ПРИВОД НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
PUMP PLANT DRIVE

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию и может быть применено в насосных установках с высокооборотными приводами, построенными на основе вентильных маслонаполненных электродвигателей, гидрозащит и компенсаторов с теплообменниками.
Эффективный отвод тепла от электродвигателей в режимах работы насосной установки, близких к номинальным, снижает вероятность отказа приводов и соответственно увеличивает межремонтный период насосной установки. Значительным фактором, влияющим на повышение надежности привода, является эффективная гидрозащита и дополнительный объем диэлектрического масла, циркулирующий в электродвигателе и теплообменнике, компенсирующий соответственно утечки торцовых уплотнений.
Известно устройство для гидравлической защиты электродвигателя скважинного насоса (RU 2353812 С2, опубликован 27.04.2009, МПК F04D 13/10). В протектор гидрозащиты электродвигателя, содержащий вал, упорный и радиальный подшипники и, по меньшей мере, одну ступень, в состав которой входят цилиндрический корпус, коаксиально установленная внутри него окружающая вал трубка, первый и второй ниппели, по меньшей мере, одна демпфирующая втулка, торцовое уплотнение, установлен поршень, к торцу которого прикреплены два выступающих за контуры поршня кольцевых защитных элемента, предотвращающих солеотложение на внутренней стенке цилиндрического корпуса и внешней стенке трубки, при этом пространство между защитными кольцевыми элементами и поверхностью тех элементов протектора, к которым они прилегают, заполнено защитной смазкой. В вариантах исполнения внутри защитного кольцевого элемента, прилегающего к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, и снаружи защитного кольцевого элемента, прилегающего к внешней поверхности трубки, могут быть установлены пружинящие элементы, поджимающие кольцевой защитный элемент к соответствующей поверхности, или уплотнения, дополнительно герметизирующие пространство между защитным кольцевым элементом и соответствующей поверхностью.
В предпочтительном варианте конструктивной реализации в кольцевую камеру со стороны торца поршня, контактирующего с диэлектрической жидкостью, установлен, по меньшей мере, один дополнительный поршень, а пространство между двумя поршнями заполнено разделительной средой. Кроме того, поршень и дополнительный поршень снабжены, по меньшей мере, одним уплотнителем в местах контактов с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и внешней поверхностью трубки и/или опорным центрирующим кольцом. Для предотвращения возможности заклинивания поршней в кольцевой камере поршни могут быть выполнены бочкообразной формы внешней поверхности.
К недостаткам данных конструктивных предложений можно отнести тот факт, что установленные дополнительные пружинящие элементы, поджимающие кольцевые защитные элементы к соответствующим поверхностям, равно как и уплотнения, приведут к тому, что защитные кольцевые элементы будут прижаты давлением пластовой жидкости к соответствующим защищаемым ими поверхностям и произойдет их отрыв от поршня, либо заклинивание поршня вместе с кольцевыми защитными элементами, что выведет из строя протектор гидрозащиты. Дополнительный поршень, установленный через разделительную среду к основному, при явном улучшении герметизации пространства, заполненного диэлектрической жидкостью, приведет к неоправданному усложнению конструкции и увеличению трения при движении двух поршней, что отрицательно скажется на ресурсе насосной установки, так как приведет к дополнительным утечкам через торцовые уплотнения из-за увеличенной разности давлений в диэлектрической и пластовой жидкостях.
