Модульная гидрозащита погружного электродвигателя с внешними портами
MODULAR HYDRAULIC PROTECTION OF SUBMERSIBLE MOTOR WITH EXTERNAL PORTS

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Приоритет данной заявки заявляется по предварительной заявке на патент США №62/217,654, озаглавленной «Модульная герметизирующая секция с наружными каналами для установки камер в последовательной или параллельной конфигурации» и поданной 11 сентября 2015 года, содержание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Данное изобретение относится в целом к погружным насосным системам и в частности, но без ограничения, к модульной герметизирующей секции, предназначенной для использования с погружной насосной системой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Погружные насосные системы часто развертывают в скважинах для извлечения жидкостей на нефтяной основе из подземных пластов. Как правило, погружная насосная система содержит набор компонентов, в том числе один или более электродвигателей, заполненных текучей средой и соединенных с одним или более высокопроизводительными насосами. Каждый компонент и субкомпонент в погружной насосной системе должен быть выполнен с обеспечением выдерживания неблагоприятной среды в скважине, в том числе широких диапазонов температуры, давления и воздействия коррозионных скважинных флюидов.
[0004] Компоненты, обычно называемые «герметизирующими секциями», обеспечивают защиту электродвигателей и, как правило, расположены между двигателем и насосом. В этом положении герметизирующая секция выполняет несколько функций, в том числе передачу крутящего момента между двигателем и насосом, ограничение потока скважинных текучих сред в двигатель, поглощение осевой тяги, прикладываемой насосом, и компенсацию расширения и сжатия диэлектрической смазки двигателя при прохождении двигателя через тепловые циклы во время работы и выравнивания давления. Во многих герметизирующих уплотнениях применяются герметизирующие мешки для компенсации объемных изменений и перемещения текучей среды в герметизирующей секции. Герметизирующие мешки также могут быть выполнены с возможностью создания положительного барьера между чистой смазкой и загрязненной скважинной текучей средой.
[0005] Современные герметизирующие секции могут содержать два или более герметизирующих мешков, соединенных в параллельной или последовательной конфигурации. Если герметизирующие мешки расположены последовательно, то нефть из одного мешка удерживается отдельно от нефти в другом мешке путем использования валового уплотнения между каждой секцией. Таким образом, герметизирующие мешки, соединенные в последовательной конфигурации, действуют в качестве резервных уплотнений. Если первый герметизирующий мешок имеет дефекты или не предусмотрен, то попадание инородной текучей среды в двигатель предотвращено вторым герметизирующим мешком. В отличие от этого, герметизирующие мешки, соединенные в параллельной конфигурации, не обеспечивают резервного слоя защиты. Напротив, герметизирующие мешки, соединенные в параллельной конфигурации, предназначены только для повышения способности изменения полного эффективного объема внутри герметизирующей секции.
[0006] Несмотря на то что использование параллельных и последовательных герметизирующих мешков широко распространено, по-прежнему имеется необходимость в усовершенствованной герметизирующей секции, которая имеет стандартизированную конструкцию и может быть более простым образом приведена в параллельную или последовательную конфигурацию. Данное изобретение направлено на удовлетворение этой и других потребностей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В некоторых вариантах выполнения данное изобретение относится к направляющему элементу для использования в герметизирующей секции внутри скважинной насосной системы, причем герметизирующая секция содержит верхнюю компенсационную секцию для текучей среды, нижнюю компенсационную секцию для текучей среды и вал, проходящий через указанные верхнюю и нижнюю секции и направляющий элемент. Направляющий элемент содержит механизм выбора конфигурации, выполненный с возможностью управления им извне для избирательного размещения верхней компенсационной секции в последовательной или параллельной конфигурации с нижней компенсационной секцией.
[0008] В другом аспекте изобретение относится к герметизирующей секции для использования в скважинной насосной системе, причем герметизирующая секция содержит нижнюю секцию, верхнюю секцию и направляющий элемент, присоединенный между указанными нижней и верхней секциями. Направляющий элемент содержит механизм выбора конфигурации, выполненный с возможностью управления им извне для избирательного размещения верхней секции в последовательной или параллельной конфигурации с нижней секцией.
