МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА ЛАБИРИНТНОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ C ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОГРУЖНЫМИ НАСОСАМИ
MODULAR LABYRINTH SEALING SYSTEM FOR USE WITH ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMPS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Некоторые примеры относятся к лабиринтному уплотнению для погружного насоса, электрическому погружному насосу и/или способу для перекачивания текучей среды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данное раскрытие относится к области погружных скважинных насосов, таких как электрические погружные насосы (ESP). Более конкретно раскрытие относится к секциям уплотнения лабиринтного типа, которые позволяют удерживать диэлектрическую текучую среду при давлении окружающей среды в скважине, при этом по существу исключая попадание скважинной текучей среды на компоненты ESP, требующие исключения попадания на них скважинной текучей среды.
Давление внутри электрического погружного насоса (ESP) является атмосферным давлением до того, как ESP будет введен в ствол скважины. Поскольку давление в скважине зачастую значительно превышает атмосферное давление, давление внутри ESP должно быть уравнено с давлением в скважине, тем самым уменьшая перепад давления на корпусе ESP и его уплотнениях. Опасность перепада давления заключается в том, что скважинная текучая среда может нарушать уплотнения и просачиваться в двигатель ESP. Это вызывает особое беспокойство в отношении двигателя, где скважинные текучие среды, которые являются электропроводящими и могут содержать твердые частицы, могут создавать электрические короткие замыкания и механически повреждать двигатель. Защитное устройство передает давление скважинной текучей среды давлению текучей среды двигателя, таким образом уменьшая перепад давления и продлевая срок службы уплотнения. Для выполнения такой функции защитное устройство содержит устройство компенсации давления, которое действует как барьер для скважинной текучей среды, поступающей в верхнюю приводную цепь (т.е. компоненты, включающие в себя двигатель и расположенные рядом с ним), в то же время передавая давление из скважины в верхнюю приводную цепь. Защитное устройство также имеет извилистый тракт текучей среды, который замедляет передвижение скважинной текучей среды через защитное устройство, чтобы уменьшить вероятность попадания скважинной текучей среды в верхнюю приводную цепь через любую утечку в устройстве компенсации давления или механическом уплотнении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Лабиринтная секция для погружного насоса в соответствии с одним объектом настоящего раскрытия содержит наружный корпус, имеющий муфту, герметично зацепленную с наружным корпусом на каждом продольном конце наружного корпуса. Внутренняя труба герметично зацеплена на каждом конце с одной из муфт для образования герметичного кольцевого пространства между наружным корпусом и внутренней трубой. В герметичном кольцевом пространстве расположено множество секций лабиринтных труб, каждая из которых содержит лабиринтные трубы, зацепленные с концевыми пластинами. Множество секций лабиринтных труб обеспечивают движение текучей среды через лабиринтные трубы и пространства, внешние по отношению к лабиринтным трубам, а также между концевыми пластинами для заполнения герметичного кольцевого пространства. Одна из секций лабиринтных труб ограничивает движение текучей среды только внутри лабиринтных труб, и при этом внутренняя труба между концевыми пластинами одной из лабиринтных труб содержит отверстие для текучей среды во внутреннюю часть внутренней трубы.
Некоторые варианты выполнения могут дополнительно содержать запорный клапан на каждом продольном конце наружного корпуса и в сообщении по текучей среде с лабиринтной трубой на каждом продольном конце секций лабиринтных труб, запорные клапаны, открывающиеся для заполнения секции диэлектрической текучей средой в кольцевом пространстве и в лабиринтных трубах. В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны способны закрываться для обеспечения соединения секции с защитным устройством и/или с двигателем без введения воздуха в кольцевое пространство или лабиринтные трубы. В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны работают путем вращения вала, имеющего кулачок, находящийся в контакте с рабочим штоком, связанным с каждым запорным клапаном. В некоторых вариантах выполнения вал содержит шпоночную канавку для рабочего инструмента.
В некоторых вариантах выполнения каждый продольный конец секции соединен с одним из защитных устройств погружного насоса, погружным насосом или двигателем погружного насоса.
Другой объект раскрытия относится к электрическому погружному насосу, содержащему двигатель, соединенный трансмиссией с насосом. Сегментированный корпус заключает в себе двигатель и насос. Между двигателем и насосом может быть расположено защитное устройство, причем защитное устройство содержит секцию лабиринтного уплотнения, секция лабиринтного уплотнения содержит множество секций лабиринтных труб, расположенных в кольцевом пространстве между частью сегментированного корпуса и внутренней трубой, причем по меньшей мере одна из секций лабиринтных труб выполнена с возможностью создавать поток текучей среды внутри лабиринтных труб и внутри кольцевого пространства, внешнего по отношению к лабиринтным трубам.
