Конструкция протектора для электрических погружных насосных систем
ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMPING SYSTEMS PROTECTOR DESIGN

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[001] Настоящее изобретение относится в целом к погружным насосным системам, а более конкретно, но не в качестве ограничения, к системе, в которой в электродвигателе и в протекторе насосной системы используются различные смазочные материалы.
ПРЕДШСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Погружные насосные системы часто устанавливаются в скважинах для извлечения нефтесодержащих текучих сред из подземных резервуаров. Как правило, погружная насосная система содержит ряд элементов, в том числе заполненный текучей средой электрический двигатель, соединенный с одним или несколькими высокопроизводительными насосами, расположенными над электродвигателем. При подаче питания электродвигатель передает крутящий момент к насосу, который выталкивает скважинные текучие среды на поверхность через насосно-компрессорную колонну. Каждый из элементов в погружной насосной системе должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать неблагоприятные условия в скважине.
[003] Элементы, обычно называемые «протектором» погружного электродвигателя, защищают электродвигатели и, как правило, расположены между электродвигателем и насосом. В этом положении протектор выполняет несколько функций, в том числе передает крутящий момент между электродвигателем и насосом, ограничивая поток скважинных текучих сред в электродвигатель, защищает электродвигатель от осевого усилия, сообщаемого насосом, и компенсирует расширение и сжатие смазочного материала электродвигателя, когда электродвигатель во время работы претерпевает циклы нагрева и охлаждения.
[004] Известные протекторы, как правило, имеют «чистую сторону», проточно сообщающуюся с электродвигателем, и «загрязненную сторону», проточно сообщающуюся со стволом скважины. Для отделения чистой стороны протектора от его загрязненной стороны используются сильфоны или мешки. Несмотря на свою эффективность, в целом, известные конструкции зависят от проточного сообщения между электродвигателем и протектором. Так как смазочный материал является общим как для электродвигателя, так и для протектора, должна быть использована одна и та же текучая среды. Таким образом, предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения направлены на это и другие ограничения известного уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] В предпочтительных вариантах выполнения изобретение представляет собой электрическую погружную насосную систему, выполненную с возможностью выкачивания текучих сред из ствола скважины. Указанная система содержит электродвигатель, заполненный материалом, и насос, приводимый в действие электродвигателем. Указанная система дополнительно содержит верхний протектор и нижний протектор, которые присоединены к противоположным концам электродвигателя. Верхний протектор заполнен маслом, которое отличается от смазочного материала электродвигателя, как правило маслом диэлектрического типа. Масло в верхнем протекторе изолировано от смазочного материала в электродвигателе. В противоположность этому, нижний протектор находится в проточном сообщении с электродвигателем. В предпочтительных вариантах выполнения нижний протектор содержит расширяющийся надувной баллон или поршень, который изолирует диэлектрический смазочный материал электродвигателя от скважинных текучих сред.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[006] Фиг. 1 изображает погружную насосную систему, выполненную в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.
[007] Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе электродвигателя, нижнего протектора и верхнего протектора, выполненных в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения.
[008] Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе электродвигателя насосной системы, показанной на Фиг. 2.
[009] Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе нижнего протектора, показанного на Фиг. 2, выполненного в соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения.
[010] Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе верхнего протектора, показанного на Фиг. 2, выполненного в соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения.
[011] Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе механического уплотнения протектора, показанного на Фиг. 5.
[012] Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе нижнего протектора, показанного на Фиг. 2, выполненного в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения.
[013] Фиг. 8 представляет собой вид в разрезе верхнего протектора, показанного на Фиг. 2, выполненного в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
[014] В соответствии с предпочтительными вариантами выполнения изобретения, на Фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе насосной системы 100, прикрепленной к насосно-компрессорной колонне 102. Насосная система 100 и насосно-компрессорная колонна расположены в стволе 104 скважины, которая пробурена для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. Используемый в настоящем описании термин «нефть» в широком смысле относится ко всем минеральным углеводородах, таким как сырая нефть, газ и комбинации нефти и газа.
