УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО МАСЛОЗАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Техническое решение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в конструкциях протекторов гидрозащит маслозаполненных электродвигателей погружных насосных агрегатов, предназначенных для добычи нефти преимущественно из скважин с высокой температурой пластовой жидкости.
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, описанное, в частности, в патенте US 2783400 А, 26.02.1957 и кн. А.А.Богданов Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти, М., Недра, 1968, с.182-184, содержащее головку и основание, выполненные с центральным отверстием для размещения вала и втулок радиальных подшипников, а также расположенные между ними и герметично соединенные между собой ниппель, перегородку, осевую опору вала и секции корпуса. Ниппель и расположенная между ниппелем и головкой кольцевая перегородка выполнены с центральным отверстием для размещения вала и втулок радиальных подшипников. Между валом и головкой, а также между валом и ниппелем установлены торцовые уплотнения. В полости устройства размещены две защитные трубы, закрепленные с зазором относительно вала в центральных отверстиях головки и перегородки, а также ниппеля и основания, соответственно, с возможностью движения масла из
полости под перегородкой (основанием) в полость защитной трубы и обратно. Таким образом, в полости устройства образованы две гидрозатворные секции. Верхняя гидрозатворная секция образована головкой с торцевым уплотнением с верхней стороны, перегородкой с нижней стороны, а также верхней защитной трубой и секцией корпуса. Нижняя гидрозатворная секция образована ниппелем с торцевым уплотнением с верхней стороны, основанием с нижней стороны, а также нижней защитной трубой и нижней секцией корпуса. В каждой защитной трубе выполнено отверстие, связывающие полость трубы с полостью гидрозатворной секции, расположенное вблизи верхней стенки соответствующей гидрозатворной секции.
Головка снабжена трубкой, нижний конец которой расположен вблизи перегородки верхней гидрозатворной секции, а верхний конец гидравлически связан с полостью насоса. Ниппель снабжен аналогичной трубкой, нижний конец которой расположен вблизи основания, а верхний конец гидравлически связан с полостью между гидрозатворными секциями (между ниппелем и перегородкой). Упомянутые трубки и защитные трубы секций образуют гидрозатвор (лабиринт) соответствующей секции.
Нижняя гидрозатворная секция выполнена с возможностью гидравлического соединения с полостью погружного электродвигателя через полость защитной трубы и основания.
Между ниппелем и перегородкой в отдельном корпусном элементе размещена осевая опора вала.
Гидрозатворные секции выполнены с возможностью последовательного
заполнения их маслом через полость электродвигателя. В боковой стенке ниппеля и головки выполнены отверстия с возможностью соединения полости соответствующей гидрозатворной секции с окружающей средой для выхода воздуха при заполнении гидрозатворной секции маслом, при этом устройство снабжено пробками, предназначенными для перекрытия указанных отверстий после заполнения секции.
Аналогичная конструкция описана в патенте US 6602059 B1, 05.08.2003, однако для связи гидрозатворных секций между собой вместо защитной трубы используют дополнительную трубку, верхний конец которой расположен вблизи головки, а нижний связан выполненным в ниппеле каналом с трубкой ниппеля, которая в этом случае изолирована от полости между ниппелем и перегородкой. Аналогичную трубку используют и для гидравлического соединения полости нижней гидрозатворной секции с полостью электродвигателя
В свидетельстве на полезную модель RU 27416 U1, 27.01.2003 описано аналогичное устройство, снабженное вторым ниппелем, закрепляемым в головке. Это устройство снабжено также обратными клапанами для сброса выделяющегося их масла газа, один из которых размещен в канале (трубке), связывающем полость верхней гидрозатворной секции с полостью насоса, а второй - на верхнем конце дополнительной трубки, связывающей полости верхней и нижней гидрозатворных секций. Кроме того, в указанном устройстве на валу закреплены втулки, соответствующие втулкам, закрепленным в центральном отверстии верхнего и нижнего ниппелей, которые образуют ответные
поверхности трения радиальных опор вала, что позволяет снизить требования к материалу вала. Кроме того, осевая опора вала размещена в центральном отверстии основания, т.е. в наиболее защищенном месте под обеими гидрозатворными секциями.
В патенте US Re 26783, 03.02.1970 описана, в частности, трубка верхней гидрозатворной секции, верхний конец которой изолирован от полости насоса и выполнен с возможностью гидравлического соединения полости верхней гидрозатворной секции непосредственно с затрубным пространством при размещении устройства в скважине, что препятствует засорению отверстия трубки мехпримесями, осаждающимися в приемном узле насоса.