Некоторые варианты выполнения могут дополнительно содержать запорный клапан на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения и в сообщении по текучей среде с лабиринтной трубой на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения, запорные клапаны, открытые для заполнения секции лабиринтного уплотнения диэлектрической текучей средой в кольцевом пространстве и в лабиринтных трубах. В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны способны закрываться для обеспечения соединения секции с защитным устройством и/или с двигателем без введения воздуха в кольцевое пространство или лабиринтные трубы. В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны работают путем вращения вала, имеющего кулачок, находящийся в контакте с рабочим штоком, связанным с каждым запорным клапаном. В некоторых вариантах выполнения вал содержит шпоночную канавку для рабочего инструмента.
В некоторых вариантах выполнения секции лабиринтных труб содержат образованные за одно целое лабиринтные трубы и продольные концевые пластины.
Электрический погружной насос согласно другому объекту настоящего раскрытия содержит двигатель, соединенный трансмиссией с насосом. Сегментированный корпус заключает в себе двигатель и насос. Защитное устройство расположено между двигателем и насосом. Защитное устройство содержит секцию лабиринтного уплотнения. Секция лабиринтного уплотнения содержит множество секций лабиринтных труб, расположенных в кольцевом пространстве между частью сегментированного корпуса и внутренней трубой. По меньшей мере одна из секций лабиринтных труб выполнена с возможностью создавать поток текучей среды внутри лабиринтных труб и внутри кольцевого пространства, внешнего по отношению к лабиринтным трубам.
Некоторые варианты выполнения дополнительно содержат запорный клапан на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения и в сообщении по текучей среде с лабиринтной трубой на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения. Запорные клапаны могут быть открыты для заполнения секции лабиринтного уплотнения диэлектрической текучей средой в кольцевом пространстве и в лабиринтных трубах.
В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны способны закрываться для обеспечения соединения секции лабиринтного уплотнения с защитным устройством и/или с двигателем без введения воздуха в кольцевое пространство или лабиринтные трубы.
В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны работают путем вращения вала, имеющего кулачок, находящийся в контакте с рабочим штоком, связанным с каждым запорным клапаном.
В некоторых вариантах выполнения вал содержит шпоночную канавку для рабочего инструмента.
В некоторых вариантах выполнения секции лабиринтных труб содержат образованные за одно целое лабиринтные трубы и продольные концевые пластины.
Способ для перекачивания текучей среды согласно другому объекту раскрытия включает в себя этап, на котором вращают двигатель, соединенный трансмиссией с насосом, причем двигатель и насос расположены в корпусе. Корпус содержит защитное устройство, расположенное между двигателем и насосом. Защитное устройство содержит секцию лабиринтного уплотнения, включающую в себя множество секций лабиринтных труб, расположенных в кольцевом пространстве между частью сегментированного корпуса и внутренней трубой. Способ содержит этап, на котором перемещают диэлектрическую текучую среду из по меньшей мере одной из секций лабиринтных труб во внутреннюю часть внутренней трубы для охлаждения компонентов трансмиссии, расположенных внутри внутренней трубы.
Некоторые варианты выполнения могут дополнительно содержать открытие запорного клапана на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения и в сообщении по текучей среде с лабиринтной трубой на каждом продольном конце секции лабиринтного уплотнения для заполнения секции лабиринтного уплотнения диэлектрической текучей средой в кольцевом пространстве и в лабиринтных трубах.
В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны способны закрываться для обеспечения соединения секции с защитным устройством и/или с двигателем без введения воздуха в кольцевое пространство или лабиринтные трубы.
В некоторых вариантах выполнения запорные клапаны содержат вращающийся вал, имеющий кулачок, находящийся в контакте с рабочим штоком, связанным с каждым запорным клапаном.
В некоторых вариантах выполнения вал содержит шпоночную канавку для рабочего инструмента.
Другие объекты и преимущества настоящего раскрытия будут очевидны из нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 показывает примерный вариант выполнения системы электрического погружного насоса (ESP).
Фиг. 2 показывает поперечное сечение части защитного устройства в примерном варианте выполнения системы ESP, показанной на фиг. 1.