[0009] В еще одном аспекте изобретение относится к герметизирующей секции, предназначенной для использования в скважинной насосной системе и содержащей нижнюю секцию, верхнюю секцию и направляющий элемент, присоединенный между указанными нижней и верхней секциями. Направляющий элемент содержит механизм выбора конфигурации, выполненный с возможностью управления им извне для избирательного размещения верхней секции в последовательной или параллельной конфигурации с нижней секцией. Механизм выбора конфигурации имеет набор проходов, проходящих от верхней секции к нижней секции. Механизм выбора конфигурации также содержит одну или более заглушек, установленных с возможностью извлечения внутри соответствующего одного прохода из указанного набора проходов. Каждая из указанных одной или более заглушек выбрана из группы, состоящей из блокирующих заглушек, концевых заглушек, заглушек последовательного потока и заглушек параллельного потока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Фиг. 1 изображает вид в аксонометрии спереди скважинной насосной системы.
[0011] Фиг. 2 изображает вид сбоку модульной герметизирующей секции.
[0012] Фиг. 3 изображает разрез части герметизирующей секции, показанной на фиг. 2, в последовательной конфигурации.
[0013] Фиг. 4 изображает разрез части герметизирующей секции, показанной на фиг. 2, в параллельной конфигурации.
[0014] Фиг. 5 изображает разрез направляющего узла герметизирующей секции, установленной в последовательную конфигурацию.
[0015] Фиг. 6 изображает разрез направляющего узла герметизирующей секции, установленной в параллельную конфигурацию.
[0016] Фиг. 7 изображает вид в аксонометрии заглушки последовательного потока.
[0017] Фиг. 8 изображает заглушку параллельного потока.
[0018] Фиг. 9 изображает обратный клапан.
[0019] Фиг. 10 изображает блокирующую заглушку.
[0020] Фиг. 11 изображает частично прозрачный вид направляющего узла герметизирующей секции, на котором показаны сливные и наливные отверстия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0021] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения на фиг. 1 изображен вид в аксонометрии спереди скважинной насосной системы 100, присоединенной к эксплуатационной колонне 102. Скважинная насосная система 100 и эксплуатационная колонна 102 расположены в скважинном стволе 104, пробуренном для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. Несмотря на то что система 100 изображена в вертикальной скважине, следует понимать, что система 100 также может использоваться в горизонтальных, искривленных и других невертикальных скважинах.
[0022] Используемый в данном документе термин «нефть» относится в широком смысле ко всем минеральным углеводородам, таким как сырая нефть, газ и комбинация нефти и газа. Колонна 102 соединяет насосную систему 100 с устьем 106 скважины, расположенным на поверхности. Несмотря на то что насосная система 100 предназначена прежде всего для откачивания нефтяных продуктов, следует понимать, что данное изобретение также может использоваться для перемещения других текучих сред. Кроме того, следует понимать, что, хотя каждый компонент насосной системы 100 описан прежде всего с точки зрения погружного применения, некоторые из этих компонентов или все компоненты также могут использоваться в операциях откачивания, проводимых на поверхности.
[0023] Насосная система 100 содержит определенную комбинацию насосного узла 108, двигательного узла 110 и герметизирующей секции 112. Двигательный узел 100 представляет собой электродвигатель, получающий мощность от источника питания, установленного на поверхности. Узел 100 преобразует электрическую энергию в механическую энергию, которая передается к насосному узлу 108 с помощью одного или более валов. Затем насосный узел 108 передает часть этой механической энергии текучим средам внутри ствола скважины, что вызывает их перемещение по эксплуатационной колонне к поверхности.