[015] Насосная система 100 предпочтительно содержит насос 108, электродвигатель 110, верхний протектор 112 и нижний протектор 114. Насосно-компрессорная колонна 102 соединяет насосную систему 100 с устьем 106 скважины, расположенным на поверхности. Несмотря на то, что система 100 в первую очередь предназначена для перекачки нефтепродуктов, должно быть понятно, что настоящее изобретение также может быть использовано для перемещения других текучих сред. Кроме того, следует понимать, что, несмотря на то, что каждый из элементов насосной системы, в первую очередь, раскрыт для погружных применений, некоторые или все из этих элементов также могут быть использованы в операциях наземных систем перекачки.
[016] Как правило, электродвигатель 110 выполнен с возможностью приведения в действие насоса 108. В особенно предпочтительном варианте выполнения насос 108 представляет собой газотурбинный электродвигатель, который содержит одно или несколько рабочих колес и направляющих аппаратов для преобразования механической энергии в гидростатическое давление. В альтернативных вариантах выполнения насос 108 выполнен в виде объемного насоса. Насос 108 содержит впускное отверстие 118, которое обеспечивает возможность втягивания текучих сред из скважины 104 в насос 108. Насос 108 перемещает скважинные текучие среды на поверхность через насосно-компрессорную колонну 102.
[017] В предпочтительных вариантах выполнения изобретения верхний протектор 112 расположен выше электродвигателя 110 и ниже насоса 108. Нижний протектор 114 расположен ниже электродвигателя 110. Несмотря на то, что изображен только один из каждых элементов, должно быть понятно, что большее количество элементов может быть подсоединено, когда это уместно, что другие варианты расположения компонентов желательны, и что эти дополнительные конфигурации включены в объем предпочтительных вариантов выполнения изобретения. Например, во многих приложениях желательно использовать сдвоенную конфигурацию электродвигателей, газовых сепараторов, несколько протекторов, несколько насосов, модулей датчиков и других скважинных элементов.
[018] Следует отметить, что несмотря на то, что насосная система 100 изображена на Фиг. 1 в вертикальном положении, она также может использоваться в не вертикальных применениях, в том числе в горизонтальных и невертикальных стволах 104 скважины. Таким образом, термины «верхний» и «нижний» в настоящем описании просто используются для описания относительного расположения элементов в пределах насосной системы 100 и не должны быть истолкованы как признак того, что насосная система 100 должна быть развернута в вертикальной ориентации.
[019] На Фиг. 2 и 3 изображен разрез верхнего протектора 112, электродвигателя 110 и нижнего протектора 114. Электродвигатель 110, как показано на увеличенном виде, изображенном на Фиг. 3, предпочтительно содержит корпус 120, статорный узел 122, роторный узел 124, подшипники 126 ротора и вал 128. Статорный узел 122 содержит ряд статорных катушек (отдельно не обозначены), которые соответствуют различным фазам электропитания, подаваемого к электродвигателю 110. Роторный узел 124 закреплен шпонкой на валу электродвигателя 128 и выполнен с возможностью вращения в непосредственной близости от неподвижного статорного узла 122. Размер и конфигурацию статорного узла 122 и роторного узла 124 можно регулировать для соответствия специфическим требованиям производительности электродвигателя 110.
[020] Последовательная подача питания на различные ряды катушек внутри статорного узла 122 приводит к тому, что роторный узел 124 и вал 128 электродвигателя вращаются в соответствии с хорошо известными электродвижущими принципами. Подшипники 126 электродвигателя поддерживают центральное положение роторного узла 124 внутри статорного узла 122 и противодействуют радиальным и осевым силам, генерируемым электродвигателем 110 на валу 128 электродвигателя.
[021] Электродвигатель 110 заполняют смазочным материалом 200 в процессе производства, что снижает фрикционный износ вращающихся элементов в электродвигателе 110. В особенно предпочтительных вариантах выполнения изобретения смазочный материал 200 электродвигателя представляет собой диэлектрическую текучую среду. Когда при работе электродвигатель 110 претерпевает циклы нагрева и охлаждения и подвергается воздействию повышенных температур в скважине 104, диэлектрический смазочный материал 200 электродвигателя расширяется и сжимается. Желательно предотвратить загрязнение смазочного материала 200 электродвигателя скважинными текучими средами 204 и твердыми веществами в стволе 104 скважины. Для того, чтобы обеспечить расширение и сжатие смазочного материала 200 при повышенных температурах в стволе скважины, нижний протектор 114 соединяют с электродвигателем 110 и размещают в проточном сообщении с диэлектрическим смазочным маслом 200 электродвигателя. Следует отметить, что верхний протектор 112 выполнен без возможности обмена текучими средами с электродвигателем 110.