Фигуры 2A, 2B и 2C показывают примерные запорные клапаны, которые могут использоваться в некоторых вариантах выполнения.
Фиг. 3 показывает примерный вариант выполнения верхней и нижней лабиринтных вставок для секции защитного устройства, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 показывает пример центральной лабиринтной секции.
Фигуры 4A, 4B и 4C показывают другой вариант выполнения лабиринтной секции.
Фигуры 4A, 4B и 4C показывают другой пример выполнения секции лабиринтного уплотнения.
Фигуры 5-11 показывают прохождение скважинной текучей среды через секцию лабиринтного уплотнения с течением времени по мере того, как скважинная текучая среда вытесняет диэлектрическую текучую среду в секции лабиринтного уплотнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 показывает примерный вариант выполнения ESP системы 10, которая может быть перенесена в скважину (не показана), используя, например и без ограничения, сочлененную трубу, талевый канат, тросовый канат или гибкий НКТ. ESP система 10 может включать в себя высший или ʺверхнийʺ переводник 12, который выполнен с возможностью создавать соединение с концом одного из вышеупомянутых транспортирующих устройств для перемещения в ствол скважины и из него. Нижний конец ESP системы 10 может включать в себя переводник 28 типа ʺбашмак с косым срезом внизуʺ. Переводник 28 типа "башмак с косым срезом внизу" может быть добавлен под насосом 26 для обеспечения защиты при работе в скважине во время развертывания и для обеспечения места установки для цифрового манометра в точке забора насоса (ESP). Кроме того, переводник 28 типа "башмак с косым срезом внизу" может обеспечивать подходящее место для внутренней герметизации отверстия как часть механизма управления барьером скважины. В качестве подходящего примера вариантов герметизации скважины под переводником 28 типа "башмак с косым срезом внизу" можно рассматривать как вариант одноразового уплотнения, так и чувствительный к давлению клапан с множеством стабильных положений. Для целей настоящего раскрытия термин "вверх ʺозначает в направлении к выходу из ствола скважины, в то время какʺ вниз" означает в противоположном направлении. Соответствующие термины могут включать в себя ʺверхний конецʺ и "нижний конец" со ссылкой на различные модули или секции, которые составляют ESP систему 10.
За верхним переводником 12 могут последовательно следовать переводник 13 типа "соединение звездой" и двигатель 14, который в данном примере может быть электрическим двигателем. Переводник 13 типа "соединение звездой" может включать в себя один или более датчиков и устройств управления, связанных с работой ESP системы 10 и двигателя 14. Переводник 13 типа "соединение звездой" может также использоваться для осуществления электрического соединения между кабелем (не показан) и двигателем 14. Двигатель 14 может быть соединен на своем нижнем конце с закрытым гибким валом, магнитной шестерней или любым другим устройством 16 передачи вращательного движения. В настоящем примере устройство 16 передачи вращательного движения принимает ввод вращения от двигателя 14 высокой скорости вращения и низкого крутящего момента и передает такое вращение роторному насосу 26. Защитное устройство 18 может быть подобно по принципу действия защитному устройству, обычно используемому в ESP системах, и может быть выполнено с возможностью исключать попадание скважинной текучей среды в двигатель 14 при существующем давлении и температуре в скважине. Защитное устройство 18 может также аксиально отделять устройство 16 передачи вращательного движения и двигатель 14 от осевой и боковой нагрузки, создаваемой роторным насосом 26. Не показан на фиг. 1 для ясности проточный кожух, который отводит поток скважинной текучей среды от выхода насоса так, чтобы он мог перемещаться в кольцевом пространстве снаружи ESP системы 10 и герметично отводиться в насосно-компрессорную трубу или гибкую НКТ и оттуда течь вверх в скважине (не показано).
Настоящий пример ESP системы 10 может иметь модульную конструкцию и обеспечивать возможность первого опускания роторного насоса 26, включая в себя переводник 28 типа "башмак с косым срезом внизу" и гибкий переводник 27, чтобы обеспечить относительное осевое отклонение между верхними компонентами, заканчивающимися на полевом соединительном переводнике 22, соединенном с верхним концом нагнетательного переводника 20 насоса, и затем соединенной с нижним концом защитного устройства 18, и компонентами, описанными выше. Роторный насос 26, гибкий переводник 27, нагнетательный переводник 20 насоса и полевой соединительный переводник 22 могут быть вставлены в скважину первыми, за которыми следуют вышеописанные компоненты, начиная с полевого соединительного переводника 22. Вся ESP система 10 также может быть опущена в скважину в собранном виде. Роторный насос 26, гибкий переводник 27, защитное устройство 18, устройство 16 передачи вращательного движения, двигатель 14 и переводник 13 типа "соединение звездой" могут быть заключены в соответствующий устойчивый к давлению корпус, и такие корпуса могут быть соединены резьбами, стопорными кольцами или любым другим устройством, известным в данной области техники для соединения корпусов или сегментов корпуса вместе встык.
