УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОГРУЖНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА

Техническое решение относится к гидромашиностроению, а также к способам интенсификации добычи нефти, воды и других растворимых или плавких веществ или полезных ископаемых из буровых скважин и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при создании погружных центробежных насосных агрегатов, пригодных для эксплуатации ниже интервала перфорации скважины.
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.
Известно устройство для охлаждения электродвигателя погружного насосного агрегата, эксплуатируемого ниже интервала перфорации скважины, описанное в патенте US 5845709 А, 08.12.1998, содержащее, рециркуляционный насос, расположенный между входным модулем и первой насосной
секцией погружного насосного агрегата, рециркуляционную трубу, верхний относительно устья скважины конец которой гидравлически связан с нагнетательной полостью рециркуляционного насоса, а нижний конец расположен ниже электродвигателя погружного насосного агрегата, а также средство для закрепления рециркуляционной трубы на насосе и электродвигателе погружного насосного агрегата с обеспечением защиты рециркуляционной трубы от повреждения при спускоподъемных операциях.
Основными недостатками аналога является снижение КПД агрегата при использовании устройства, так как от 1 до 10% перекачиваемой жидкости используется для охлаждения электродвигателя, высокая сложность устройства, а также недостаточная надежность средств для закрепления и защиты рециркуляционной трубы, возможности для усиления которых ограничены габаритами насосного агрегата.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является устройство для охлаждения электродвигателя погружного насосного агрегата, эксплуатируемого ниже интервала перфорации скважины (см. ODI Motor Shroud to Assembly Service Manual No. 5.27.0, 05.12.1995), содержащее полый цилиндрический кожух, выполненный с возможностью размещения внутри него электродвигателя погружного насосного агрегата, средства для закрепления кожуха на насосе погружного насосного агрегата с обеспечением движения, по крайней мере, основного потока перекачиваемой среды через нижний относительно устья скважины открытый конец кожуха и средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха.
Средства для закрепления кожуха выполнены в виде двух сухарей, устанавливаемых на шейке входного модуля выше приемного отверстия насоса и соединяемых болтами. Кожух закрепляют на внешней поверхности сухарей, при этом внесения изменений в конструкцию насосного агрегата не требуется. Средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха представляют собой продольные ребра выполненные на внутренней поверхности нижнего конца кожуха.
Основными недостатками прототипа являются, во-первых невозможность установки кожуха на входном модуле погружного насоса, конструкция которого отличается от описанной в прототипе, во-вторых, не оптимальное размещение кожуха в эксплуатационной колонне относительно погружного электродвигателя, внешний периметр которого не описывается правильной окружностью, например узел токоввода представляет собой выступающую относительно корпуса часть электродвигателя. В этом случае будет необходимо использовать кожух, диаметр которого превышает диаметральный габарит погружного насосного агрегата, что существенно затруднит спускоподъемные операции, а в скважинах с диаметром эксплуатационной колонны менее 168 мм и в скважинах, требования к искривленности которых не были соблюдены в полной мере, спуск погружного агрегата станет практически невозможен.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в создании устройства для охлаждения электродвигателя погружного насосного агрегата, эксплуатируемого ниже интервала
перфорации скважины, пригодного для использования в том числе в скважинах с малым диаметром эксплуатационной колонны.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в расширении сферы применения устройства за счет минимизации диаметрального габарита насосного агрегата и гидравлического сопротивления на входе насоса, а также в уменьшении количества энергии, затрачиваемой на охлаждение электродвигателя.
