Способ уплотнения изолированных токопроводящих жил в концевых кабельных муфтах электрического погружного насоса
INSULATED CURRENT CONDUCTING CORES IN THE ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP END CABLE COUPLINGS SEALING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящая заявка относится в общем к области электрических насосных систем, а более конкретно - к способу и устройству для уплотнения изолированного электрического соединителя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Электрические погружные насосные системы содержат специализированные электродвигатели, которые используются для снабжения питанием высокопроизводительных насосных установок. Двигателем, как правило, является маслонаполненный высокопроизводительный электродвигатель, который может существенно отличаться по длине и может быть рассчитан на сотни лошадиных сил. Электрические погружные насосные системы часто подвергаются воздействию высокотемпературных и коррозионных сред. Каждый компонент в электрическом погружном насосе должен быть сконструирован и произведен таким образом, чтобы выдерживать неблагоприятные условия окружающей среды.
[003] Как правило, электроэнергия генерируется на поверхности и подается на двигатель с помощью силового кабеля, предназначенного для тяжелых условий эксплуатации. Силовой кабель обычно содержит несколько отдельных токопроводящих жил, которые индивидуально изолированы внутри силового кабеля. Силовые кабели часто создаются круглой или плоской формы. Во многих исполнениях питание передается от силового кабеля к двигателю посредством «подводящего кабеля двигателя». Подводящий кабель двигателя, как правило, содержит один или более «подводящих проводов», которые выполнены с возможностью соединения с соответствующим приемным гнездом на двигателе. Подводящие провода из подводящего кабеля двигателя часто закрепляются внутри соединителя для двигателя, который обычно называется «концевой кабельной муфтой». Концевая кабельная муфта уменьшает напряжение или натяжение, возникающее между двигателем и подводящими проводами подводящего кабеля двигателя. Подводящий кабель двигателя часто создается «плоской» формы для использования в ограниченном пространстве между скважинным оборудованием и обсадной трубой.
[004] Поскольку силовые кабель и подводящие кабели двигателя располагаются в затрубном пространстве между эксплуатационной колонной и обсадной трубой, эти кабели и соединители должны быть спроектированы так, чтобы противостоять неблагоприятной скважинной среде. Силовые кабели и подводящие кабели двигателя, как правило, включают токопроводящую жилу, изоляцию, которая окружает токопроводящую жилу, оболочку, покрывающую изоляцию, и прочную внешнюю броню, которая окружает оболочку. Даже покрытая несколькими защитными слоями изоляция остается частым источником сбоев в силовых кабелях или подводящих кабелях двигателя. В прошлом производители использовали этилен-пропилен-диеновый (EPDM, ethylene - propylene - diene monomer) каучук, полипропилен или полиэтилен в качестве диэлектрического слоя изоляции, который окружает проводящий материал.
[005] В известном уровне техники концевые кабельные муфты и другие соединители герметизируют вокруг изолированных силовых кабелей с помощью эластомерных блоков или уплотнительных колец, которые сжимаются непосредственно на изоляторе. Эти эластомерные блоки имеют предрасположенность к выходу из строя по ряду причин, включая тепловые напряжения из-за расширения и сжатия, взрывную декомпрессию и воздушные включения. Эластомерные уплотнительные кольца, изготовленные из тех же материалов, что и изоляция вокруг токопроводящей жилы, могут оказаться не в состоянии выдерживать вспучивание изолятора из-за теплового расширения или поглощения углеводородов. Именно на преодоление этого и других недостатков в предшествующем уровне техники и направлено настоящее изобретение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] В предпочтительном варианте осуществления электрическая погружная насосная система включает электродвигатель и подводящий кабель двигателя. Подводящий кабель двигателя включает множество подводящих проводов, каждый из которых включает токопроводящую жилу, изолятор и уплотнительную втулку вокруг изолятора. Уплотнительная втулка выполнена из металла в предпочтительных вариантах осуществления. Электрическая погружная насосная система дополнительно содержит концевую кабельную муфту, подключенную к электродвигателю и подводящему кабелю двигателя. Концевая кабельная муфта включает механизм уплотнения вокруг металлической втулки каждого из множества подводящих проводов.
[007] В другом аспекте предпочтительные варианты осуществления содержат подводящий кабель двигателя, выполненный с возможностью подключения к концевой кабельной муфте. Подводящий кабель двигателя включает множество подводящих проводов, каждый из которых содержит токопроводящую жилу, изолятор и уплотнительную втулку вокруг изолятора. Уплотнительная втулка предпочтительно изготовлена из металла. Подводящий кабель двигателя также включает внешнюю броню, окружающую множество проводов.
