую вокруг компонентов.
Подробное описание
[0016] Ниже более подробно описаны способ и система по настоящему раскрытию со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны варианты осуществления. Способ и система по настоящему раскрытию могут иметь множество разных форм, и их не следует рассматривать как ограниченные проиллюстрированными вариантами осуществления, изложенными в настоящем документе; вместо этого, эти варианты осуществления представлены таким образом, чтобы данное раскрытие было полным и подробным и полностью передавало его объем для специалистов в данной области. Для указания одинаковых элементов по тексту используются одинаковые числа. В одном варианте осуществления использование термина «приблизительно» включает в себя отклонение +/- 5% указанной величины. В одном варианте осуществления использование термина «по существу» включает в себя отклонение +/- 5% указанной величины.
[0017] Кроме того, следует понимать, что объем настоящего раскрытия не ограничен точным подробным описанием конструкции, функционирования, материалов или показанными и описанными вариантами осуществления, поскольку специалистам в данной области будут очевидны модификации и эквиваленты. На чертежах и в описании были раскрыты иллюстративные варианты осуществления, и хотя применяются конкретные термины, они использованы исключительно в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения.
[0018] На Фиг. 1 представлена обсаженная скважина 11, проходящая вниз от устья скважины (не показано). Обсаженная скважина 11 содержит электрический погружной насос (ESP) 13 для нагнетания скважинной жидкости, протекающей в обсаженную скважину 11. ESP 13 имеет насос 15, подвешенный на колонне насосно-компрессорных труб 17. Насос 15 может представлять собой центробежный насос, имеющий большое количество ступеней, и каждая ступень имеет рабочее колесо и диффузор. Альтернативно насос 15 может относиться к другому типу, такому как эксцентриковый винтовой насос. Насос 15 имеет заборник 19 скважинной жидкости и приводится в действие двигателем 21, обычно трехфазным электрическим двигателем.
[0019] Уплотнительная секция 23 соединяется с двигателем 21 для обеспечения герметизации вокруг узла приводного вала (не показан), приводимого в действие двигателем 21, для питания насоса 15. Обычно уплотнительная секция 23 содержит отдельный сегмент узла приводного вала и механическое торцевое уплотнение, которое герметизирует верхний конец сегмента узла приводного вала. Уплотнительная секция 23 также может иметь элемент выравнивания давления, такой как гибкий пакет или сильфон, для уменьшения перепада давлений между диэлектрическим смазывающим веществом в двигателе 21 и гидростатическим давлением скважинной жидкости вокруг уплотнительной секции 23. Альтернативно участок выравнивания давления уплотнительной секции 23 может находиться в отдельном модуле, установленном на нижнем конце двигателя 21.
[0020] ESP 13 также может включать в себя другие модули, такие как газовый сепаратор (не показан), другой двигатель, последовательно соединенный с двигателем 21, а также датчик и модуль с контрольно-измерительными приборами. В случае применения газового сепаратора заборник 19 будет находиться на нижнем конце газового сепаратора.
[0021] Хотя на Фиг. 1 показан ESP 13, ориентированный вертикально, ESP 13 может находиться внутри наклонного или горизонтального участка обсаженной скважины 13. Термины «верхний», «нижний» и т. п. используются в настоящем документе исключительно для удобства и не имеют ограничительного характера, поскольку ESP 13 в процессе эксплуатации не всегда используется в вертикальном положении.
[0022] Насос 15, двигатель 21 и уплотнительная секция 23 представляют собой модули ESP 13, которые обычно доставляют на площадку скважины по отдельности, а затем прикрепляют друг к другу. На Фиг. 1 схематично показано, что каждый модуль имеет переходник на по меньшей мере одном конце для его соединения с другим модулем. Как показано на Фиг. 1, переходник 25 на верхнем конце двигателя 21 имеет наружный фланец, который примыкает к наружному фланцу на переходнике 26 на нижнем конце уплотнительной секции 23 и прикреплен к нему с помощью болтов. Уплотнительная секция 23 имеет на своем верхнем конце переходник 28, который прикреплен с помощью болтов к заборнику 19 насоса 15. Вместо болтов участки резьбового соединителя переходников 25, 26 и 28 могут содержать закручивающиеся муфтовые конструкции (не показаны), содержащие поворотные резьбовые муфты.