Устройство для охлаждения электродвигателя погружного насосного агрегата, эксплуатируемого ниже интервала перфорации скважины, содержит полый цилиндрический кожух, выполненный с возможностью размещения внутри него электродвигателя погружного насосного агрегата, средства для закрепления кожуха на насосе погружного насосного агрегата с обеспечением движения, по крайней мере, основного потока перекачиваемой среды через нижний относительно устья скважины открытый конец кожуха и средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха. При этом, в отличии от прототипа, средства для закрепления кожуха выполнены таким образом, что обеспечивают установку кожуха со смещением его продольной оси относительно продольной оси вала электродвигателя, а средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха выполнены с возможностью ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха, продольная ось которого смещена относительно продольной оси вала электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для
закрепления кожуха обеспечивают установку кожуха таким образом, что продольная ось кожуха совпадает с осью окружности, описывающей максимальный поперечный габарит электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для закрепления кожуха обеспечивают установку кожуха со смещением его продольной оси относительно продольной оси вала электродвигателя в направлении узла токоввода электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для закрепления кожуха обеспечивают установку кожуха со смещением его продольной оси на величину, превышающую расстояние от продольной оси электродвигателя до середины отрезка, соединяющего наиболее выступающую часть узла токоввода электродвигателя и противоположную стенку корпуса электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для закрепления кожуха обеспечивают установку кожуха со смещением его продольной оси на величину, определяемую из условия обеспечения минимального необходимого зазора между кожухом и корпусом электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения кожуха.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для закрепления кожуха выполнены с возможностью закрепления верхнего открытого конца кожуха выше приемных отверстий насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для закрепления кожуха включают в себя входной модуль насоса погружного
насосного агрегата, при этом на внешней поверхности входного модуля выполнена цилиндрическая установочная шейка, предназначенная для размещения на ней внутренней поверхности верхнего открытого конца кожуха, и средства для фиксации верхнего открытого конца кожуха на установочной шейке.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, продольная ось установочной шейки смещена относительно продольной оси входного модуля насоса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха содержат упорный элемент, выполненный с возможностью установки на электродвигателе погружного насосного агрегата и фиксации в заданном угловом положении относительно продольной оси вала электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха содержат переводник, выполненный с возможностью закрепления на нижнем торце электродвигателя соосно валу электродвигателя, при этом на переводнике установлен упорный элемент с возможностью поворота и фиксации в заданном угловом положении.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, упорный элемент по форме выполнен в виде кулачка, при этом расстояние от оси переводника до наиболее выступающей части упорного элемента превышает расстояния от оси вала электродвигателя до наиболее выступающей части узла токоввода электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, устройство может быть снабжено средством для очистки зумпфа, которое представляет собой полый цилиндрический хвостовик, 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 меньше диаметра кожуха.
Установка кожуха со смещением его продольной оси относительно продольной оси вала электродвигателя позволяет оптимальным образом разместить кожух в эксплуатационной колонне относительно погружного электродвигателя, внешний периметр которого не описывается правильной окружностью, в частности, если наиболее выступающей частью электродвигателя обычно является узел токоввода, при этом смещение продольной оси кожуха в направлении узла токоввода позволит разместить электродвигатель в кожухе меньшего диаметра. Кроме того, гидравлическое сопротивление эксцентричного зазора, образующейся между кожухом и наружной стенкой корпуса электродвигателя на 25% ниже гидравлического сопротивления концентричного зазора равной площади.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции устройство для охлаждения электродвигателя погружного насосного агрегата, сопровождаемом графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 - схема конструкции и установки устройства.
На Фиг.2 - сечение А-А на Фиг.1
На Фиг.3 - сечение В-В на Фиг.1
На Фиг.4 - схема варианта выполнения кожуха с хвостовиком
Устройство 1 предназначено для охлаждения электродвигателя 2 погружного насосного агрегата, эксплуатируемого ниже интервала перфорации 19 скважины. Устройство 1 включает в себя полый цилиндрический кожух 4, входной модуль 5 насоса 3 погружного насосного агрегата и переводник 6.
Кожух 4 изготавливают из куска эксплуатационной колонны или более легкой трубы соответствующего диаметра, который должен превышать максимальный поперечный габарит Г 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 диаметром эксплуатационной колонны 130 мм, диаметр кожуха будет составляет 123 мм. Длину кожуха подбирают таким образом, чтобы установленный на нижнем конце электродвигателя 2 переводник 6 был расположен внутри кожуха 4.
