СОСТАВНОЙ КОЖУХ ПОГРУЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И МУФТА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ СЕКЦИЙ КОЖУХА

Технические решения относятся к гидромашиностроению, а также к способам интенсификации добычи нефти, воды и других растворимых или плавких веществ или полезных ископаемых из буровых скважин и могут быть использованы в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосных агрегатов, пригодных для эксплуатации ниже интервала перфорации скважины, а также в скважинах с высоким газовым фактором и повышенным содержанием мехпримесей в пластовой жидкости, главным образом, насосных агрегатов снабженных секционными погружными электродвигателями.
Увеличение глубины спуска насоса позволяет стабилизировать работу погружного центробежного насоса и увеличить производительность скважины при низком забойном давлении, а также увеличить давление на приеме насоса и, соответственно, уменьшить количество свободного газа в пластовой жидкости. Основная проблема, возникающая при спуске погружного насосного агрегата ниже интервала перфорации скважины, состоит в необходимости обеспечения достаточного охлаждения погружного электродвигателя (ПЭД). Для решения этой проблемы используют в том числе специальные
кожухи, закрепляемые над приемным отверстием насоса, при этом поток перекачиваемой жидкости движется из интервала перфорации на прием насоса через нижний конец кожуха, расположенный ниже ПЭД, обеспечивая его охлаждение.
Кроме того аналогичные кожухи могут быть использованы для повышения стабильности работы агрегата при эксплуатации скважин с высоким газовым фактором, для установки на насосный агрегат скважинного фильтра, хвостовика для очистки зумпфа и т.п.(в этих случаях агрегат может быть размещен выше интервала перфорации).
При использовании в составе насосного агрегата ПЭД и/или гидрозащиты увеличенной длины или при использовании секционных ПЭД длина такого кожуха может превысить предельный габарит, допустимый при перевозке ж/д транспортом, а также предельную длину элемента погружного оборудования, который может быть спущен в скважину (поднят из скважины) с использованием стандартной по высоте подъемной мачты, с помощью которой элементы погружного оборудования устанавливают в вертикальном положении перед их спуском в скважину. В этом случаях применяют составные (секционные) кожухи.
Известен составной кожух для погружной центробежной насосной установки, эксплуатируемой ниже интервала перфорации скважины, описанное в патенте US 6,364,013 B1, E 21 B 43/00, 02.04.2002. Устройство включает в себя полый цилиндрический кожух, закрепленный на входном модуле над приемным отверстием насоса. Кожух выполнен из гофрированного листового
материала с возможностью размещения внутри него электродвигателя погружного насосного агрегата таким образом, что поток пластовой жидкости из интервала перфорации будет двигаться в направлении нижнего конца кожуха по каналам, образованным стенками эксплуатационной (обсадной) колонны и внешней частью гофров кожуха, а затем на прием насоса через каналы, образованные корпусом электродвигателя и внутренней частью гофров кожуха, обеспечивая эффективное охлаждение электродвигателя. При этом гофры кожуха сформированы таким образом, что обеспечивает эффективное использование эксцентричного кольцевого зазора между электродвигателем и эксплуатационной колонной, то есть гофры имеют переменную величину - максимальную со стороны узла токоввода двигателя и минимальную с противоположной стороны, таким образом ось окружности, описанной вокруг внешних выступов кожуха в поперечном сечении, будет смещена относительно продольной оси электродвигателя и при этом будет совпадать с осью окружности, описывающей максимальный поперечный габарит электродвигателя. В случае использования секционного ПЭД кожух выполняют в виде нескольких секций, закрепляемых непосредственно на корпусах секций электродвигателя или соединяемых специальными П-образными в сечении элементами, размещаемыми в гофрах соседних секций кожуха и фиксируемых на них посредством винтов.