[0024] Герметизирующая секция 112 защищает двигательный узел 110 от механического осевого усилия, создаваемого насосным узлом 108. Герметизирующая секция 112 также выполнена с возможностью уменьшения поступления загрязнителей из ствола 104 скважины в двигательный узел 110. Несмотря на то что показаны только один насосный узел 108, одна герметизирующая секция 112 и один двигательный узел 110, следует понимать, что насосная система 100 может содержать дополнительные насосные узлы 108, герметизирующие секции 112 или двигательные узлы 110.
[0025] На фиг. 2 изображен вид сбоку герметизирующей секции 112. Секция 112 содержит головную часть 114, основание 116, верхнюю компенсационную секцию 118а для текучей среды, нижнюю компенсационную секцию 118b для текучей среды и направляющий элемент 120. Головная часть 114 предназначена для присоединения к насосному узлу 108, а основание 116 предназначено для присоединения к двигательному узлу 110. Верхняя компенсационная секция 118а и нижняя компенсационная секция 118b соединены с направляющим элементом 120. Следует понимать, что герметизирующая секция 112 может содержать дополнительные компенсационные секции 118 для текучей среды и направляющие элементы 120, которые содержат другие компоненты или компоненты, расположенные в других конфигурациях.
[0026] На фиг. 3 и 4 изображены разрезы герметизирующей секции 112, выполненной соответственно в последовательной и параллельной конфигурациях. Секция 112 содержит общий кожух 122 и общий вал 124. Вал 124 обеспечивает передачу механической энергии от двигательного узла 110 к насосному узлу 108. Каждая мешковая верхняя и нижняя секция 118а, 118b соединена с направляющим элементом 120. Следует понимать, что корпус 122 может быть разделен на отдельные секции, которые соединены с элементом 120 при помощи резьбового соединения. Вдоль вала 124 по всей секции 112 могут быть расположены валовые уплотнения 126.
[0027] Каждая компенсационная секция 118а, 118b, верхняя и нижняя, содержит механизм для изоляции смазочных текучих сред от скважинных текучих сред, для компенсации расширения и сжатия текучих сред или для выполнения комбинации этих функций. Данные механизмы для изоляции и расширения текучих сред содержат поршни, металлические сильфоны, герметизирующие мешки и лабиринтные камеры. Как показано на фиг. 3 и 4, каждая секция 118а, 118b содержит герметизирующий мешок 128, опорную трубу 130 для мешка и механизм 132 для удерживания герметизирующего мешка. Герметизирующий мешок 128 предназначен для уменьшения загрязнения чистых смазок двигателя скважинными текучими средами. В некоторых вариантах выполнения мешок 128 изготовлен из подходящей пластмассы, полимера или эластомера, серийно выпускаемых рядом производителей, в том числе компаниями «Е.I. du Pont de Nemours and Company» и «Daikin Industries)). К подходящим пластмассам относятся ПТФЭ (политетрафторэтилен), AFLAS и другие фторполимерные пластмассы, которые обладают подходящим сопротивлением в отношении коррозионных химических веществ и повышенных температур. Механизм 132 для удерживания герметизирующего мешка может содержать обычную конструкцию из выступа и фиксирующего зажима.
[0028] Каждый герметизирующий мешок 128 ограничивает внутреннее пространство 134 мешка и наружное пространство 136 мешка. Опорная труба 130 имеет кольцевое пространство 138, окружающее вал 124, и отверстия 140, обеспечивающие проточное сообщение кольцевого пространства 138 с внутренним пространством 134 мешка. Опорная труба 130 обеспечивает опору для мешка 128 и защищает вал 124 при его прохождении через мешок 128.
[0029] Направляющий элемент 120 содержит механизм 142 выбора конфигурации. Механизм 142 обеспечивает возможность избирательного расположения мешковых секций 118а, 118b в параллельной или последовательной конфигурации. Механизм 142 в целом имеет набор проходов 148 и заглушек 200, которые регулируют поток текучей среды через направляющий элемент 120. Заглушки 200 выполнены с возможностью управления ими извне через корпус 122 для блокирования или пропуская потока через внутренние проходы 148. Это дает возможность простого преобразования герметизирующей секции 112 из одной конфигурации в другую без демонтажа указанной секции 112 путем добавления, удаления или замены заглушек 200 внутри элемента 120.