[008] В еще одном аспекте предпочтительные варианты осуществления содержат устройство для создания уплотнения вокруг электрического провода, включающего токопроводящую жилу и изолятор, окружающий токопроводящую жилу. Устройство предпочтительно содержит уплотнительную втулку вокруг изолятора и механизм уплотнения вокруг уплотнительной втулки. Уплотнительная втулка предпочтительно изготовлена из металла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[009] На фиг. 1 показан вид в перспективе электрической погружной насосной системы, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.
[010] На фиг. 2 показан вид в перспективе подводящего кабеля двигателя с открытыми и зачищенными подводящими проводами.
[011] На фиг. 3 показано поперечное сечение подводящих проводов и изоляторов подводящего кабеля двигателя, показанного на фиг. 2.
[012] На фиг. 4 показан вид в перспективе подводящего кабеля двигателя, подключенного к концевой кабельной муфте.
[013] На фиг. 5 показано поперечное сечение первого предпочтительного варианта осуществления для уплотнения подводящего провода двигателя внутри концевой кабельной муфты.
[014] На фиг. 6 показано поперечное сечение второго варианта осуществления для уплотнения подводящего провода двигателя внутри концевой кабельной муфты.
[015] На фиг. 7 показано поперечное сечение третьего варианта осуществления для уплотнения подводящего провода двигателя внутри концевой кабельной муфты.
[016] На фиг. 8 показано поперечное сечение четвертого варианта осуществления для уплотнения подводящего провода двигателя внутри блока уплотнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[017] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения на фиг. 1 представлен перспективный вид спереди скважинной насосной системы 100, относящейся к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 102. Скважинная насосная система 100 и эксплуатационная колонна 102 расположены в стволе скважины, которая пробурена для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. Скважинная насосная система 100 показана в невертикальной скважине. Этот вид скважины часто называют «горизонтальной» скважиной. Хотя скважинная насосная система 100 изображена в горизонтальной скважине, следует иметь в виду, что эта скважинная насосная система 100 может быть также использована в вертикальных, наклонных и других негоризонтальных скважинах.
[018] В контексте настоящего документа термин «нефть» в широком смысле относится ко всем минеральным углеводородам, таким как сырая нефть, газ или комбинации нефти и газа. Эксплуатационная колонна 102 соединяет насосную систему 100 с устьем 106 скважины, расположенным на поверхности. Хотя насосная система 100 в первую очередь предназначена для перекачки нефтепродуктов, следует понимать, что настоящее изобретение может быть также использовано для перемещения других текучих сред. Следует понимать, что хотя каждый из компонентов насосной системы 100 в первую очередь раскрывается в погружном применении, некоторые или все эти компоненты могут также быть использованы в поверхностных насосных работах.
[019] Насосная система 100 предпочтительно включает некоторую комбинацию насосной установки 108, двигательной установки 110 и секции 112 уплотнения. Двигательная установка 110 преобразует электрическую энергию в механическую энергию, которая передается на насосную установку 108 посредством одного или более валов. Насосная установка 108 затем передает часть этой механической энергии к текучим средам внутри ствола скважины, побуждая текучие среды в стволе скважины двигаться по эксплуатационной колонне на поверхность. В конкретном предпочтительном варианте осуществления насосная установка 108 представляет собой турбомашину, которая использует одно или более рабочих колес и диффузоров для преобразования механической энергии в гидравлический напор. В альтернативном варианте осуществления насосная установка 108 представляет собой, например, насос с прогрессивной полостью (PC, progressive cavity) или поршневой насос прямого вытеснения (positive displacement pump), которые перемещают текучие среды с помощью одного или более винтов или поршней.
[020] Секция 112 уплотнения защищает двигательную установку 110 от механического давления, создаваемого насосной установкой 108. Секция 112 уплотнения также предпочтительно выполнена с возможностью предотвращения попадания загрязнителей из ствола 104 скважины в двигательную установку 110. Хотя насосная установка 108, секция 112 уплотнения и двигательная установка 110 показаны в единственном экземпляре, следует понимать, что скважинная насосная система 100 может содержать дополнительные насосные установки 108, секции 112 уплотнения или двигательные установки 110.