Недостатками аналога является высокая сложность изготовления и невысокая механическая прочность кожуха, обусловленная необходимостью использования для изготовления кожуха листового материала, пригодного
для выполнения гофров. Кроме того наличие гофров по всему периметру кожуха, в том числе и в наиболее узкой части зазора между ПЭД и эксплуатационной колонной, не позволяет использовать такой кожух со стандартным ПЭД в скважине с внутренним диаметром эксплуатационной колонны 130 мм.
Наиболее близким аналогом для обоих технических решений из заявленной группы полезных моделей является составной кожух для погружной центробежной насосной установки и муфта для соединения секций кожуха, описанные в свидетельстве на полезную модель RU 46532 U1, 10.07.2005 Е 21 В 43/00. Кожух включает в себя полый цилиндрический корпус, выполненный с возможностью размещения внутри него электродвигателя погружной центробежной насосной установки таким образом, что обеспечивается возможность движения потока перекачиваемой жидкости через зазор между кожухом и электродвигателем, средства для закрепления верхнего при размещении насосной установки в скважине конца корпуса кожуха выше приемного отверстия насоса с обеспечением движения потока пластовой жидкости на прием насоса через свободный нижний конец корпуса. Корпус кожуха состоит из, по меньшей мере, двух цилиндрических секций, соединяемых между собой с помощью муфты, которая включает в себя цилиндрическую втулку с установленными внутри центраторами.
Основными недостатками прототипа является сложность соединения секций корпуса кожуха и существенное усложнение (невозможность проведения) операций спуска и подъема насосного агрегата, снабженного таким
кожухом, в скважинах с внутренним диаметром эксплуатационной колонны менее 168 мм и в скважинах, требования к искривленности которых не были соблюдены в полной мере.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании кожуха для погружной центробежной насосной установки, снабженной электродвигателем (гидрозащитой) увеличенной длины и/или секционным электродвигателем.
Технический результат, достигаемый при реализации первого технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в упрощении процесса сборки кожуха при монтаже насосного агрегата в скважине.
Технический результат, достигаемый при реализации второго технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в расширении сферы применения составных кожухов и снижении падения КПД насосного агрегата, снабженного составным кожухом, за счет обеспечения достаточного для нормального протока жидкости проходного сечения в зоне расположения муфты для соединения секций кожуха без существенного снижения механической прочности муфты, в том числе при ограниченных диаметральном габарите кожуха и муфты.
Составной кожух погружной центробежной насосной установки включает в себя полый цилиндрический корпус, выполненный с возможностью размещения внутри него электродвигателя погружной центробежной насосной установки таким образом, что обеспечивается возможность движения
потока перекачиваемой жидкости через зазор между кожухом и электродвигателем, и средства для закрепления верхнего при размещении насосной установки в скважине конца корпуса кожуха выше приемного отверстия насоса с обеспечением движения, по меньшей мере, основного потока пластовой жидкости на прием насоса через нижний конец корпуса. Корпус кожуха состоит из, по меньшей мере, двух цилиндрических секций, выполненных с возможностью соединения с помощью муфты, которая включает в себя цилиндрическую втулку. При этом в отличии от прототипа, по меньшей мере, один конец втулки выполнен с посадочным участком таким, что обеспечивается возможность размещения концевой части секции корпуса с охватом посадочного участка муфты. На упомянутой концевой части секции выполнены сквозные радиальные отверстия, а на посадочном участке муфты выполнены радиальные отверстия с возможностью соосного расположения с отверстиями секции и с возможностью размещения в указанных отверстиях закладных элементов, предназначенных для фиксации муфты относительно секции в осевом направлении.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы, каждый закладной элемент состоит из двух частей, первая из которых соответствует отверстию в концевой части секции, а вторая часть закладного элемента соответствует отверстию в посадочном участке муфты.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы площадь отверстия в посадочном участке муфты меньше, чем площадь отверстия в концевой части секции, при этом закладные элементы