[0023] На Фиг. 2 представлен нижний участок переходника 25, который можно рассматривать как головку двигателя 21 и который прикрепляется к корпусу 27 двигателя. Альтернативно Фиг. 2 можно рассматривать как вид верхнего участка уплотнительной секции 23, причем переходник 25 головки двигателя представляет собой верхний переходник 28 уплотнительной секции, а корпус 27 двигателя представляет собой корпус уплотнительной секции 23. Нижний переходник 26 уплотнительной секции и верхний переходник 28 (Фиг. 1) могут иметь те же функции, что и переходник 25 головки двигателя, показанный на Фиг. 2.
[0024] Корпус 27 двигателя содержит статор, ротор, приводной вал, проходящий вдоль продольной оси 29, и подшипники приводного вала (не показаны). Корпус 27 двигателя заполнен диэлектрическим смазывающим веществом. Переходник 25 головки двигателя имеет цилиндрическую внешнюю поверхность 31 и цилиндрическое отверстие или внутреннюю поверхность 33. Переходник 25 имеет обращенный вниз уступ или торцевую грань 35, которая находится в плоскости, перпендикулярной оси 29. Переходник 25 имеет цилиндрическую переднюю часть 37, которая проходит вниз за торцевую грань 35 и имеет ряд внешних витков резьбы 39. В этом примере необязательное эластомерное уплотнительное кольцо 41 находится в канавке на передней части 37 между витками резьбы 39 и торцевой гранью 35.
[0025] Корпус 27 двигателя также имеет цилиндрическую внешнюю поверхность 43 и цилиндрическое отверстие или внутреннюю поверхность 45. Внешняя поверхность 43 двигателя может иметь такой же наружный диаметр, как внешняя поверхность 31 переходника. Внутренняя поверхность 45 двигателя может иметь такой же внутренний диаметр, как внутренняя поверхность 33 переходника. Корпус 27 двигателя имеет обод или торцевую грань 47 на своем верхнем конце, которая обращена к торцевой грани 35 переходника и находится в плоскости, перпендикулярной оси 29. Корпус 27 двигателя имеет ряд внутренних витков резьбы 49, которые зацепляют витки резьбы 39 переходника. Корпус 27 двигателя может иметь обращенный вверх внутренний уступ 51, обращенный к нижнему концу передней части 37 и в данном варианте осуществления расположенный на некотором расстоянии под ним.
[0026] Когда витки резьбы 39, 49 полностью совмещены, торцевые грани 35, 47 контактируют друг с другом. Уплотнительное кольцо 41 герметизирует участок внутренней поверхности 45 корпуса двигателя. Даже в том случае, если торцевые грани 35, 47 примыкают друг к другу при создании соединения, в замке между торцевыми гранями 35, 47, за уплотнительным кольцом 41 и витками резьбы 39, 49 во внутренней части переходника 25 и корпуса 27 двигателя существует потенциальный путь утечки скважинной жидкости. В некоторых скважинах образуется газообразный сероводород, который может повреждать внутренние компоненты внутри двигателя 21, такие как изоляция электрических проводников. Газообразный сероводород может проникать через эластомер уплотнительного кольца 41 в корпус 27 двигателя.