[021] Насосная система 100 предпочтительно включает силовой кабель 114, подводящий кабель 116 двигателя и кабельный соединитель 118. Силовой кабель 114, подводящий кабель 116 двигателя и кабельный соединитель взаимодействуют для подачи электроэнергии к двигательной установке 110. В предпочтительных вариантах осуществления подводящий кабель 116 двигателя включает дополнительную броню и низкий плоский профиль для более легкой установки в пределах ограниченного затрубного пространства между стволом 104 скважины и компонентами насосной системы 100. Силовой кабель 114 может иметь большее поперечное сечение, т.к. он располагается в большем по размеру затрубном пространстве между эксплуатационной колонной 102 и стволом 104 скважины.
[022] Обратимся к фиг. 2 и 3, на которых показаны виды в перспективе и разрезе, соответственно, подводящего кабеля 116 двигателя и кабельного соединителя 118. Подводящий кабель 116 двигателя содержит токопроводящие жилы 120 силового кабеля, изоляторы 122 силового кабеля, оболочку 124 и внешнюю броню 126. Токопроводящие жилы 120 силового кабеля, изоляторы 122 силового кабеля и оболочка 124 внутри подводящего кабеля 116 двигателя совместно образуют подводящий провод 128.
[023] Токопроводящие жилы 120 силового кабеля предпочтительно изготовлены из медной проволоки или другого подходящего металла. Токопроводящие жилы 120 силового кабеля могут представлять собой сплошной сердечник (как показано на фиг. 2), скрученный многожильный сердечник или скрученную многожильную наружную часть, окружающую сплошной сердечник (не показано на фиг. 3). Токопроводящие жилы 120 силового кабеля могут также быть покрыты одним или более слоями олова, никеля, серебра, полиимидной пленки или другого подходящего материала. Следует понимать, что размер, конструкция и состав токопроводящих жил 120 силового кабеля могут варьироваться в зависимости от требований конкретного скважинного применения.
[024] Изоляторы 122 силового кабеля предпочтительно включают по меньшей мере один слой полимерной пленки с термоскреплением. В предпочтительном варианте изоляторы 122 силового кабеля изготавливаются из полиимидной пленки на основе диангидрида дифенил-тетракарбоновой кислоты (BPDA, byphenyl-tetracarboxylic acid dianhydride), которая допускает термоскрепление без использования промежуточного клеевого слоя. Подходящие полиимидные пленки имеются в наличии, например, от UBE Industries, Ltd. в линейке товаров под маркой «UPILEX VT». Изолятор 122 силового кабеля из полиимидной пленки может быть нанесен путем термического ламинирования непосредственно на токопроводящую жилу 120 без использования клея.
[025] Изоляторы 122 силового кабеля опционально помещаются внутри оболочки 124. В предпочтительном варианте осуществления оболочка 124 выполнена из одного или более слоев свинца, нитрила, EPDM или термопластика, или некоторой комбинации из этих материалов. Оболочка 124 защищена от внешнего воздействия броней 126. В предпочтительном варианте осуществления броня 126 изготавливается из оцинкованной стали, нержавеющей стали, Монель-металла или другого подходящего металла или композита. Броня 126 может быть выполнена с плоским и круглым профилем в соответствии с плоской или круглой конфигурацией подводящего кабеля 116 двигателя.
[026] Подводящий кабель 116 двигателя также содержит уплотнительную втулку 130 вокруг каждого из изоляторов 122. Втулка 130 предпочтительно изготавливается из металлической трубки с внутренним диаметром, номинально того же размера или немного больше, чем внешний диаметр изоляторов 122. Втулка 130 может быть изготовлена из нержавеющей стали, оцинкованной стали или подобных сплавов. Втулка 130 обеспечивает относительно жесткую внешнюю поверхность, которая облегчает установку уплотнения вокруг подводящих проводов 128 подводящего кабеля 116 двигателя. В предпочтительных вариантах осуществления втулка 130 и изолятор 122 соединяются на длину, достаточную для создания герметичного уплотнения между изолятором 122 и втулкой 130. Как показано на фиг. 3, втулка 130 предпочтительно насаживается на место на изолятор 122 вдоль по существу всей длины втулки 130.
[027] В первом варианте осуществления втулка 130 прикрепляется к выбранной части каждого подводящего провода 128 путем надевания втулки 130 поверх изолятора 122 и обжимание втулки до сжатого состояния поверх изолятора 122. В предпочтительном варианте осуществления втулку 130 и подводящий провод 128 пропускают через матрицу, которая обжимает втулку 130 на изоляторе 122. Альтернативно, способ обжима с помощью обжимного ролика может использоваться для закрепления втулки 130 на изоляторе 122.