выполнены с возможностью фиксации на соединяемых секциях в радиальном по отношению к продольной оси корпуса направлении с помощью крепежных элементов размещаемых в пределах участков второй части закладного элемента, выходящих за пределы первой части закладного элемента.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы соответствующая часть закладного элемента размещена в радиальном отверстии муфты без зазора.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы радиальные отверстия муфты и соответствующая часть закладных элементов имеют цилиндрическую форму.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы один конец цилиндрической втулки муфты соединен с концевой частью секции корпуса с помощью сварки.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы средства для закрепления верхнего конца корпуса кожуха выполнены таким образом, что обеспечивают установку корпуса со смещением его продольной оси относительно продольной оси вала электродвигателя в направлении узла токоввода электродвигателя.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы средства для закрепления верхнего конца корпуса кожуха обеспечивают его установку таким образом, что продольная ось корпуса совпадает с осью окружности, описывающей максимальный поперечный габарит
электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы средства для закрепления верхнего конца корпуса кожуха включают в себя входной модуль насоса погружного насосного агрегата, на внешней поверхности которого выполнена цилиндрическая установочная шейка, предназначенная для по существу герметичной установки на ней внутренней поверхности верхнего открытого конца корпуса, и средства для фиксации верхнего открытого конца корпуса на установочной шейке.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы продольная ось внутреннего отверстия втулки муфты смещена относительно продольной оси наружной цилиндрической поверхности втулки таким образом, что она совпадает с продольной осью вала электродвигателя при размещении его в кожухе.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы внутреннее отверстие втулки выполнено таким образом, что величина зазора, образующегося между внутренним отверстием втулки и наружной поверхностью корпуса электродвигателя обеспечивает ограничение прогиба средней части и радиального перемещения нижнего конца корпуса кожуха если положение насосного агрегата в скважине отличается от вертикального.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы муфта снабжена радиально расположенным штифтом, выступающим за пределы наружной поверхности муфты, а на концевой части
секции выполнен продольный открытый с нижней стороны паз, выполненный с возможностью размещения в нем штифта при заданном угловом положении секции кожуха и муфты.
Муфта для соединения секций кожуха погружной центробежной насосной установки включает в себя цилиндрическую втулку. При этом в отличии от прототипа, по меньшей мере, один конец втулки выполнен с посадочным участком таким, что обеспечивается возможность его размещения в полости секции кожуха с охватом посадочного участка муфты концевой частью секции кожуха и возможность фиксации муфты относительно этой секции в осевом направлении. На внутренней поверхности втулки выполнены ориентированные в осевом направлении открытые с обоих концов пазы для прохода перекачиваемой жидкости, причем на, по меньшей мере, части длины посадочного участка муфты пазы выполнены сквозными.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы на посадочном участке муфты между пазами выполнены радиальные отверстия с возможностью соосного расположения отверстий муфты и соответствующих им отверстий секции кожуха и с возможностью размещения в указанных отверстиях закладных элементов, предназначенных для фиксации муфты относительно секции в осевом направлении.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы на внешней поверхности посадочного участка втулка выполненной резьба, предназначенная для фиксации муфты относительно секции.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы продольная ось внутреннего отверстия втулки смещена относительно продольной оси наружной цилиндрической поверхности втулки таким образом, что она совпадает с продольной осью вала электродвигателя при размещении его в кожухе.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы внутреннее отверстие втулки выполнено таким образом, что величина зазора, образующегося между внутренним отверстием втулки и наружной поверхностью корпуса электродвигателя, обеспечивает ограничение прогиба средней части и/или радиального перемещения нижнего конца корпуса кожуха если положение насосного агрегата в скважине отличается от вертикального.
При этом, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы пазы распределены вдоль части периметра внутреннего отверстия поперечного сечения втулки, образованной половиной окружности, ограниченной осью поперечного сечения втулки, перпендикулярной радиусу, вдоль которого смещена продольная ось наружной цилиндрической поверхности втулки.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы один конец цилиндрической втулки выполнен с возможностью соединения с концевой частью секций корпуса с помощью сварки.