[0027] Средство перекрытия этого потенциального пути утечки включает в себя необязательно образование кольцевого углубления 53 на цилиндрических внешних поверхностях 31, 43. Кольцевое углубление 53 имеет верхний участок, который проходит вверх на выбранное расстояние по внешней поверхности 31 переходника от торцевой грани 35 переходника. Кольцевое углубление 53 имеет нижний участок, который проходит вниз на выбранное расстояние по внешней поверхности 43 корпуса двигателя от торцевой грани 47 корпуса двигателя. В этом примере верхний и нижний участки кольцевого углубления 53 имеют одинаковую друг с другом ширину, но они могут отличаться. Цилиндрическое основание 53a кольцевого углубления 53 имеет глубину, которая может различаться. Верхняя сторона кольцевого углубления 53 может представлять собой уступ 53b, обращенный вниз по оси, перпендикулярной оси 29. Нижняя сторона кольцевого углубления 53 может представлять собой уступ 53c, обращенный вверх по оси, перпендикулярной оси 29.
[0028] Металлическая фольга 55 приварена слоями вокруг кольцевого углубления 53 с помощью процесса ультразвуковой сварки. Металлическая фольга 55 представляет собой металлическую полосу, ширина которой несколько меньше ширины кольцевого углубления 53. Металлическая фольга 55 может быть обернута вокруг кольцевого углубления 53 во множество слоев, и каждый слой приваривается к смежным слоям. Самый внутренний слой металлической фольги 55 приваривается к основанию 53a кольцевого углубления 53. Самый наружный слой металлической фольги 55 может находиться на одном уровне с переходником и цилиндрическими внешними поверхностями 31, 43 корпуса. В этом случае толщина объединенных слоев металлической фольги 55 будет такой же, как глубина углубления 53. Толщина каждого слоя металлической фольги 55 может варьироваться, например, от приблизительно 0,01 до 0,1 дюйма, но обычно она составляет от 0,01 до 0,02 дюйма.
[0029] Материал металлической фольги 55 может быть выбран из широкого разнообразия материалов с мягкими сплавами, которые легче присоединяются и для приваривания которых требуется меньше энергии. Примером материала, подходящего для герметизации замка, но не поддерживающего растягивающую нагрузку, может быть нержавеющая сталь серии 300. Материал переходника 25 и корпуса 27 двигателя может представлять собой обычную углеродистую сталь. Металлическая фольга 55 герметизирует замок между торцевыми гранями 35, 47, препятствуя попаданию скважинной жидкости.
[0030] Ультразвуковая сварка представляет собой известный процесс, в котором для создания подобного трению относительного движения между двумя поверхностями, удерживаемыми вместе с помощью давления, применяют вибрацию. Относительное движение приводит к деформации, срезанию и раскатыванию локальных выступов на поверхности, диспергированию поверхности раздела оксидов и загрязняющих веществ, а также контакту металла с металлом и связыванию между поверхностями. Процесс сварки происходит без плавления или сплавления слоев металлической фольги 55 и основания 53c кольцевого углубления 53.
[0031] Существуют различные типы оборудования для ультразвуковой сварки. В этом процессе сварки после механической обработки участков кольцевого углубления 53 переходник 25 прикрепляют к корпусу 27 двигателя с помощью витков резьбы 39, 49. После прикрепления переходник 25 и корпус 27 двигателя совмещают на токарном станке или другом механизме, что позволяет обеспечить поворот соединительного переходника 25 и корпуса 27 двигателя вокруг продольной оси 29. Как показано на схеме, представленной на Фиг. 5, полосу металлической фольги 55, которая сначала могла быть смотана в рулон, выравнивают на основании 53a углубления. Ультразвуковую сварочную головку 57 размещают над полосой металлической фольги 55 и прикладывают давление нужной величины. Блок управления (не показан) вызывает вибрацию ультразвуковой головки 57, а переходник 25 и корпус 27 двигателя поворачивают в направлении, указанном стрелкой. Блок управления регулирует скорость подачи металлической фольги 55 по мере поворота переходника 25 и корпуса 27 двигателя. За один полный оборот один слой металлической фольги 55 приваривается к основанию 53a углубления и вокруг него. Процесс продолжают до тех пор, пока нужное количество слоев металлической фольги 55 не будет приварено друг к другу и к основанию 53a углубления. Частота находится в диапазоне от 15 кГц до 300 кГц, а более вероятно — в диапазоне от 20 кГц до 40 кГц.
