ПОДВОДНЫЙ ДОБЫЧНОЙ АГРЕГАТ
UNDERWATER PRODUCTION ASSEMBLY

Изобретение касается подводного добычного агрегата, включающего насос и приводное устройство, у которого приводное устройство герметизировано от окружающей воды и от технологической среды. Изобретение, в частности, предназначено и предусмотрено для того, чтобы транспортировать многофазные смеси.
В DE 3721398 А1 описан добычной агрегат, состоящий из насоса с приводным устройством, при этом насос со всех сторон окружен корпусом насоса, включающим камеру всасывания с всасывающим отверстием и камеру нагнетания с выпускным отверстием. Корпус насоса является водонепроницаемым и соединен с таким же водонепроницаемым, вмещающим приводное устройство корпусом двигателя, который включает охватывающий герметический приводной узел моторный отсек, отделенный от камеры всасывания гидравлическим уплотнением. Моторный отсек наполнен уплотняющей средой, в настоящем случае маслом, которое служит для смазки подшипников, возможно имеющихся зубчатых колес или тому подобных деталей и нагружает уплотнения, а также отдает тепло через корпус двигателя окружающей его среде. Такие подводные добычные устройства применяются для добычи углеводородов в море.
При добыче нефти и природного газа в море происходит вскрытие месторождений, расположенных на все больших водных глубинах, при этом нередки водные глубины до 4000 м. Соответственно возрастают и требования к системам трубопроводов и добычным агрегатам в отношении способности сопротивления гидростатическим давлениям, действующим снаружи и создаваемым водяным столбом, и действующим изнури и создаваемым давлением нефти и газа в резервуаре. Обычно системы трубопроводов при глубоководной добыче рассчитываются на действующее изнутри избыточное давление, составляющее от 300 до 500 бар, и должны выдерживать действующее снаружи избыточное давление, составляющее до 400 бар, в зависимости от глубины воды.
Дополнительные трудности заключаются в том, что температуры окружающей воды и нагнетаемой или технологической среды являются различными, в то время как температура воды составляет от 1 до 4°С, технологическая среда может нагреваться более чем до 100°С, так что соответственно возникают высокие термические нагрузки. Все компоненты, которые интегрируются в добычную систему, должны, по меньшей мере, выдерживать приведенные выше нагрузки.
Насосные системы для добычи углеводородов в открытом море, как правило, выполняются так, чтобы насос и приводное устройство, такое как двигатель и муфта, были инсталлированы в одном общем корпусе. Благодаря этому можно обойтись без технически критичного проведения вала от корпуса насоса к корпусу двигателя. При этом имеется наполненная технологической средой область, а именно, камера всасывания, рабочие камеры насоса, а также камера нагнетания, и незаполненная технологической средой область, включающая двигатель, опоры и муфту. Две эти области отделены друг от друга уплотнением вала; незаполненная технологической средой область, включающая двигатель, опоры и муфту, наполнена уплотняющей средой, обычно водой или маслом.
Недостатком этой концепции является тесная связь между испытывающим давление корпусом и необходимыми для эксплуатации узкими допусками для вращающихся элементов и герметизирующих конструктивных элементов. Деформации, обусловленные возникающими давлениями, составляющими от +350 до -500 бар, и колебаниями температуры, составляющими от 1°С до 100°С, должны восприниматься во многих местах, чувствительно реагирующих на изменения формы и длины, таких как, например, опоры, уплотнения вала и зазор двигателя. К тому же возникают большие колебания вязкости в уплотняющей среде, поскольку эта среда представляет собой масло. В отсутствие фазы нагнетания, в состоянии останова двигатель и насос охлаждаются до температуры окружающей среды; при эксплуатации они нагреваются за счет температуры технологической среды, а также за счет трения до 60°С-80°С. Изменяющаяся при этом вязкость уплотняющего масла, равная прибл. 100 сСт у холодной системы и достигающая менее чем 2 сСт у горячей системы требует особых мер в системе уплотняющего масла. Смазочная и несущая способность уплотняющего масла должна сохраняться как в холодном, так и в теплом состоянии. В холодном состоянии к тому же необходимо преодолевать высокие гидравлические потери трения, например, в двигателе.
Количество мест уплотнения от окружающей среды у подводного добычного агрегата необходимо по возможности сократить до минимума, так как места уплотнения представляют собой потенциальный источник неисправностей и имеют склонность к неплотностям, а распознавание небольшой утечки является очень трудным, однако любая утечка должна предотвращаться в целях охраны окружающей среды.