Описанные аналоги могут быть использованы в скважинах с небольшой кривизной (незначительным отклонением от вертикали) ствола скважины и предназначены преимущественно для скважин с высокой температурой пластовой жидкости, т.к. не содержат резиновых деталей, таких как диафрагмы протекторов наиболее распространенной в настоящее время типа.
Общим недостатком описанных аналогов является недостаточно эффективная защита электродвигателя от агрессивной внешней среды, вследствие смешивания масла с пластовой жидкостью в гидрозатворной камере, особенно в том случае, когда разница в удельном весе пластовой жидкости и заполняющего полость устройства трансформаторного масла незначительна (малообводненные скважины и пр.). Кроме того, в описанных аналогах не исключена возможность проникновения свободного и растворенного в пластовой жидкости газа, в полость электродвигателя при эксплуатации устройства
в скважинах с высоким газовым фактором.
Таким образом, конструкции описанных аналогов не позволяют гарантировать достаточно надежную защиту электродвигателя при любых условиях возможных в реальных скважинах. Для устранения указанного недостатка необходимо обеспечить возможность увеличения, в случае необходимости, степени обеспечиваемой устройством защиты без существенного изменения его конструкции. Наиболее простым и эффективным средством решения указанной проблемы является использование модульной конструкции протектора с изменяемым числом гидрозатворных секций.
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя (см. US 4992689 А, 12.02.1991), содержащее головку, основание и, по меньшей мере, три последовательно соединенные гидрозатворные секции, рабочая полость каждой из которых образована секцией корпуса, герметично соединенной своей верхней частью с ниппелем, а нижней - с перегородкой, и соединенной с ниппелем и перегородкой защитной трубой, в которой с зазором размещен вал устройства. Ниппель и перегородка выполнены с центральным отверстием для размещения вала, а между валом и ниппелем установлено торцовое уплотнение. В верхней части защитной трубы выполнено отверстие, гидравлически соединяющее рабочую полость гидрозатворной секции с внутренней полостью защитной трубы, которая гидравлически соединена с полостью под перегородкой. Каждый ниппель снабжен трубкой, нижний конец которой расположен вблизи перегородки соответствующей гидрозатворной секции, а верхний конец трубки
гидравлически связан с полостью расположенной выше гидрозатворной секции с помощью дополнительной трубки, верхний конец которой расположен вблизи ниппеля этой гидрозатворной секции. При этом верхний конец трубки ниппеля верхней гидрозатворной секции гидравлически связан с полостью насоса. Нижняя гидрозатворная секция выполнена с возможностью гидравлического соединения с полостью погружного электродвигателя посредством трубки, аналогичной упомянутой дополнительной трубке, причем верхний конец этой трубки расположен вблизи верхней стенки нижней гидрозатворной секции.
Описанное устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя выполнено по модульному принципу и обеспечивает возможность изменения, в случае необходимости, количества гидрозатворных секций, а также возможность использования помимо гидрозатворных секций (лабиринтный тип гидрозащиты), секций диафрагменного, поршневого и пр. типов.
Описанное техническое решение (в исполнении со всеми гидрозатворными (лабиринтными) секциями) принято за прототип.
Основными недостатками прототипа является, во-первых, сложность конструктивной реализации гидравлической связи между секциями с использованием дополнительных трубок, во-вторых, повышенные требования к материалу вала, в связи с отсутствием на валу втулок радиальных подшипников и, в-третьих, возможность засорения канала, связывающего верхнюю гидрозатворную секцию с приемом насоса, мехпримесями, осаждающимися в приемном
узле.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, состоит в создании устройства для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, пригодного для использования в скважинах с высокой температурой пластовой жидкости.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении эффективности защиты погружного электродвигателя в различных условиях эксплуатации за счет использования модульного принципа построения устройства при одновременном устранении недостатков прототипа, путем повышении надежности и технологичности конструкции устройства.
Устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, содержит головку, основание и, по меньшей мере, три последовательно соединенные гидрозатворные секции. Рабочая полость каждой из которых образована соответствующей секцией корпуса, герметично соединенной своей верхней частью с ниппелем, а нижней - с перегородкой, и соединенной с ниппелем и перегородкой защитной трубой, в которой с зазором размещен вал устройства. Ниппель и перегородка выполнены с центральным отверстием для размещения вала, а между валом и ниппелем установлено торцовое уплотнение. В верхней части защитной трубы выполнено отверстие, гидравлически соединяющее рабочую полость гидрозатворной секции с внутренней полостью защитной трубы, которая гидравлически соединена
с полостью под перегородкой. Каждый ниппель снабжен трубкой, нижний конец которой расположен вблизи перегородки соответствующей гидрозатворной секции. Нижняя гидрозатворная секция выполнена с возможностью гидравлического соединения с полостью погружного электродвигателя. При этом в отличии от прототипа верхний конец трубки ниппеля верхней гидрозатворной секции выполнен с возможностью гидравлического соединения полости верхней гидрозатворной секции с затрубным пространством при размещении устройства в скважине, а верхние концы трубок ниппелей остальных секций гидравлически связаны с полостью под перегородкой расположенной выше гидрозатворной секции.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в центральном отверстии каждого ниппеля закреплена втулка, образующая радиальную опору вала, при этом на валу закреплены втулки, соответствующие втулкам ниппелей и образующие ответные поверхности трения радиальных опор вала.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, ниппель выполнен с каналом, связывающим полость центрального отверстия с рабочей полостью гидрозатворной секции.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, торцевые уплотнения размещены в полости между ниппелем и перегородкой расположенной выше гидрозатворной секции и отделяют указанную полость от полости центрального отверстия ниппеля, при этом верхнее торцевое уплотнение установлено над соответствующим ниппелем в полости, гидравлически
соединяемой с приемом насоса
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, гидрозатворные секции выполнены с возможностью последовательного заполнения их маслом через полость электродвигателя, при этом в каждом ниппеле выполнен канал для соединения полости гидрозатворной секции с окружающей средой, а устройство снабжено пробками для перекрытия указанного канала после заполнения гидрозатворной секции маслом.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, гидрозатворные секции соединены между собой, а верхняя секция присоединена к головка с помощью ниппелей.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, к нижней гидрозатворной секции присоединено основание, в котором выполнен канал для гидравлического соединения указанной секции с полостью погружного электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в основании размещена осевая опора вала.
Модульный принцип построения устройства, состоящего из нескольких гидрозатворных секций одинаковой конструкции (за исключением верхней секции, имеющей незначительные отличия), число которых может быть составлять от трех до пяти и более (при необходимости) позволяет обеспечить эффективную защиту электродвигателя практически в любых условиях (температура пластовой жидкости, обводненность, газовый фактор и пр.). На основе опыта эксплуатации устройств заявленной конструкции было установлено,
что число гидрозатворных секций должно быть не менее трех.
Вывод верхнего конца трубки ниппеля верхней гидрозатворной секции непосредственно в затрубное пространство, а не в приемную полость насоса, позволяет исключить возможность засорения отверстия трубки мехпримесями, осаждающимися в приемном узле насоса.
Организация гидравлической связи между секциями через полость защитных труб без использования дополнительных трубок позволяет упростить и повысить технологичность конструкции.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием протектора гидрозащиты погружного маслозаполненного электродвигателя, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 - принципиальная схема устройства.
На Фиг.2 - увеличенный фрагмент схемы по Фиг.1.
Протектор гидрозащиты предназначен для использования в скважинах с высокой температурой пластовой жидкости (более 200°С) и небольшой кривизной (отклонением от вертикали) ствола скважины.
Протектор 1 включает в себя головку 2, основание 3, которые выполненные с центральным отверстием для размещения вала 4, и три последовательно соединенные гидрозатворные секции 14а, 14b и 14с, рабочая полость каждой из которых образована соответствующей секцией корпуса 15, герметично
соединенной своей верхней частью с ниппелем 5, а нижней - с кольцевой перегородкой 10, и защитной трубой 11 внутри которой с зазором размещен вал 4.
Секции корпуса герметично соединены между собой, а верхняя секция присоединена к головке с помощью ниппелей 5. Ниппели выполнены с центральным отверстием 6 (см. Фиг.2), в котором закреплена втулка 7, образующая радиальную опору вала, при этом на валу 4 закреплены втулки 8, соответствующие втулкам 7 ниппелей и образующие ответные поверхности трения радиальных опор. Снабжение вала 4 втулками, образующими ответные поверхности трения радиальных опор вала, позволяет снизить требования к материалу вала и повысить надежность, а также технологичность конструкции устройства.