Соединение секций корпуса с помощью закладных элементов, то есть без перемещения присоединяемой секции относительно муфты при сборке
корпуса обеспечивает существенное упрощение процесса сборки кожуха при монтаже насосного агрегата в скважине.
Наличие пазов для прохода перекачиваемой жидкости, выполненных сквозными на участке, которым внешняя поверхность муфты прилегает к внутренней поверхности секции корпуса кожуха, позволяет максимально использовать пространство внутри кожуха и сформировать в зоне расположения муфты проходное сечение, достаточное для нормального движения потока перекачиваемой жидкости без снижения механической прочности муфты. Это позволяет избежать существенного увеличения гидравлического сопротивления при движении перекачиваемой жидкости на прием насоса и, соответственно, снижения КПД насосного агрегата, а также позволяет обеспечивает возможность использования кожуха с описанной муфтой в скважинах с диаметром эксплуатационной колонны менее 168 мм.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием составного (секционного} кожуха погружной центробежной насосной установки и муфты для соединения секций кожуха, выполненных в соответствии с настоящей полезной моделью, Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 представлено схематическое изображение погружной центробежной насосной установки с заявленным кожухом,
На Фиг.2 изображен разрез кожуха в зоне размещения муфты,
На Фиг.3 изображен вид А по Фиг.2,
На Фиг.4 изображено сечение В-В по Фиг.3 (закладные элементы условно не показаны).
Составной (секционный) кожух 1 предназначен для охлаждения секционного электродвигателя 2 погружного насосного агрегата 3, эксплуатируемого ниже интервала перфорации 4 скважины, и/или для повышения стабильности работы насосного агрегата при эксплуатации скважин с высоким газовым фактором или для установки на насосный агрегат скважинного фильтра, хвостовика для очистки зумпфа и пр.
Кожух 1 включает в себя полый цилиндрический корпус 5 и входной модуль 6 насоса.
Корпус 5 состоит из двух цилиндрических секций 5а и 5b, соединяемых между собой с помощью муфты 8. В случае необходимости установки кожуха на электродвигатель, имеющий более двух секций, или на электродвигатель (гидрозащиту) увеличенной длины количество секций кожуха может быть увеличено до трех и более. Общую длину кожуха подбирают таким образом, чтобы нижний конец электродвигателя 2 был расположен внутри кожуха 1.
Секции 5а и 5b корпуса кожуха 1 изготавливают из трубы, диаметр который должен превышать максимальный поперечный габарит электродвигателя 2 на величину, необходимую для обеспечения легкой установки кожуха на электродвигателе и спуска агрегата в эксплуатационную колонну, в частности для электродвигателя серии ПЭД диаметром 103 мм и максимальным поперечным габаритом 110 мм, спускаемого в скважину с внутренним диаметром
эксплуатационной колонны 130 мм, диаметр кожуха будет составлять 124 мм.
Муфта 8 включает в себя цилиндрическую втулку 9 верхняя часть которой представляет собой посадочный участок 10, внешний диаметр которого соответствует внутреннему диаметру секции 5а корпуса.
При соединении секций кожуха 1, осуществляемом на устье скважины перед спуском насосного агрегата, муфту 8 присоединяют к секции 5а, размещая концевую часть секции с охватом посадочного участка муфты. Концевая часть секции 5а корпуса плотно прилегает к поверхности посадочный участок 10 по всему периметру, а нижний торец секции 5а и переходная часть 7 втулки 9, которая предназначена для закрепления на муфте второй секции (см. ниже), выполнены со скосами 25 в направлении движения перекачиваемой жидкости, таким образом, чтобы обеспечить минимальный переток через щель между ними. Это обеспечивает движение основного потока перекачиваемой среды из интервала перфорации 4 на прием 19 насоса через нижний открытый конец кожуха 5.