Общая добыча нефти и природного газа означает, что жидкости и газы транспортируются параллельно. При добыче нефти/природного газа добывается так называемая многофазная смесь, которая с высокой вероятностью в данный момент времени включает только одну фазу, то есть в течение обозримых периодов времени транспортируются только жидкости или только газообразные компоненты. Кроме этого, состав многофазной смеси колеблется в широком диапазоне и в течение больших периодов времени, так что здесь предъявляются особые требования к насосной технологии.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание подводного добычного агрегата для углеводородов, в котором будет исключена непосредственная связь между насосной камерой и окружающей водой, что позволит обеспечить снижение перепада давления, выравнивание возникающих усилий, а также термоизоляцию. Такой подводный добычной агрегат позволит снизить опасность нанесения вреда окружающей среде вследствие утечек без ущерба его работоспособности и надежности.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью подводного добычного агрегата с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные и усовершенствованные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах.
В подводном добычном агрегате, содержащем насос и приводное устройство, которое герметизировано от окружающей воды и от технологической среды, причем насос и приводное устройство объединены в один модуль, снабженный корпусом модуля, и расположены в напорном корпусе, причем напорный корпус заполнен технологической средой и охватывает корпус модуля, согласно изобретению корпус модуля защищен от непосредственного контакта с окружающей водой посредством технологической среды, причем внутри напорного корпуса и/или внутри корпуса модуля расположены сепарационные устройства для разделения жидкой фазы и газообразной фазы многофазной смеси, и для дозированной подачи сепарированной жидкой фазы в камеру всасывания предусмотрен рециркуляционный канал от камеры нагнетания насоса или от напорного корпуса к камере всасывания насоса.
Благодаря расположению насоса и приводного устройства внутри корпуса модуля насос и приводное устройство, а также обычно предусматриваемые устройства передачи или муфты, как и устройства управления полностью изолированы от окружающего давления и температуры водяного столба. Благодаря активному выравниванию внутреннего давления модуля до постоянного избыточного давления относительно окружающей технологической среды, переменные нагрузки давления на корпус модуля, в противоположность традиционным решениям, полностью предотвращаются. Благодаря модульной конструкции добычного агрегата, включающего насос и приводное устройство в одном корпусе модуля, все вращающиеся и критичные в отношении допусков конструктивные элементы объединяются в один узел, при этом отвечающий за изменение формы корпус модуля испытывает постоянные силы давления и изолирован от внешнего давления, которое действует на напорный корпус. Посредством технологической среды предотвращается непосредственный контакт корпуса модуля с окружающей водой, что приводит к выравниванию рабочей температуры и низкому градиенту температуры, так что насос и привод подвергаются незначительным термическим нагрузкам. В целом корпус модуля может рассчитываться на практически постоянные усилия, что означает снижение конструктивных затрат и одновременно дает более высокую эффективность насоса при одновременно более низкой вероятности выхода из строя.
Внутри напорного корпуса и/или внутри корпуса модуля расположены сепарационные устройства для разделения жидкой фазы и газообразной фазы многофазной смеси, например, в виде обводных устройств или зон успокоения, или целенаправленных увеличений поперечных сечений потока, служащих для снижения скорости потока и достижения разделения жидкой фазы и газообразной фазы за счет силы тяжести. Отделенная жидкая фаза может затем направляться либо внутрь корпуса модуля, либо из напорного корпуса обратно в камеру всасывания насоса, для обеспечения рециркуляции сепарированной жидкой фазы, поскольку это необходимо, если, например, в течение долгого времени нагнетается исключительно газообразная фаза. Рециркуляция служит для поддержания уплотнения зазора, а также для охлаждения транспортирующих элементов.
Рециркуляционный канал от камеры нагнетания насоса к камере всасывания насоса предусмотрен для того, чтобы дозированно подавать сепарированную жидкую фазу в камеру всасывания. Сепарация и аккумулирующая способность сепарированной жидкой фазы могут при этом осуществляться независимо от ориентации напорного корпуса или, соотв., насоса и приводного устройства, так что как при горизонтальном, так и при вертикальном положении монтажа может осуществляться сепарация жидкой фазы и газообразной фазы.
