ПОДПРУЖИНЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО УПЛОТНЕНИЯ СИЛОВОГО КАБЕЛЯ В СОЕДИНИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ
SPRING-ENERGIZED SEAL FOR HIGH TEMPERATURE SEALING OF POWER CABLE TO CONNECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к области погружных насосных установок, более конкретно, но не исключительно, к соединительному устройству, используемому для соединения силового кабеля с компонентом в скважинной насосной установке.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Погружные насосные установки часто используют в скважинах для добычи текучих сред на нефтяной основе из подземных резервуаров. Погружная насосная установка в типичном случае содержит ряд компонентов, включающих по меньшей мере один электродвигатель, заполненный текучей средой и соединенный с по меньшей мере одним насосом с высокими эксплуатационными данными. Каждый из компонентов и подкомпонентов погружной насосной установки должен выдерживать неблагоприятные условия, действующие в скважине, в том числе температуру, давление и корродирующие текучие среды, в широком диапазоне.
В типичном случае силовой кабель и кабельный удлинитель обеспечивают подачу электроэнергии к скважинным компонентам через концевую кабельную муфту. В электрических высокотемпературных концевых кабельных муфтах часто используется компрессионное уплотнение, наподобие уплотнительного кольца, для уплотнения изоляции кабеля относительно внутреннего блока корпуса концевой муфты. При расширении изоляции кабеля под действием высоких температур в скважине, например при температуре около 250°C и выше, изоляция упирается в компрессионное уплотнение, которое в результате расширяется до тех пор, пока не войдет в установочную канавку корпуса концевой кабельной муфты. Это расширение также может вызвать вдавливание компрессионного уплотнения в изоляцию кабеля и ее деформирование. При циклическом понижении температуры изоляция сжимается в направлении медной жилы кабеля. Если из-за расширения компрессионного уплотнения произошла деформация изоляции, то оно не сможет обеспечить надлежащее уплотнение изоляции. При отсутствии должного уплотнения находящаяся в скважине текучая среда может просочиться через концевую кабельную муфту в двигатель или другой компонент в скважине. Попадание текучей среды в двигатель может вызвать ухудшение его эксплуатационных характеристик и выход из строя.
Поэтому существует потребность в улучшенном уплотнительном устройстве, которое допускает расширение при высокой температуре без деформирования изоляции кабеля и имеет простую и компактную конструкцию. Изобретение направлено на устранение этих и других недостатков уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, предложено высокотемпературное соединительное устройство, используемое для соединения силового кабеля с электродвигателем. Соединительное устройство содержит наружный корпус, внутренний корпус, расположенный в наружном корпусе, и по меньшей мере один кабельный провод, проходящий через внутренний корпус. С целью сохранения уплотнения вокруг кабельного провода при тепловом расширении и сжатии соединительное устройство содержит по меньшей мере одно подпружиненное уплотнение, расположенное вокруг кабельного провода. Подпружиненное уплотнение допускает расширение и сжатие кабельного провода без его деформирования или без уплотнительного механизма относительно внутреннего корпуса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает вертикальную проекцию погружной насосной установки согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 изображает в перспективе соединительное устройство для соединения кабельного удлинителя с двигателем насосной установки.
Фиг. 2 изображает разрез соединительного устройства, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 изображает вид спереди подпружиненного уплотнения соединительного устройства, показанного на фиг. 2.
Фиг. 5 изображает в перспективе подпружиненное уплотнение, показанное на фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, показанная на фиг. 1 насосная установка 100 прикреплена к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 102 и расположена в стволе 104 скважины. Насосная установка 100 содержит множество скважинных компонентов, например электродвигатель 106, уплотнительную секцию 108, насос 110 и силовой кабель 112.
Насосная установка 100 также содержит кабельный удлинитель 114 и соединительное устройство 116 концевой кабельной муфты. Кабельный удлинитель 114 предпочтительно выполнен с более низким профилем, чем силовой кабель 112, так как он находится внутри меньшего кольцевого пространства между насосной установкой 100 и стволом 104 скважины. Кабельный удлинитель 114 может иметь броню и экран для защиты от повреждения при контакте с насосной установкой 100. Силовой кабель 112 проходит в скважину и нижним концом присоединен к кабельному удлинителю 114, который, в свою очередь, присоединен к соединительному устройству 116 концевой муфты, прикрепляющему его к двигателю 106. Как вариант, силовой кабель 112 может проходить с поверхности непосредственно к соединительному устройству 116.