Фиг. 2 показывает часть секции 26А лабиринтного уплотнения защитного устройства (26 на фиг. 1). Секция 26А лабиринтного уплотнения может содержать наружный корпус 30, выполненный из стали или другого высокопрочного материала. Один конец наружного корпуса 30 может содержать адаптер 32, герметично зацепленный с внутренней поверхностью наружного корпуса 30. Адаптер 32 может подключаться к части защитного устройства (26 на фиг. 1) на конце двигателя. Соединительный переводник 34, расположенный на противоположном конце наружного корпуса 30, может быть герметично зацеплен с наружным корпусом 30. Соединительный переводник 34 может содержать механическое уплотнение 36 для обеспечения возможности герметичного прохождения через него части устройства передачи вращательного движения (поясняется со ссылкой на фиг. 1), которое передает вращение от двигателя (14 на фиг. 1) к роторному насосу (26 на фиг. 1).
Наружный корпус 30 определяет кольцевое внутреннее пространство или камеру 50 для текучей среды между наружным корпусом 30 и внутренней трубой 43. Внутренняя труба 43 может герметично зацепляться с внутренним отверстием каждого адаптера 32 и соединительного переводника 34, чтобы определять внутреннюю камеру 50 для текучей среды. Внутренняя камера 50 для текучей среды может быть открыта для потока текучей среды путем размещения запорного клапана 44, 46 соответственно на каждом продольном конце внутренней камеры 50 для текучей среды. Внутренняя камера 50 для текучей среды может содержать множество секций лабиринтных труб. В настоящем примерном варианте выполнения могут быть три секции лабиринтных труб, показанные позициями 38, 40 и 42, соответственно. Секции 38, 40, 42 лабиринтных труб обеспечивают извилистый тракт потока текучей среды внутри внутренней камеры 50 для текучей среды. Секции лабиринтных труб, например, 38 на фиг. 3, могут содержать множество труб 38B, герметично зацепленных с соответствующими концевыми пластинами 38A.
Во время сборки секции 26А лабиринтного уплотнения запорные клапаны 44, 46 могут быть открыты, и диэлектрическая текучая среда может быть перемещена во внутреннюю камеру 50 для текучей среды и секции 38, 40, 42 лабиринтных труб от одного конца секции лабиринтного уплотнения к другому. После заполнения запорные клапаны 44, 46 могут быть закрыты для предотвращения попадания пузырьков воздуха в диэлектрическую текучую среду, в то время как секция 26А лабиринтного уплотнения собрана с остальной частью защитного устройства (26 на фиг. 1) и двигателя (14 на фиг. 1). После того, как секция 26А лабиринтного уплотнения собрана с защитным устройством (26 на фиг. 1) и двигателем (14 на фиг. 1), вышесказанное может быть заполнено диэлектрической текучей средой, и запорные клапаны 44, 46 могут быть открыты.
Примерные секции лабиринтных труб показаны на фиг. 3 для верхних 38 и нижних 42 лабиринтных секций соответственно. Указанные выше лабиринтные секции 38, 42 позволяют заполнять кольцевое пространство между наружным корпусом (30 на фиг. 2) и внутренней трубой 30, продольно примыкающей к верхней 38 и нижней 42 лабиринтным секциям. Такое объемное заполнение кольцевого пространства (30 на фиг. 2) по существу увеличивает замкнутый объем диэлектрической текучей среды в секции лабиринтных труб, соответственно замедляя передвижение скважинной текучей среды через секцию лабиринтного уплотнения (26А на фиг. 2) и в конечном счете к остальной части защитного устройства (26 на фиг. 1) и затем к двигателю (14 на фиг. 1). Центральная секция 40 лабиринтных труб, показанная отдельно на фиг. 4, может содержать вентиляционное отверстие (см. 41 на фиг. 2), в котором текучая среда, вытесненная из кольцевого пространства, перемещается во внутреннюю часть внутренней трубы 30, чтобы улучшать охлаждение устройства передачи вращательного движения (например, гибкого вала или как показано на 16 на фиг. 1). Наличие вентиляционного отверстия или подобного признака для обеспечения перемещения вытесненной текучей среды во внутреннюю трубу 30 обеспечивает доступ к защитному устройству 18 для охлаждения текучей среды, окружающей вал 16. Это может быть важно, поскольку объем, окружающий вал 16, мал и поэтому испытывает нагрев смазочной жидкости в результате движения по поверхностям механического уплотнения, радиальным подшипникам и сбиванию текучей среды в результате вращения вала 16 с высокой скоростью. Объем, окружающий вал, с другой стороны, хорошо изолирован от любого охлаждающего эффекта; обеспечение механизма для перемещения смазочной жидкости во внутреннюю трубу 30 может уменьшать неблагоприятные эффекты такой изоляции.