Известен погружной электродвигатель с теплообменником (RU 2236742, опубликован 20.09.2004, МПК Н02К 9/19, Н02К 5/132). Указанное устройство содержит электродвигатель, который снабжен теплообменником, выполненным в виде цилиндра с винтовой канавкой на наружной цилиндрической боковой поверхности и со сквозной полостью, а также коллектором, установленным в полости корпуса. Каналы магнитопровода статора выполнены в виде канавок на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора параллельно зубцам. Обратный канал проходит через сквозную полость теплообменника, выходы каналов соединены с входом коллектора, наружная цилиндрическая боковая поверхность теплообменника взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью полости корпуса, а поверхность винтовой канавки и участок цилиндрической боковой поверхности полости корпуса, охваченной поверхностью винтовой канавки, являются винтовым каналом. Вход винтового канала соединен с выходом коллектора, а выход винтового канала - с входом обратного канала. На ротор электродвигателя установлен насос, обеспечивающий циркуляцию диэлектрической жидкости в электродвигателе и теплообменнике.
Недостатком данной конструкции является низкая технологичность корпуса с винтовой канавкой теплообменника, а также достаточно большой объем диэлектрической жидкости в теплообменнике, не работающий на компенсацию утечек через торцовые уплотнения, что могло бы привезти к увеличению ресурса электродвигателя, работающего в приводе насосной установки.
Ближайшим аналогом изобретения является протектор гидрозащиты электродвигателя (US 6307290 В1, опубликован 23.10.2001, МПК Н02К 5/132, F04D 13/08). Данный протектор содержит вал, передающий крутящий момент от электродвигателя к насосу, установленные на нем торцовые уплотнения, радиальные и упорный подшипники и, по меньшей мере, одна компенсационная поршневая часть, в состав которой входит цилиндрический корпус, внутри него коаксиально расположенная распорная втулка, внутри которой проходит вал, соединительные фланцы, упорная втулка и поршень, установленный с возможностью осевого перемещения в зоне между цилиндрическим корпусом и распорной втулкой, который в свою очередь делит компенсационную поршневую часть на две полости, в одной из которых находится диэлектрическая жидкость электродвигателя, а в другой -пластовая жидкость, поступающая из затрубного пространства. В указанном протекторе гидрозащиты вместо широко распространенной гибкой диафрагмы, компенсирующей перепад давления в электродвигателе и затрубном пространстве, используется поршень с возможностью возвратно-поступательного движения, который имеет определенные преимущества перед гибкими диафрагмами: отсутствие возможности разрыва, минимальное проникновение пластовых газов и т.д.
Однако данное решение имеет и некоторые недостатки, связанные с проблемой солеотложения на стенках цилиндрического корпуса и распорной втулки, являющейся следствием высокой температуры и химической активности пластовой жидкости, что в свою очередь может привести к заклиниванию поршня и выходу из строя протектора гидрозащиты. Кроме того, пластовая жидкость в данной конструкции находится над поршнем протектора гидрозащиты, следовательно процесс сегрегации пластовой жидкости не оказывает защитного влияния на стенки цилиндрического корпуса и распорной втулки в процессе солеотложения. И наконец, простое дублирование уплотнительных эластомерных колец на поршне, для более высокой степени герметизации, либо дублирование поршневых полостей ведет к снижению чувствительности протектора к перепаду давлений, и как следствие, к снижению ресурса насосной установки, а также к неоправданным габаритам и материалоемкости протектора гидрозащиты.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности, долговечности работы привода погружной части насосной установки, снижение осевых размеров и металлоемкости привода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что привод насосной установки, содержащий электродвигатель с теплообменником и протектор гидрозащиты, выполненный, по меньшей мере, односекционным, с поршнем, установленным между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью втулки протектора, установленными на поршне уплотнительными кольцами, имеет дополнительный гидрозащитный барьер, выполненный в виде разделительного фланца, торцового уплотнения, установленного на валу протектора, упорной втулки, поджатой демпферными шайбами, и предохранительных клапанов, установленных в нижнем фланце протектора, теплообменник электродвигателя совмещен с компенсатором, на наружной поверхности разделительного корпуса теплообменника выполнена винтовая канавка для укладки спирали, а внутри разделительного корпуса теплообменника располагается поршень, с установленными на нем дополнительными антифрикционными герметизирующими металлическими кольцами, по меньшей мере, двумя, с обеих сторон каждого эластомерного уплотнительного кольца, а на нижний фланец теплообменника, со стороны поршня, установлен упор и сетчатый дроссель, зафиксированный в нижнем фланце пробкой с внутренним шестигранным отверстием.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема привода погружной части насосной установки.