[022] На Фиг. 2 и Фиг. 4 показан вид в разрезе нижнего протектора 114, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения. Нижний протектор 114 содержит корпус 130 мешочного уплотнения, узел 132 мешочного уплотнения и узел 134 обмена текучими средами. Узел 132 мешочного уплотнения предпочтительно содержит опору 136 мешка, надувной баллон 138, впускные отверстия 140 и нагнетательные клапаны 142. Опора 136 жестко прикреплена к внутренней поверхности корпуса 130. Надувной баллон 138 прикреплен к опоре 136 прижимными фланцами 144. В качестве альтернативы, надувной баллон 138 может быть прикреплен к опоре 136 с помощью ручек или хомутов. Впускные отверстия 140 обеспечивают проточный путь, соединяющий электродвигатель 110 с внутренней частью надувного баллона 138 и опорой 136. Важно, что опора 136 мешка обеспечивает прохождение текучих сред между электродвигателем 110 и корпусом 130 только через впускные отверстия 140. При этом не допускаются прохождение непосредственно в корпус 130 мешочного уплотнения скважинных текучих сред 204, внешних по отношению к надувному баллону 138.

[023] Нагнетательные клапаны 142 предпочтительно представляют собой односторонние предохранительные клапаны, выполненные с возможностью открытия при заданном пороговом давлении, превышающим внешнее давление в стволе скважины. Таким образом, если давление текучей среды внутри баллона 138 превышает установленное давление, клапаны 142 открываются и уменьшают давление внутри надувного баллона 138 путем выпуска небольшого объема смазочного материала 200 электродвигателя в ствол 104 скважины. В особенно предпочтительном варианте выполнения, баллон 138 изготовлен из высокотемпературного полимера или эластомера. Подходящие полимеры и эластомеры включают AFLAS, политетрафторэтилен (ПТФЭ), перфторалкан (ПФА) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). В качестве альтернативы, баллон 138 может быть изготовлен из металлических расширяющихся сильфонов.
[024] Корпус 130 мешочного уплотнения также содержит узел 134 обмена текучими средами. Узел 134 обмена текучими средами содержит экран 146 от твердых веществ и несколько обменных портов 148. Обменные порты 148 обеспечивают возможность прохождения текучих сред из скважины 104 через экран 146 от твердых веществ в корпус 130 мешочного уплотнения вокруг наружной поверхности надувного баллона 138. Экран 146 от твердых веществ уменьшает количество твердых частиц в корпусе 130 мешочного уплотнения. Экран 146 от твердых веществ 146 предпочтительно изготавливают из металлической или полимерной тканой сетки.
[025] В процессе производства нижний протектор 114 заполняют диэлектрическим смазочным материалом 200 электродвигателя. Когда текучая среда в электродвигателе 110 расширяется во время работы, она движется вниз в нижний протектор 114, через опору 136 мешка и в надувной баллон 138. Баллон 138 расширяется, чтобы компенсировать размещение введенных текучих сред из электродвигателя 110. Когда надувной баллон 138 расширяется, текучие среды, внешние по отношению к надувному баллону 138, вытесняются через обменные порты 148 и экран 146 от твердых веществ. Если давление внутри надувного баллона 138 превышает пороговое давление нагнетательных клапанов 142, то нагнетательные клапаны 142 открываются и пропускают часть смазочного материала 200 электродвигателя в скважину 104.
[026] С другой стороны, во время цикла охлаждения текучая среда в электродвигателе 110 сжимается и втягивается вверх из надувного баллона 138. Так как объем и давление в баллоне 138 уменьшаются, текучая среда из ствола скважины втягивается в корпус 130 мешочного уплотнения через экран 146 от твердых веществ и обменные порты 148. Нижний протектор 114 обеспечивает надежный механизм для обеспечения расширения и сжатия смазочных материалов из электродвигателя 110 при сохранении изолирующего барьера между чистыми смазочными материалами электродвигателя и загрязненными скважинными текучими средами 204 из ствола 104 скважины.