Один из усовершенствованных вариантов осуществления изобретения предусматривает, что корпус модуля установлен в напорном корпусе с образованием кольцевого пространства, так что корпус модуля может быть полностью окружен технологической средой, за исключением необходимых мест опоры корпуса модуля внутри напорного корпуса. Кольцевое пространство служит при этом одновременно сепарационным устройством, посредством которого жидкая фаза может быть отделена от газообразной фазы. Кольцевое пространство может использоваться в качестве накопительной камеры для жидкой фазы, поскольку это пространство расположено со стороны всасывания, чтобы при необходимости подавать в камеру всасывания насоса сепарированную жидкую фазу, чтобы снабжать насос, как правило, выполненный в виде винтового ротационного насоса, достаточным количеством жидкой фазы, чтобы, с одной стороны, обеспечивать уплотнение зазора ходовой посадки расположенных параллельно друг другу ходовых винтов, а с другой стороны, осуществлять смазку и охлаждение. Если кольцевое пространство располагается с напорной стороны, оно может служить сепарационной камерой, и посредством перепускного канала, ведущего в камеру всасывания насоса, обеспечивать возможность рециркуляции уже добытой жидкой фазы.
Для механической развязки предусмотрено, что корпус модуля, по меньшей мере, в одном месте опоры установлен в напорном корпусе с возможностью перемещения, так что благодаря подвижной опоре в осевом направлении обеспечивается необходимая развязка модуля или, соотв., корпуса модуля от термических или гидростатических деформаций напорного корпуса. Предпочтительно корпус модуля имеет цилиндрическую форму, чтобы обеспечить высокую стабильность давления, при этом напорный корпус предпочтительно расположен концентрически вокруг корпуса модуля.
Корпус модуля установлен предпочтительно внутри напорного корпуса в точке фиксированной опоры, при этом фиксированная опора предпочтительно снабжена проходящими сквозь напорный корпус сквозными отверстиями, служащими, например, для прокладки электрических или гидравлических питающих линий к корпусу модуля и приводному устройству. Сквозные отверстия могут быть просто и надежно статически уплотнены.
В напорном корпусе и/или в корпусе модуля со стороны всасывания может быть предусмотрена накопительная камера для жидкой фазы, чтобы обеспечить достаточный запас на периоды нагнетания газообразной фазы.
Сторона впуска и сторона выпуска подводного добычного агрегата могут быть соединены друг с другом, по меньшей мере, одним обратным клапаном, который в одном направлении позволяет осуществлять, а в другом блокирует свободный проход технологической среды, так что свободный проход технологической среды обеспечивается даже при не активированном насосе, и возможно обеспечение свободного обмена.
Кроме того, можно предусмотреть устройства для подготовки технологической среды, служащие для сепарации твердых веществ и/или подачи добавок, таких как, например, химикаты, так чтобы технологическая среда могла транспортироваться и подготавливаться оптимальным образом.
Для уменьшения распространения шума все места контактов между напорным корпусом и корпусом модуля могут быть снабжены виброизоляторами. При установке корпуса модуля в напорном корпусе с незакрепленной в осевом направлении подвижной опорой эта подвижная опора может также использоваться в качестве впускного патрубка для технологической среды, так чтобы сквозь место опоры в напорном корпусе технологическая среда транспортировалась в камеру всасывания насоса и оттуда в кольцевое пространство напорного корпуса. Из камеры нагнетания технологическая среда отводится по соответствующему трубопроводу.
Выполнение модуля, состоящего из насоса и приводного устройства в одном общем корпусе модуля, обладает тем преимуществом, что механически активный элемент может быть полностью изготовлен предварительно и протестирован, и его нужно всего лишь ввести внутрь напорного корпуса. Нет необходимости герметизировать механически подвижные детали от окружающей среды, более того, даже неплотности внутри насоса не могут нанести вреда, так как утечки остаются в полностью закрытом напорном корпусе. Из-за этого может только уменьшиться коэффициент полезного действия. Механически простая конструктивная форма напорного корпуса с сокращением до минимума мест разъема, а также мест опор с геометрическим или, соотв., силовым замыканием между корпусом модуля и напорным корпусом позволяют осуществлять очень свободный выбор материала, технологического процесса и ступени давления напорного корпуса. Количество уплотнений от окружающей среды сокращается до минимума и ограничивается не вращающимися уплотнениями. Монтажное пространство для уплотнений при этом может выбираться довольно свободно.
Все механические функции подводного добычного агрегата содержатся в корпусе модуля. Для тестирования функции необходим только корпус модуля. Так как корпус модуля не должен в течение длительного времени воспринимать силы давления водяного столба и абсолютного технологического давления, размеры и вес могут быть уменьшены и упрощен доступ к компонентам. Благодаря этому также становится возможным полное тестирование функций модуля при сокращенных затратах.