Фигуры 4A, 4B и 4C показывают, соответственно, другой примерный вариант выполнения одной из секций лабиринтных труб (например, 38 и 42 на фиг. 2). Вид сбоку, показанный на фиг. 4A, включает в себя концевую пластину 38AA и 38CC на соответствующих продольных концах лабиринтных труб 38BB. В настоящем примерном варианте выполнения лабиринтные трубы 38BB могут быть выполнены как одно целое с концевыми пластинами 38AA, 38CC, например, путем трехмерной печати. Сечение выполненных как одно целое лабиринтных труб 38BB и концевых пластин 38AA, 38CC показано на фиг. 4B. Расположение сечения, показанного на фиг. 4B, проиллюстрировано на фиг. 4С. Возможное преимущество секции лабиринтных труб, выполненной так, как показано на фигурах 4A, 4B и 4C, заключается в том, что количество торцевых уплотнений или прокладок, используемых для уплотнения стыкового соединения между смежными секциями лабиринтными труб, может быть уменьшено или исключено.
Фигуры 2A и 2B показывают, соответственно, один из запорных клапанов 44 в закрытом положении и в открытом положении. Фиг. 2C показывает примерный рабочий механизм запорного клапана, который может содержать кулачок 45, контактирующий с рабочим штоком 44A запорного клапана 44. Кулачок 45 может быть образован, соединен или иным образом являться частью вала 47 управления клапаном, который может герметично зацепляться с отверстием на одной стороне адаптера (32 на фиг. 2) или соединительного переводника (34 на фиг. 2). Вал 47 управления клапаном может содержать гнездо 46 для присоединения инструмента, например, шестиугольное отверстие или шпоночный паз для обеспечения вращения вала 47 управления клапаном с помощью шестигранного ключа или подобного инструмента. Другие типы признаков для зацепления инструмента с валом 47 управления клапаном для обеспечения вращения вала будут легко поняты, чтобы быть в равной степени пригодными для использования специалистами в данной области техники.
Фигуры 5-11 показывают прогрессивное передвижение с течением времени скважинной текучей среды в секцию лабиринтного уплотнения. На фиг. 5 секция 26A лабиринтного уплотнения полностью заполнена диэлектрической текучей средой. На фиг. 6 скважинная текучая среда может сначала поступать в кольцевое пространство, примыкающее к третьей секции лабиринтных труб (42 на фиг. 2). На фиг. 7 скважинная текучая среда затем поступает в лабиринтные трубы третьей секции лабиринтных труб (42 на фиг. 2). На фиг. 8, скважинная текучая среда впоследствии передвигается только в лабиринтные трубы центральной секции лабиринтных труб(40 на фиг. 2), таким образом оставляя кольцевое пространство заполненным диэлектрической текучей средой для вентилирования через вентиляционное отверстие (41 на фиг. 2). На фиг. 9 скважинная текучая среда впоследствии поступает в верхнюю часть кольцевого пространства секции лабиринтных труб(38 на фиг. 2). На фиг. 10 скважинная текучая среда затем поступает в верхние лабиринтные трубы секции лабиринтных труб (38 на фиг. 2). Наконец, на фиг. 11 скважинная текучая среда полностью заполнила секцию 26А лабиринтного уплотнения, после чего ESP система (10 на фиг. 1) может потребовать удаления из скважины для обслуживания.
Хотя выше было подробно описано лишь несколько примеров, специалисты в данной области техники легко поймут, что в этих примерах возможны многие модификации. Соответственно, все такие изменения должны быть включены в объем охраны настоящего раскрытия, как определено в нижеследующих пунктах формулы изобретения.