[027] Несмотря на то, что нижний протектор 114 был описан в предпочтительных вариантах выполнения как имеющий узел 132 мешочного уплотнения, следует принимать во внимание, что в нижний протектор 114 также могут быть включены дополнительные и альтернативные уплотнительные механизмы. Например, может быть желательным заменить узел 132 мешочного уплотнения системой расширения текучей среды на поршневой основе. В еще одном варианте выполнения узел 132 мешочного уплотнения установлен в паре с системой уплотнения поршневого типа.
[028] На Фиг. 5 показан вид в разрезе верхнего протектора 112. Верхний протектор 112 прикреплен к верхнему концу электродвигателя 110 и обеспечивает систему для компенсации осевой нагрузки насоса 108. Верхний протектор 112 содержит вал 150, узел 152 упорного подшипника и одно или несколько механических уплотнений 154. В процессе изготовления верхний протектор 112 заполняют чистым маслом 202. В предпочтительных вариантах выполнения масло 202 протектора отличается от диэлектрического смазочного материала 200 электродвигателя. Масло 202 протектора предпочтительно имеет более высокую вязкость, чем смазочный материал 200 электродвигателя, что является полезным при создании гидродинамических опорных поверхностей внутри верхнего протектора 112.
[029] Вал 150 протектора соединен с валом 128 электродвигателя, либо выполнен с валом 128 электродвигателя в виде единого вала, и передает крутящий момент от электродвигателя 110 к насосу 108. Узел 152 упорного подшипника содержит пару неподвижных подшипников 156 и упорный диск 158, прикрепленный к валу 150 протектора. Упорный диск 158 захватывается между неподвижными подшипниками 156, которые ограничивают осевое перемещение упорного диска 158 и вала электродвигателя 128, и валом 150 протектора.

[030] В особенно предпочтительном варианте выполнения верхний протектор 112 содержит несколько механических уплотнений 154. На Фиг. 5 изображены два механических уплотнения 154А и 154 В. Как лучше всего показано на виде крупным планом механического уплотнения 154, изображенного на Фиг. 6, каждое механическое уплотнение 154 содержит сильфон 160, цилиндрическую винтовую пружину 162, подвижный элемент 164 и неподвижное кольцо 166. Эти элементы взаимодействуют для предотвращения миграции текучих среди вдоль вала 150 протектора 150 и изолируют смазочный материал 200 электродвигателя от масла 202 протектора. Диаметр неподвижного кольца 166 обеспечивает возможность свободного вращения вала 150 протектора. В противоположность этому, сильфон 160, цилиндрическая винтовая пружина 162 и подвижный элемент 164 вращаются вместе с валом 150 протектора. Вращающийся подвижный элемент 164 удерживается на месте с неподвижным кольцом 166 с помощью подпружиненного сильфона 160. Сильфон 160 предпочтительно содержит ряд складок, которые обеспечивают возможность регулировки их длины, чтобы удерживать подвижный элемент 164 в контакте с неподвижным кольцом 166, если вал 150 протектора испытывает осевое смещение. Сильфон 160 может быть изготовлен из тонкого гофрированного металла или из эластомеров и полимеров, в том числе AFLAS, перфторэластомер, политетрафторэтилен (ПТФЭ), перфторалкан (ПФА) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК).
[031] Верхний протектор 112 предпочтительно также содержит узел 132 мешочного уплотнения. Как и в нижнем протекторе 114, узел 132 в верхнем протекторе 112 содержит опору 136 мешка, надувной баллон 138, впускные отверстия 140 и нагнетательные клапаны 142. Опора 136 жестко прикреплена к внутренней поверхности верхнего протектора 112. Баллон 138 прикреплен к опоре 136 прижимными фланцами 144. В качестве альтернативы, надувной баллон 138 может быть прикреплен к опоре 136 с помощью ручек или хомутов. Впускные отверстия 140 обеспечивают проточный путь, соединяющий электродвигатель 110 с внутренней частью надувного баллона 138 и опорой 136. Наружная сторона надувного баллона 138 находится в проточном сообщении с насосом 108 и стволом 104 скважины. Таким образом, узел 132 мешочного уплотнения в верхнем протекторе 112 изолирует скважинные текучие среды 204 в насосе 108 от масла 202 верхнего протектора 112.