Хотя на фиг. 1 силовой кабель 112 и кабельный удлинитель 114 соединены с двигателем 106, они могут быть соединены с другими компонентами насосной установки 100 через соединительное устройство 116. Кроме того, компоненты насосной установки могут использоваться не только в погружной, но и в наземной насосной установке, а насосная установка 100 может быть расположена не в вертикальном, а в горизонтальном или наклонном стволе 104 скважины.
Согласно фиг. 2 и 3, соединительное устройство 116 содержит наружный корпус 118, внутренний корпус 120, стяжную гайку 122 и имеет фланцы для соединения с двигателем 106 болтами или другими крепежными средствами (не показаны). Наружный корпус 118 предпочтительно изготовлен из коррозионно-стойкого металла, керамики или термостойкой пластмассы. Внутренний корпус 120 изготовлен из металла с подходящим коэффициентом теплового расширения или из электроизоляционного термостойкого полимера, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK), или из керамики. Стяжная гайка 122 закрепляет внутренний корпус 120 внутри наружного корпуса 118.
Соединительное устройство 116 содержит также по меньшей мере один кабельный провод 124, проходящий через стяжную гайку 122 и внутренний корпус 120. В предпочтительном варианте выполнения соединительное устройство 116 содержит три кабельных провода 124 для трех фаз электроэнергии, подаваемой к трехфазному электродвигателю 106.
Каждый кабельный провод 124 содержит жилу 126, изоляционный слой 128 и оболочку 130. Жила 126, как правило, состоит из меди или другого токопроводящего материала для обеспечения электрического соединения с двигателем 106 или другим компонентом насосной установки 100. Изоляционный слой 128 выполнен из изоляционного материала, такого как мономер этилена, пропилена и диена (EPDM), полиэфирэфиркетон (PEEK) или эпитаксиально закристаллизованный перфторполимер. Оболочка 130 служит барьером для защиты кабельных проводов 124 от высоких температур в скважине. Каждый кабельный провод 124 может быть соединен с кабельным удлинителем 114 и внутренней проводкой двигателя 106.
Соединительное устройство 116 содержит по меньшей мере одно подпружиненное уплотнение 132, а также может содержать по меньшей мере одно уплотнительное кольцо 134. Количество подпружиненных уплотнений и уплотнительных колец зависит от разности между тепловым расширением внутреннего корпуса120 и тепловым расширением наружного корпуса 118. Как показано на фиг. 4 и 5, подпружиненное уплотнение 132 содержит по меньшей мере две уплотнительные манжеты 136 и расположенную между ними пружину 138. В предпочтительном варианте выполнения пружина 138 представляет собой витую или скрученную в спираль металлическую проволоку или полосу. Упругость пружины 138 позволяет уплотнению 132 многократно расширяться и сжиматься без возникновения остаточной деформации.
При работе двигателя 106 на соединительное устройство 116 действует циклическое повышение и понижение температуры. Во время этих термоциклов изоляционный слой 128 кабельных проводов 124 подвергается периодическому попеременному расширению и сжатию вокруг жилы 126. При расширении изоляционный слой 128 давит в направлении наружу на подпружиненное уплотнение 132. Уплотнение 132 реагирует на расширение и сжатие изоляционного слоя 128, сохраняя уплотнение для текучей среды внутри соединительного устройства 116.
Более конкретно, при расширении изоляционного слоя 128 пружина 138 в уплотнении 132 сжимается в радиальном направлении, позволяя изоляционному слою 128 кабельных проводов 124 расширяться в направлении к внутреннему корпусу 120 соединительного устройства 116 без деформирования изоляционного слоя 128. При понижении температуры и сжатии изоляционного слоя 128 пружина 138 расширяется и прижимает уплотнительные манжеты 136 обратно к изоляционному слою 128. Таким образом, подпружиненное уплотнение 132 сохраняет уплотнение вокруг кабельных проводов 124, препятствуя прохождению находящейся в скважине текучей среды через внутренний корпус 120 соединительного устройства 116 в двигатель 106.
Хотя многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов осуществления изобретения были рассмотрены в настоящем описании вместе с деталями конструкции и функциями различных вариантов осуществления изобретения, это описание служит лишь для иллюстрации изобретения и допускаются изменения, особенно в отношении конструкции и расположения элементов, в рамках принципов данного изобретения, выраженных в полной мере общепринятыми широкими значениями терминов, указанных в формуле изобретения. Специалистам в данной области должно быть очевидно, что основные идеи изобретения применимы к другим установками без отклонения от его объема и сущности.