На упомянутой концевой части секции выполнены сквозные радиальные отверстия 11, имеющие прямоугольную форму, а на посадочном участке муфты выполнены сквозные радиальные цилиндрические отверстия 12, которые при сборке кожуха располагают соосно отверстиям 11 секции корпуса и размещают в указанных отверстиях закладные элементы 13, предназначенных для фиксации муфты относительно секции в осевом направлении.
Каждый закладной элемент 13 состоит из двух частей, первая из которых 13а соответствует отверстию в посадочном участке секции, причем эта часть закладного элемента в собранном состоянии размещается в отверстии 11 с зазором, а вторая часть 13b закладного элемента, соответствующая отверстию 12 в посадочном участке муфты 8, размещается в указанном отверстии без зазора. Площадь отверстий 12 меньше, чем площадь отверстий 11, выполненных на концевой части секции, а закладные элементы фиксируют на соединяемых секциях в радиальном по отношению к продольной оси корпуса направлении с помощью винтов 14 размещаемых в пределах участков второй части закладного элемента, выходящих за пределы первой части закладного элемента.
Нижний конец цилиндрической втулки 9 может быть соединен с верхней концевой частью секции 5b корпуса при изготовлении этой секции корпуса, например, с помощью сварки. Соединение муфты 8 и секции 5b корпуса кожуха может быть реализовано и с помощью разъемного соединения аналогично описанному выше.
На внутренней поверхности втулки выполнены ориентированные в осевом направлении открытые с обоих концов пазы 15 для прохода перекачиваемой жидкости, причем в зоне посадочного участка 10 пазы 15 выполнены сквозными, а отверстия 12 выполнены между пазами.
Каждый закладной элемент 13 выполнен с резьбовым отверстием которое закрыто пробкой 16 и предназначено для облегчения извлечения закладного элемента при разборке корпуса 5.
Верхний относительно устья скважины открытый конец секции 5а посредством четырех болтов крепится на входном модуле 6 выше приемной сетки 19, при этом на входном модуле выполнена специальная цилиндрическая установочная шейка, продольная ось которой смещена относительно продольной оси входного модуля насоса в направлении узла токоввода электродвигателя 2 на величину е, равную расстоянию от продольной оси электродвигателя до середины отрезка, соединяющего наиболее выступающую часть узла токоввода электродвигателя и противоположную стенку корпуса электродвигателя, при этом продольная ось установочной шейки будет совпадать с осью окружности, описывающей максимальный поперечный габарит электродвигателя. Внутренняя поверхность верхней части секции 5а плотно прилегает к поверхности установочной шейки по всему периметру (за исключением участка, на котором в установочной шейке выполнена проточка для прохода кабеля-удлинителя кабельной линии погружного насосного агрегата), что обеспечивает движение основного потока перекачиваемой среды через нижний открытый конец кожуха 5. Установочная шейка может быть выполнена на основании нижней насосной секции, но для сохранения унификации оснований насосных секций предпочтительным является вариант крепления кожуха именно на входном модуле насоса.
За счет эксцентричной формы кольцевого зазора между кожухом 5 и электродвигателем 2 гидравлическое сопротивление движению жидкости внутри кожуха снижается на 25% по сравнению с гидравлическим сопротивлением, создаваемым используемыми в настоящее время аналогичными устройствами
с концентричным кольцевым зазором между кожухом и электродвигателем. Таким образом, по сравнению с известными устройствами существенно снижается гидравлическое сопротивление на входе центробежного насоса и, соответственно, повышается КПД насосного агрегата, а также снижается вероятность перехода ступеней насоса в режим кавитации, переводящему к срыву подачи. При установке кожуха в эксплуатационной колонне большого диаметра, необходимость смещения оси кожуха будет определяться только возможностью снижения гидравлического сопротивления на входе центробежного насоса, а величина смещения будет определяться из условия обеспечения прохода перекачиваемой среды между кожухом и корпусом электродвигателя по всему периметру электродвигателя.