[0030] На фиг. 3 и 4 изображен иллюстративный вариант выполнения механизма 142 выбора конфигурации. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 3, механизм 142 отрегулирован для размещения секции 118b в последовательной конфигурации с секцией 118а. Внутреннее пространство 134 нижней секции 118b направляется механизмом 142 в наружное пространство 136 нижней секции 118b. Затем наружное пространство 136 нижней секции 118b проточно соединяется через механизм 142 с внутренним пространством 134 верхней секции 118а. В данном варианте выполнения заглушки 200 представляют собой блокирующие заглушки 202, предотвращающие поток текучей среды через проходы 148, в которых эти заглушки 202 установлены.
[0031] В отличие от этого, в варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, механизм 142 отрегулирован для размещения нижней секции 118b в параллельной конфигурации с верхней секцией 118а. В этой конфигурации внутреннее пространство 134 нижней секции 118b направлено с помощью механизма 142 во внутреннее пространство 134 верхней секции 118а. Наружное пространство 136 нижней секции 118b проточно соединено с наружным пространством 136 верхней секции 118а.
[0032] На фиг. 5 и 6 изображены разрезы направляющего элемента 120, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. На фиг. 5 механизм 142 выбора конфигурации выполнен с возможностью размещения верхней и нижней мешковых секций 118а, 118b в последовательной конфигурации. Механизм 142 имеет первый набор селекторных проходов 144, второй набор селекторных проходов 146 и одну или более съемных заглушек 200. Первый набор проходов 144 содержит внутреннее ответвление 150, первое отверстие 152 для заглушки и наружное ответвление 154. Внутреннее ответвление 150 обеспечивает проточное сообщение отверстия 152 с внутренним пространством 134 нижней секции 118b. Наружное ответвление 154 обеспечивает проточное сообщение отверстия 152 с наружным пространством 136 нижней секции 118b.
[0033] Внутри первого отверстия 152 для заглушки установлена концевая заглушка 204. Концевая заглушка 204 не имеет проточного прохода, а направляет поток из внутреннего ответвления 150 через внутреннюю часть отверстия 152 в наружное ответвление 154. До того, как установлена концевая заглушка 204, внутрь первого отверстия 152 устанавливается обратный клапан 156, вводимый снаружи направляющего элемента 120. Заглушка 204 и клапан 156 обеспечивают возможность одностороннего прохождения текучей среды из внутреннего пространства 134 нижней секции 118b через элемент 120 в наружное пространство 136 нижней секции 118b. Обратный клапан 156 обеспечивает предотвращение прохождения текучей среды из наружного пространства 136 нижней секции 118b во внутреннее пространство 134 нижней секции 118b.
[0034] Второй набор селекторных проходов 146 содержит нижний наружный канал 158, верхний наружный канал 160, нижний внутренний канал 162, верхний внутренний канал 164 и второе отверстие 166 для заглушки. Нижний наружный канал 158 соединяет отверстие 166 с наружным пространством 136 нижней секции 118b. Верхний наружный канал 160 соединяет отверстие 166 с наружным пространством 136 верхней секции 118а. Нижний внутренний канал 162 соединяет отверстие 166 с внутренним пространством 134 нижней секции 118b. Верхний внутренний канал 164 соединяет отверстие 166 с внутренним пространством 134 верхней секции 118а. Второе отверстие 166 для заглушки доступно снаружи направляющего элемента 120 и выполнено с возможностью размещения в нем различных заглушек для контроля и изменения потока текучей среды через отверстие 166. Как показано на фиг. 5, второй набор селекторных проходов 146 содержит заглушку 206 последовательного потока, которая обеспечивает возможность прохождения потока вокруг заглушки 206 между нижним наружным каналом 158 и верхним внутренним каналом 164.