Между валом 4 и ниппелем 5 установлены пружинные торцовые уплотнения 9.
Верхний конец каждой защитной трубы 11 закреплен в центральном отверстии соответствующего ниппеля 5 с помощью специального переводника 12 (см. Фиг.2), а в центральном отверстии соответствующей перегородки 10 закреплен нижний конец защитной трубы, полость которой гидравлически связана с полостью под перегородкой. Причем внутренняя полость защитной трубы 11 гидравлически соединена с полостью гидрозатворной секции посредством отверстия 13, выполненного в переводнике 12.
Таким образом, гидрозатворные секции 14а, 14b и 14с, образованные соответствующим ниппелем 5 с торцевым уплотнением 9 с верхней стороны,
перегородкой 10 с нижней стороны, а также соответствующей секцией 15 корпуса и защитной трубой 11. Такая конструкция протектора обеспечивает возможность установки дополнительных секций между верхней секцией и основанием аналогичных описанным выше.
Каждый ниппель 5 снабжен трубкой 16, нижний конец которой расположен вблизи перегородки 10 соответствующей гидрозатворной секции, а верхний конец трубки 16 (кроме трубки ниппеля верхней секции) выведен в полость под перегородкой расположенной выше гидрозатворной секции. Верхний конец трубки ниппеля верхней гидрозатворной секции 14а изолирован от полости над ниппелем и связан с затрубным пространством каналом 18, выполненным в боковой стенке ниппеля. В канале 18 установлена пробка 19, извлекаемая перед размещением протектора в скважине.
Торцевые уплотнения 9 размещены в полости между соответствующим ниппелем 5 и перегородкой 10 расположенной выше гидрозатворной секции и отделяет указанную полость от полости центрального отверстия 6 ниппеля. Верхнее торцевое уплотнение установлено над соответствующим ниппелем в полости, гидравлически соединяемой с приемом насоса и защищено крышкой 28.
В переводнике 12 выполнен паз 20, связывающий полость центрального отверстия 6 ниппеля с полостью гидрозатворной секции, что обеспечивает доступ масла к втулкам 7 и 8 радиальной опоры вала 4 для их смазки и охлаждения. Кроме того, обеспечивается дополнительная связь полости защитной трубы с полостью секции, т.к. полость защитной трубы гидравлически соединена
с полостью центрального отверстия соответствующего ниппеля.
Нижняя гидрозатворная секция 14с выполнена с возможностью гидравлического соединения с полостью погружного электродвигателя через соответствующий канал 25 основания 3. Гидрозатворные секции выполнены с возможностью последовательного заполнения их маслом через полость электродвигателя, при этом в каждом ниппеле 5 выполнен канал 21 для стравливания воздуха при заполнении гидрозатворной секции маслом с пробкой 22, предназначенной для перекрытия канала 21 после заполнения гидрозатворной секции.
Основание 3 состоит из трубы с фланцем 23 и элемента 24, аналогичного ниппелю гидрозатворной секции, но без отверстия 21 и с каналом 25 для соединения полости под перегородкой нижней секции с полостью электродвигателя. Между трубой с фланцем 23 и элементом 24 размещена осевая опора вала 26.
Основание 3 присоединяют к головке электродвигателя с помощью фланца 23, а головку присоединяют к входному модулю насоса с помощью фланца 27. Вал 4 соединяют шлицевыми муфтами 17 с валами насоса и электродвигателя (на схеме не показаны).
Устройство работает следующим образом.
При включении и выключении электродвигателя заполняющее полость электродвигателя и протектора 1 масло подвергается, соответственно, нагреву или охлаждению, что приводит к изменению его объема. Изменение объема масла компенсируется за счет изменения уровня пластовой жидкости,
поступающей в верхнюю гидрозатворную секцию 14а через канал 18 по трубке 16. За счет меньшего удельного веса масла оно располагается в верхней части полости гидрозатворной секции, препятствуя проходу пластовой жидкости через отверстие 13 под торцевое уплотнение 9. При повреждении или заполнении верхней секции в работу аналогичным образом вступает вторая 14b и третья 14с секции, торцевые уплотнения которых в большей степени защищены от попадания в них частиц мехпримесей, при этом три установленные последовательно гидрозатворные секции надежно защищают полость электродвигателя от попадания в нее свободного и растворенного в пластовой жидкости газа.