Верхний относительно устья скважины открытый конец кожуха посредством четырех болтов 7 крепится на входном модуле 5 выше приемной сетки 8, при этом на входном модуле выполнена специальная цилиндрическая установочная шейка 9, продольная ось которой смещена относительно продольной оси входного модуля насоса в направлении узла токоввода 18 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 9 будет совпадать с осью окружности, описывающей максимальный поперечный габарит электродвигателя. Кожух 4 плотно прилегает к поверхности установочной шейки 9 по всему периметру (за исключением участка, на котором в установочной шейке выполнена проточка для прохода кабеля-удлинителя 10 кабельной линии погружного насосного агрегата), что обеспечивает движение основного потока перекачиваемой среды через нижний открытый конец кожуха (см. Фиг.1). 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 4 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.
Переводник 6 предназначен для ограничения радиального перемещения нижнего конца кожуха 4, что позволяет сохранять требуемую величину зазора между кожухом и электродвигателем в том случае, если положение насосного агрегата отличается от вертикального. Переводник 6 состоит из полого вала 11 с отверстиями 12 для прохода пластовой жидкости и крепежного фланца 13, предназначенного для присоединения к нижнему фланцу электродвигателя в том случае, если используется однокорпусная гидрозащита, то есть компенсатор отсутствует, в том, случае если переводник устанавливают на электродвигатель с двухкорпусной гидрозащитой, конструкция крепежного элемента должна быть изменена.
На валу 11 установлен упорный элемент 14 в виде хомута, выполненный с возможностью поворота закрепления его в произвольном угловом положении с помощью винтов 15. Возможность закрепления упорного элемента 14 в произвольном угловом положении обеспечивается для того, чтобы компенсировать угловое смещение нижнего фланца электродвигателя относительно узла токоввода, определяемое степенью затяжки резьбовых соединений корпусных элементов электродвигателя 2.
По форме упорный элемент выполнен в виде кулачка (см. Фиг.3), при
этом расстояние от оси переводника до наиболее выступающей части упорного элемента превышает расстояния от оси вала электродвигателя 2 до наиболее выступающей части узла токоввода электродвигателя.
Если кожух 4 имеет значительную длину, в состав устройства 1 могут быть включены дополнительные средства для ограничения радиального перемещения (прогиба) средней части кожуха (на Фиг.1 не показаны), закрепляемые на корпусе электродвигателя и/или гидрозащиты.
В том случае, если насосный агрегат используется в скважине с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости, устройство 1 может быть снабжено специальным средством для очистки зумпфа от скапливающихся в нем механических частиц. Указанное средство представляет собой полый цилиндрический хвостовик 17, 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 Dx меньше диаметра кожуха Dk.
Устройство работает следующим образом.
Поток пластовой жидкости из интервала перфорации 19 скважины за счет депрессии, создаваемой насосным агрегатом, движется в направлении нижнего конца кожуха 4, проходя через кольцевой зазор между кожухом и эксплуатационной колонной (см. Фиг.1), при этом на участке между интервалом перфораций и нижним концом кожуха происходит натуральная сепарация газа, а скважина выступает в роли естественного газосепаратора.
Попав внутрь кожуха 4, пластовая жидкость проходит через полый вал
11 и отверстия 12 и попадает в эксцентричный кольцевой зазор между кожухом 4 и электродвигателем 2. Поток жидкости омывает стенку корпуса электродвигателя 2, обеспечивая его охлаждение, а затем попадает на прием насоса 3, при этом давление на приеме насоса оказывается повышенным за счет увеличенной глубины спуска насоса, что позволяет стабилизировать работу центробежного насоса 3.
В том случае, если используют кожух 4 с хвостовиком 17 поток пластовой жидкости попадая внутрь хвостовика увеличивает свою скорость, вследствие того, что площадь внутреннего поперечного сечения хвостовика 17 меньше площади кольцевой полости между хвостовиком и эксплуатационной колонной, при этом частицы механических примесей, оседающие в призабойную зону 20, захватываются потоком перекачиваемой среды и выносятся на поверхность центробежным насосом, что несколько снижает ресурс насоса, но увеличивает срок эксплуатации скважины.