[0035] Таким образом, направляющий элемент 120, выполненный так, как показано на фиг. 5, создает последовательную конфигурацию между нижней мешковой секцией 118b и верхней мешковой секцией 118а. Как показано стрелками 500, текучая среда из внутреннего пространства 134 нижней секции 118b проходит в первые селекторные проходы 144 через первое отверстие 152 для заглушки, через обратный клапан 156 и в наружное пространство 136 нижней секции 118b. Далее обеспечено прохождение текучей среды через нижний наружный канал 158 во втором наборе проходов 146 и во внутреннее пространство 134 верхней секции 118а через верхний внутренний канал 164.
[0036] Последовательная конфигурация, изображенная на фиг. 5, может быть быстро и легко изменена на параллельную конфигурацию путем замены заглушек 200, используемых в первом и втором наборах проходов 144, 146. Например, в конфигурации, изображенной на фиг. 6, в первом отверстии 152 для заглушки установлена большая блокирующая заглушка 202 для предотвращения потока текучей среды через первые селекторные проходы 144. Во втором отверстии 166 для заглушки установлена заглушка 208 параллельного потока, которая обеспечивает прохождение потока между нижним наружным каналом 158 и верхним наружным каналом 160 (как показано стрелками 502). Заглушка 208 имеет внутренний проход для потока, и ее размеры обеспечивают возможность прохождения потока текучей среды через конец отверстия 166 между нижним внутренним каналом 162 и верхним внутренним каналом 164 (как показано стрелками 504). Таким образом, путем простой замены заглушек 200 в первых и вторых селекторных проходах 144, 146 герметизирующая секция 112 может быть простым образом преобразована с переходом между последовательной и параллельной конфигурациями в условиях эксплуатации без демонтажа секции 112.
[0037] На фиг. 7-10 изображены виды в аксонометрии различных заглушек 200. В иллюстративных вариантах выполнения заглушки 200 имеют такие размеры, цветовую кодировку или другую маркировку или выполнены таким образом, что они облегчают установку и распознавание последовательной и параллельной конфигураций. Стандартизация и упрощение конфигурации заглушек 200 уменьшает вероятность непреднамеренного размещения герметизирующей секции 112 в ненадлежащей конфигурации. На фиг. 7 изображена заглушка 206 последовательного потока. На фиг. 8 изображена иллюстративная заглушка 208 параллельного потока. На фиг. 9 изображены концевая заглушка 204 и обратный клапан 156. На фиг. 10 изображена блокирующая заглушка 202. Следует понимать, что указанные заглушки 200 представляют собой только примеры типов заглушек 200, которые могут использоваться в механизме 142 выбора конфигурации, и что данное изобретение не ограничено заглушками 200, изображенными на фиг. 7-10.
[0038] В соответствии с фиг. 11 направляющий элемент 120, как вариант, имеет канал 168 для доступа к кольцевому пространству, который обеспечивает непосредственный доступ к кольцевому пространству 138 между валом 124 и опорной трубой 130. Канал 168 может использоваться для легкого слива текучей среды из кольцевого пространства 138 и его заполнения текучей средой. Направляющий элемент 120 также содержит слив 170 герметизирующего мешка, непосредственно сообщающийся с внутренним пространством 134 верхней секции 118. Слив 170 обеспечивает возможность забора оператором проб текучей среды непосредственно из внутреннего пространства 134 верхнего мешка 128 в условиях эксплуатации до демонтажа герметизирующей секции или ее перевозки на место технического обслуживания. Как канал 168 для доступа, так и слив 170 могут быть заблокированы подходящей сливной заглушкой 172.
[0039] Следует понимать, что, несмотря на то что в вышеприведенном описании изложены различные характерные особенности и преимущества различных вариантов выполнения данного изобретения, а также подробности конструкции и функций различных вариантов выполнения, данное описание является исключительно иллюстративным и возможно внесение изменений, в частности с точки зрения конструкции и расположения элементов, в рамках принципов данного изобретения в полной степени, определяемой широким общим значением терминов, в которых изложена прилагаемая формула изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что идеи данного изобретения могут быть применены для других систем без отклонения от объема и сущности изобретения.