Расчет напорного корпуса осуществляется независимо от конструктивных особенностей насоса только с точки зрения максимального внешнего и внутреннего давления, а также технологической температуры и температуры окружающей среды и химического состава технологической среды, тогда как корпус модуля должен обладать достаточной стабильностью формы для механических нагрузок, а также являться корпусом, обеспечивающим в достаточной мере выравнивание давлений относительно постоянного избыточного давления модуля и достаточно устойчивым к колебаниям температуры, в значительной степени изолированным от деформаций напорного корпуса и от действующих снаружи нагрузок.
Корпус модуля может быть установлен в напорном корпусе в изолированных от вибраций местах опоры, например, на резиново-металлических опорах, чтобы максимально предотвратить распространение шума из корпуса модуля на напорный корпус. При этом уменьшается распространение шума из напорного корпуса в окружающую среду, так как при транспортировании многофазных смесей кольцевое пространство, которое находится вокруг корпуса модуля, благодаря содержанию газа в нагнетаемой среде уже является пространством, передающим шум в меньшей степени. Все места контакта корпуса модуля с напорным корпусом могут быть изолированы от вибраций или оснащены виброизоляторами.
Ниже с помощью фигуры 1 более подробно поясняется один из примеров осуществления изобретения.
На фиг. 1 показано схематичное изображение сечения добычного агрегата.
На фиг. 1 показан подводный добычной агрегат 1, включающий наружный напорный корпус 2, который состоит из двух частей 21, 22 корпуса, а также расположенный в нем корпус 3 модуля, при этом в корпус 3 модуля помещен насос 31, а также приводное устройство 32 с муфтой 33. Приводное устройство 32 и муфта 33 герметизированы уплотняющей средой от проникновения технологической среды. Корпус 3 модуля установлен своим правым концом на фиксированной опоре 24 второй части 22 напорного корпуса, и снабжен сквозными отверстиями для электрических и гидравлических подводок 5. С левой стороны напорный корпус 31 установлен во впускном патрубке 25 с возможностью осевого перемещения, так что левый конец корпуса 3 модуля представляет собой плавающую опору. На напорном корпусе 2 имеются два фланца 23, 26, посредством которых может осуществляться соединение с системой трубопроводов.
Корпус 3 модуля расположен в напорном корпусе 2 так, что вокруг корпуса 3 модуля возникает кольцевое пространство 6, которое наполняется технологической средой. Через впускной патрубок 25 технологическая среда транспортируется в камеру 311 всасывания насоса 31 и оттуда накачивается через камеру 312 нагнетания в кольцевое пространство 6, как обозначено стрелками. Из кольцевого пространства 6 технологическая среда отводится затем через выпускной патрубок 26.
На стенки напорного корпуса 2 действуют изнутри давление нагнетания и снаружи водяной столб, в то время как на корпус 3 модуля снаружи действует давление нагнетания и изнутри давление уплотняющей среды, при этом давление уплотняющей среды целенаправленно настраивается на рабочие условия. Обычно стремятся получить небольшое постоянное избыточное давление, обычно от 1 до 25 бар, между уплотняющей средой и технологической средой в напорном корпусе 2. Благодаря этому обеспечивается постоянная компенсация давления всего модуля по сравнению с давлением окружающей технологической среды, а также полная изоляция от давления окружающей среды, то есть давления водяного столба. Благодаря этому механический расчет корпуса 3 модуля может ориентироваться на небольшие, прежде всего, на постоянные усилия.
Внутри кольцевого пространства 6 могут быть предусмотрены сепарационные устройства, такие как обводные элементы, лабиринты или целенаправленные увеличения поперечных сечений, служащие для обеспечения лучшей эффективности сепарации. От кольцевого пространства 6 может быть проведен обводной канал к камере 311 всасывания насоса 31, чтобы обеспечить возможность рециркуляции сепарированной жидкой фазы.
Благодаря расположению практически концентрического кольцевого пространства 6 вокруг корпуса 3 модуля с помощью соответственно выполненного напорного корпуса 2 возможно обеспечение термической изоляции между корпусом 3 модуля и окружающей средой, то есть морем, так чтобы при останове насоса 31 происходило только медленное охлаждение. Также могут быть предусмотрены обратные клапаны, которые при останове насоса 31 обеспечивают возможность непрерывного обмена технологической среды от впускного патрубка 25 к выпуску 26, так чтобы температура корпуса 3 модуля и, тем самым, температура насоса 31 и приводного устройства 32 могла оставаться практически постоянной, так как происходит непрерывный обмен технологической среды.