Продольная ось внутреннего отверстия втулки 9 также смещена на величину е относительно продольной оси наружной цилиндрической поверхности втулки, таким образом, что она совпадает с продольной осью вала электродвигателя, таким образом муфта 8 выполняет функцию центратора, ограничивающего прогиб средней части и радиальное перемещение нижнего конца кожуха, в том случае если положение насосного агрегата в скважине отличается от вертикального.
1
2
Пазы 15 распределены вдоль части периметра поперечного сечения внутреннего отверстия втулки муфты, образованной половиной окружности, ограниченной осью OO поперечного сечения втулки, перпендикулярной радиусу, вдоль которого смещена продольная ось внутреннего отверстия втулки (см. Фиг.4).
Муфта 8 снабжена также радиально ориентированным штифтом 17, выступающим за пределы наружной поверхности муфты, а на концевой части секции 15а выполнен продольный открытый с нижней стороны паз 18, выполненный с возможностью размещения в нем штифта 17 при заданном угловом положении секции кожуха и муфты. Штифт 17 и паз 18 предназначены для обеспечения соединения секций корпуса 5 только в заданном угловом положении, что необходимо для совмещения эксцентриситетов установочной шейки входного модуля и внутреннего отверстия муфты 8, а также для обеспечения сносности отверстий 11 и 12.
В нижней части муфты 8 выполнены соосные отверстия 26 для закрепления хомута, удерживающего секцию 5b с присоединенной к ней муфтой 8 на устье скважины при сборке кожуха перед спуском насосного агрегата.
В том случае, если насосный агрегат используется в скважине с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости, кожух 5 может быть снабжен специальным средством для очистки зумпфа от скапливающихся в нем механических частиц. Указанное средство представляет собой полый цилиндрический хвостовик (на чертежах не показан), верхний открытый конец которого закреплен внутри кожуха со стороны его нижнего конца с обеспечением движения потока перекачиваемой среды через нижний открытый конец хвостовика, при этом диаметр хвостовика должен быть меньше диаметра кожуха. Кроме того, в случае использования хвостовика, возможно размещение агрегата таким образом, что насосный агрегат 3 находится внутри эксплуатационной колонны выше интервала перфорации, а нижний
конец хвостовика опущен ниже указанного интервала, где обсадная колонна часто имеет меньший диаметр, чем в основной части скважины, что не позволяет разместить там насосный агрегат с кожухом, при этом сохраняются преимущества, связанные с возможностью снижения забойного давления, а также возможность очистки зумпфа описанным выше способом.
Хвостовик также может быть использован для размещения скважинного фильтра (см., в частности RU 46532 U1, 2005.07.10, RU 2230181 С2, 10.06.2004) и т.п.
Устройство работает следующим образом.
Поток пластовой жидкости из интервала перфорации 4 скважины за счет депрессии, создаваемой насосным агрегатом, движется в направлении нижнего конца кожуха 5, проходя через кольцевой зазор между кожухом и эксплуатационной колонной, при этом на участке между интервалом перфораций и нижним концом кожуха происходит натуральная сепарация газа, а скважина выступает в роли естественного газосепаратора.
Попав внутрь нижней секции кожуха 5, пластовая жидкость проходит через полый вал 20 и отверстия 21 и попадает в эксцентричный кольцевой зазор между кожухом 5 и электродвигателем 2. Поток жидкости омывает стенку корпуса электродвигателя 2, обеспечивая его охлаждение, а затем попадает на прием 19 насоса, при этом давление на приеме насоса оказывается повышенным за счет увеличенной глубины спуска насоса, что позволяет стабилизировать работу центробежного насоса.
В том случае, если используют кожух с хвостовиком поток пластовой
жидкости попадая внутрь хвостовика увеличивает свою скорость, вследствие того, что площадь внутреннего поперечного сечения хвостовика меньше площади кольцевой полости между хвостовиком и эксплуатационной колонной, при этом частицы механических примесей, оседающие в призабойную зону, захватываются потоком перекачиваемой среды и выносятся на поверхность центробежным насосом, что несколько снижает ресурс насоса, но увеличивает срок эксплуатации скважины.