[0032] На Фиг. 3 представлен альтернативный вариант осуществления прикрепления двух компонентов 59, 61 друг к другу. Компоненты 59, 61 могут представлять собой переходник и корпус любого из модулей ESP 13. Каждый компонент 59, 61 представляет собой цилиндрический трубчатый элемент. Как показано, торцевые грани 63 компонентов 59, 61 соединены встык и примыкают друг к другу. Металлическая фольга 65 приварена с помощью ультразвуковой сварки во множестве слоев к кольцевому углублению 67, образованному на сопрягаемых концах компонентов 59, 61, и вокруг него. В этом примере металлическая фольга 65 обеспечивает единственное несущее нагрузку соединение, прикрепляющее компоненты 59, 61 друг к другу. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, отсутствуют взаимодействующие витки резьбы между компонентами 59, 61. Металлическая фольга 65 также обеспечивает единственное уплотнение снаружи посредством замка между торцевыми гранями 63 к внутренним частям 69 компонентов 59, 61.
[0033] На Фиг. 4 представлен еще один вариант осуществления соединения между модулями ESP 13. В этом примере первый переходник 71 может быть соединен с корпусом (не показан) своего модуля либо традиционным способом, либо с применением методик, представленных на Фиг. 1 или Фиг. 2. Например, первый переходник 71 может представлять собой нижний переходник 26 уплотнительной секции (Фиг. 1). Первый переходник 71 имеет фланец 73 с отверстиями для болтов, причем фланец выполняет функцию резьбового соединительного элемента для первого переходника 71. Второй переходник 75 может быть соединен с корпусом (не показан) своего модуля либо традиционным способом, либо с применением методик, представленных на Фиг. 1 или Фиг. 2. Например, второй переходник 75 может представлять собой переходник 25 головки двигателя. Второй переходник 75 имеет цилиндрический участок, который можно считать фланцем 77, с резьбовыми отверстиями для болтов для установки болтов 79, проходящих через отверстия для болтов фланца 73. Фланцы 73, 77 имеют примыкающие торцевые грани 81, с помощью которых образуется замок с потенциальным путем утечки к внутренним частям переходников 71, 75.
[0034] Кольцевое углубление 83 образовано на наружных цилиндрических поверхностях фланцев 73, 77. В этом примере верхняя половина кольцевого углубления 83 находится на фланце 73, а нижняя половина — на фланце 77. Металлическую фольгу 85 приваривают с помощью ультразвуковой сварки к фланцам 73, 77 в углублении 83. Как и в других вариантах осуществления, из металлической фольги 85 может быть образовано множество слоев, приваренных друг к другу. В этом варианте осуществления модули переходников 71, 75 могут быть скреплены друг с другом с помощью болтов и приварены на заводе или в полевом штабе, а затем доставлены на площадку скважины в соединенном виде.
[0035] Металлическая фольга 85 может обеспечивать единственную герметизацию от скважинных жидкостей, протекающих в замке между торцевыми гранями 81 к внутренним частям переходников 71, 75. Дополнительное уплотнительное кольцо не показано, но оно может быть установлено между торцевыми гранями 81 в качестве вспомогательного средства. Болты 79 являются несущей нагрузку частью соединения.
[0036] Таким образом, представленное в настоящем документе раскрытие позволяет выполнить требуемые задачи и достичь упомянутых выше, а также других соответствующих целей и преимуществ. Несмотря на то что для целей раскрытия предоставлено лишь несколько вариантов осуществления изобретения, в подробное описание процедур для достижения нужных результатов возможно вносить многочисленные изменения. Эти и другие аналогичные модификации будут легко предложены специалистами в данной области, и предполагается, что они соответствуют идее настоящего изобретения, раскрытой в настоящем документе, и объемом прилагаемой формулы изобретения.