[032] На Фиг. 7 и 8 показаны, соответственно, альтернативные варианты выполнения нижнего протектора 114 и верхнего протектора 112. В альтернативном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 7, нижний протектор 114 содержит однопоршневой уплотнительный узел 168. Поршневой уплотнительный узел 168 содержит цилиндр 170 и поршень 172. Поршень 172 предпочтительно содержит одно или несколько кольцевых уплотнений 174. Поршень 172 проходит через цилиндр 170, реагируя на разность давлений, и действует в качестве активного барьера между смазочным материалом 200 электродвигателя и скважинными текучими средами 204. Следует принять во внимание, что поршневой уплотнительный узел 168 может быть использован отдельно или в комбинации с узлом 132 мешочного уплотнения.
[033] Кроме того, в альтернативном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 8, верхний протектор 112 содержит несколько поршневых уплотнительных узлов 168, окружающих вал 150 протектора. Поршневые узлы 168 предпочтительно используются в комбинации с механическими уплотнениями 154 и в качестве альтернативы или в дополнение к узлу 132 мешочного уплотнения. Каждый узел из нескольких поршневых узлов 168 содержит цилиндр 170 и поршень 172. В особенно предпочтительном варианте выполнения, изображенном на Фиг. 8, каждый цилиндр 170 содержит два или большее количество поршней 172. Каждый поршень 172 предпочтительно содержит одно или большее количество кольцевых уплотнений 174. Каждый поршень 172 проходит через соответствующий цилиндр 170, реагируя на разность давлений, и действует в качестве активного между маслом 202 протектора и скважинными текучими средами 204 из насоса 108.
[034] Таким образом, во время цикла нагрева и охлаждения электродвигателя 110, смазочный материал 200 электродвигателя может расширяться из электродвигателя 110 в нижний протектор 114. Нижний протектор 114 компенсирует расширение текучей среды из электродвигателя 110, тогда как верхний протектор 112 предотвращает миграцию текучих сред вдоль валов между электродвигателем 110 и насосом 108, и компенсирует осевое усилие, создаваемое насосом 108. Следует отметить, что использование специализированных нижнего протектора 114, проточно сообщающегося с электродвигателем 110, и верхнего протектора 112, проточно изолированного от электродвигателя 110, обеспечивает возможность использования различных смазочных материалов в электродвигателе 110 и в верхнем протекторе 112. Возможность использования различных смазочных материалов в электродвигателе 110 и в верхнем протекторе представляет собой значительный прогресс по сравнению с известным уровнем техники.
[035] В дополнение или в качестве альтернативы узлам 132 мешочного уплотнения и поршневым уплотнительным узлам 168, как верхний протектор 112, так и нижний протектор 114 может содержать другие разделительные системы. Например, может быть желательным включить лабиринтные камеры для дальнейшей изоляции текучих сред и твердых веществ от электродвигателя 110. Следует отметить, что узел 132 мешочного уплотнения предпочтительно выполнен таким образом, что обменный порт 151 на опорной трубе 136 для мешка расположен в верхней части узла 132. Расположение обменного порта 151 в верхней части узла 132 способствует оседанию частиц в нижней части надувного баллона 138. Это снижает риск прохождения частиц через узел 132 мешочного уплотнения.
[036] Следует понимать, что несмотря на то, что в вышеприведенном описании вместе с подробной информацией о структуре и функции различных вариантов выполнения изобретения, были изложено многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения настоящего изобретения, данное описание является исключительно иллюстративным, и изменения могут быть сделаны в деталях, особенно в вопросах конструкции и расположении частей в пределах принципах изобретения в полном объеме, обозначенном широким общим значением терминов, которыми выражена прилагаемая формула изобретения. Специалистам будет понятно, что идеи настоящего изобретения могут быть применены к другим системам, не выходя за пределы объема и сущности изобретения.