На фиг.2 показана часть протектора гидрозащиты с дополнительным гидрозащитным барьером.
На фиг.3 показана часть теплообменника электродвигателя с поршнем компенсатора, упором и сетчатым дросселем, зафиксированным в нижнем фланце пробкой.
На фиг.4 показан вид А фиг.3.
Привод погружной части насосной установки (фиг.1) состоит из протектора гидрозащиты 1, электродвигателя 2, теплообменника 3 с встроенным компенсатором.
Протектор гидрозащиты 1 состоит из разделительной полости, образованной верхним фланцем 4, корпусом 7, торцовым уплотнением 5, распорной втулкой 11, герметизирующей втулкой 12, гибкой диафрагмой 8, и дополнительного гидрозащитного барьера, образованного герметизирующим фланцем 13, торцовым уплотнением 14, опорной втулкой 17, поджатой демпферными шайбами 18, предохранительными клапанами 15, установленными в нижнем фланце 16. Вал 19 трансмиссии установлен с возможностью вращения в радиальных 21, 22, 23 и осевых (не показаны) опорах (фиг.2). Диэлектрическая жидкость, которой заполнены протектор гидрозащиты 1, электродвигатель 2 и теплообменник 3 с встроенным компенсатором, разделена с пластовой жидкостью диафрагмой 8, торцовым уплотнением 5 и предохранительными клапанами 9.
Предохранительные клапаны 9 предназначены для выбрасывания в затрубное пространство объема диэлектрической жидкости, полученной расширением в результате первого включения привода насосной установки в скважине. Внутренняя полость гибкой диафрагмы 8 заполнена диэлектрической жидкостью, но непосредственной связи с полостью электродвигателя 2 и теплообменника 3 с встроенным компенсатором не имеет. Торцовое уплотнение 6 препятствует проникновению пластовой жидкости в полость 20, в ситуации выхода из строя торцового уплотнения 5, до тех пор, пока пластовая жидкость не заполнит объем внутри гибкой диафрагмы 8. Трубка 10, в выше обозначенной ситуации, выполняет функцию лабиринта в полости гибкой диафрагмы 8. Попадание пластовой жидкости в полость 19 может произойти и при разрыве гибкой диафрагмы 8. Только после заполнения полости 19 внутри гибкой диафрагмы 8 пластовая жидкость через канал, образованный наружной поверхностью вала 21 и внутренней поверхностью распорной втулки 11, может попасть в полость 20, дальнейшему проникновению пластовой жидкости в электродвигатель препятствует дополнительный гидрозащитный барьер. Таким образом, в протекторе гидрозащиты 1 происходит дублирование гидрозащитных функций.
Функция компенсации температурного расширения диэлектрической жидкости, при нагреве последней, из данного протектора гидрозащиты вынесена в теплообменник 3.
В известных конструкциях приводов насосных установок функцию компенсации температурного расширения диэлектрической жидкости выполняет протектор гидрозащиты (патент US 6307290 В1, опубликованный 23.10.2001, МПК Н02К 5/132, F04D 13/08) или модуль-компенсатор, который своей внутренней полостью связан с внутренней полостью электродвигателя, причем полости заполнены диэлектрической жидкостью, а элементом, выполняющим функцию температурной компенсации, является гибкая диафрагма, реже поршень, разделяющий диэлектрическую и пластовую жидкости (патент RU 2236742, опубликованный 20.09.2004, МПК Н02К 9/19, Н02К 5/132 или патент RU 2353812 С2, опубликованный 27.04.2009, МПК F04D 13/10).