[028] Во втором предпочтительном варианте осуществления втулка 130 прикрепляется к изолятору 122 с помощью клея. Клей может быть нанесен на внешнюю поверхность изолятора 122 или внутреннюю поверхность втулки 130 перед тем, как втулка 130 помещается поверх изолятора 122. Альтернативно, вначале втулка 130 может быть помещена поверх изолятора 122, а затем клей может быть закачан или впрыснут в небольшое пространство между втулкой 130 и изолятором 122.
[029] Обратимся к фиг. 4 и 5, на которых показаны вид в перспективе и частичное поперечное сечение концевой кабельной муфты 132 и подводящих проводов 128 из подводящего кабеля 116 двигателя. Следует понимать, что концевая кабельная муфта 132 обеспечивает соединение с компенсацией натяжения между подводящим кабелем 116 двигателя и двигательной установкой 110. Концевая кабельная муфта 132 включает корпус 134, запорное кольцо 136 и соединительные фланцы 138. Как отмечено на фиг. 5, концевая кабельная муфта 132 дополнительно содержит механизм 140 уплотнения, который предотвращает миграцию текучих сред вдоль подводящих проводов 128. В предпочтительном варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, механизм 140 уплотнения включает ряд уплотнительных колец 142, размещенных в канавках 144 для уплотнения. Уплотнительные кольца 142 прижимаются к внешней поверхности втулки 130. Поскольку втулка 130 имеет относительно жесткую внешнюю поверхность, уплотняющая характеристика уплотнительных колец 142 повышается.
[030] Обратимся к фиг. 6, на которой показан альтернативный механизм 140 уплотнения, который представляет собой сальниковую коробку 146. Сальниковая коробка 146 включает уплотнение 148 и зажимную гайку 150. При затягивании зажимной гайки 150 уплотнение может быть зажато до контакта уплотнения с втулкой 130.
[031] Обратимся к фиг. 7, на которой показан еще один альтернативный вариант механизма уплотнения, который представляет собой компрессионный фитинг 152. Компрессионный фитинг 152 включает компрессионное уплотнение 154, посадочное место 156, подвижный элемент 158, снабженный резьбой корпус 160, заднюю гайку 162 и переднюю гайку 164. Посадочное место 156 располагается в снабженном резьбой корпусе 160 и создает основу для компрессионного уплотнения 154. Компрессионное уплотнение 154 может быть вдвинуто в посадочное место 156 путем затягивания передней гайки 164 для вдавливания подвижного элемента 158 в компрессионное уплотнение 154. Под воздействием давления уплотнение 154 прижимается к втулке 130 для формирования уплотнения вокруг подводящего провода 128 посредством механизма 140 уплотнения.
[032] Обратимся к фиг. 8, на которой показан еще один альтернативный механизм для уплотнения подводящего провода 128 с блоком 166 уплотнения. Блок 166 уплотнения изготовлен из металла, блок 166 уплотнения может быть использован в ряде применений, в том числе в качестве концевой кабельной муфты. Как показано на фиг. 8, втулка 130 закрепляется на изоляторе 122. Затем втулка 130 пропускается через блок 166 уплотнения. Далее втулка 130 приваривается или припаивается к блоку 166 уплотнения традиционным образом для создания швы 168 уплотнения. Швы 168 уплотнения создают надежное уплотнение между подводящими проводами 128 и блоком 166 уплотнения.
[033] Таким образом, использование втулки 130 для каждого из подводящих проводов 128 предоставляет эффективное средство для создания уплотнения вокруг подводящего провода 128. Хотя предпочтительные варианты осуществления были описаны со ссылкой на механизмы 140 уплотнения и концевую кабельную муфту 132, следует понимать, что использование втулки 130 окажется полезным в дополнительных применениях. Например, втулка 130 может использоваться, чтобы создать поверхность для уплотнения для использования в кабельном соединителе 118 между подводящими проводами в силовом кабеле 114 и подводящими проводами 128 в подводящем кабеле 116 двигателя.
[034] Следует понимать, что многие характеристики и преимущества различных вариантов осуществления настоящего изобретения изложены в настоящем описании вместе с деталями конструкции и функциями различных вариантов осуществления изобретения лишь в иллюстративных целях. Различные детали, особенно касающиеся конструкции и организации элементов, могут быть изменены в рамках настоящего изобретения, в полной мере указанных посредством широкого общего значения терминов, в которых выражены пункты формулы настоящего изобретения. Для специалиста в данной области техники очевидно, что идеи настоящего изобретения могут быть использованы применительно к другим системам в рамках настоящего изобретения с сохранением его сущности.