В данной конструкции привода насосной установки электродвигатель 2 привода снабжен теплообменником 3 с встроенным компенсатором для дополнительного теплоотвода.
В теплообменник 3 с встроенным компенсатором установлен поршень 24 между разделительным корпусом 25 и штоком 26. Положение штока 26 зафиксировано демпферными шайбами 41. В канавки поршня 24, расположенные как со стороны внутренней поверхности разделительного корпуса 25, так и со стороны наружной поверхности штока 26 установлены эластомерные уплотнительные кольца 27 и 28, по крайней мере, по два, с обеих сторон поршня 24 (фиг.4). С обеих сторон каждого эластомерного уплотнительного кольца 27, 28 установлены по два дополнительных антифрикционных герметизирующих металлических кольца 29, 30 прорезями в противоположных направлениях (не показаны). На нижнем фланце 33 теплообменника 3 с встроенным компенсатором установлен упор 44. На наружной поверхности разделительного корпуса 25 выполнена винтовая канавка 31, в которой установлена спираль 32, определяющая траекторию движения диэлектрической жидкости в теплообменнике 3 с встроенным компенсатором (фиг.3).
Данная конструкция теплообменника 3 с встроенным компенсатором позволяет наиболее эффективно производить теплообмен между диэлектрической и пластовой жидкостями как за счет теплопереноса по корпусу 39, так и за счет теплопереноса по разделительному корпусу 25. Полость, образованная поршнем 24, разделительным корпусом 25, штоком 26 и нижним фланцем 33, заполнена защитной смазкой 34. Объем защитной смазки 34 выбирается из условия перемещения поршня 24 в результате расширения диэлектрической жидкости, вызванного максимальным температурным перепадом при работе электродвигателя 2.
Высота упора 44 рассчитывается из условия размещения данного объема защитной смазки 33 в выше обозначенной полости.
В нижнем фланце 33 теплообменника 3 с встроенным компенсатором, в канал 35, связывающий полость, заполненную защитной смазкой, с затрубным пространством установлен сетчатый дроссель 36, зафиксированный в нижнем фланце 33 пробкой 37, с внутренним шестигранным отверстием, препятствующий выбросу в затрубное пространство диэлектрической жидкости в процессе опускания насосной установки в скважину.
Диэлектрическая жидкость электродвигателя 2 циркулирует в системе электродвигатель-теплообменник с помощью центробежного насоса, связанного непосредственно с ротором электродвигателя (не показан), поступает в канал 38, затем в канал, образованный корпусом теплообменника 39, разделительным корпусом 25 и спиралью 32, уложенной в винтовую канавку 31 разделительного корпуса 25, в канал 42, в фильтр 43 и далее через внутреннюю полость штока 26 обратно в электродвигатель 2.
Компенсатор, выполненный в виде перемещающегося поршня 24, с установленными на нем уплотнительными кольцами 27, 28 и дополнительными антифрикционными герметизирующими металлическими кольцами 29, 30, позволяет выполнить условие наименьшего проникновения пластовых газов в диэлектрическую жидкость, прочен на разрыв, в отличие от компенсаторов с гибкими диафрагмами.
В процессе работы привода в составе насосной установки происходит постоянная утечка диэлектрической жидкости через торцовые уплотнения протектора гидрозащиты 1, при этом весь объем полости 40, заполненной диэлектрической жидкостью, работает на компенсацию утечек, что с точки зрения долговечности и надежности работы электродвигателя является предпочтительным, при этом выравнивание давления внутри электродвигателя и снаружи его происходит с помощью перемещения поршня 24. Максимальный ход поршня 24, в процессе компенсации разности давлений внутри и снаружи электродвигателя 2, возможен благодаря наличию защитной смазки 34, препятствующей солеотложению на внутренней поверхности разделительного корпуса 25 и наружной поверхности штока 26.
Таким образом, предложенная конструкция привода имеет минимальные габариты, пониженную металлоемкость, увеличенные ресурс и надежность.