Расширительная камера для текучей среды с защищенным сильфоном
EXPANSION CHAMBER FOR FLUID MEDIUM WITH PROTECTED BELLOW

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[001] Настоящее изобретение в целом относится к погружным насосным системам и, в частности, но не ограничиваясь этим, к усовершенствованной расширительной системе для смазки двигателя.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] Погружные насосные системы часто используются в скважинах для извлечения углеводородных текучих сред из подземных резервуаров. Обычно погружная насосная система содержит ряд компонентов, в том числе один или несколько заполненных рабочей текучей средой электродвигателей, соединенных с одним или несколькими высокопроизводительными насосами, расположенными над двигателем. При подаче питания двигатель обеспечивает крутящий момент насосу, который продвигает текучие среды из скважины на поверхность по насосно-компрессорным трубам.
[003] Компоненты, обычно называемые «протекторами», защищают электродвигатели и обычно размещаются между двигателем и насосом. В этом положении протектор обеспечивает несколько функций, в том числе передачу крутящего момента между двигателем и насосом, ограничивая поток скважинных текучих сред в двигатель, защищая двигатель от осевого усилия, передаваемого насосом, и компенсируя расширение и сжатие смазки для двигателя при прохождении двигателя через тепловые циклы во время работы.
[004] Протекторы известного уровня техники обычно содержат «чистую сторону», проточно сообщающуюся с электродвигателем, и «грязную сторону», проточно сообщающуюся со стволом скважины. Для разделения чистой стороны протектора от грязной стороны традиционно используются сильфоны или мешки. Несмотря на достаточную эффективность, известные конструкции основаны на создании сообщения текучей среды между двигателем и протектором. Поскольку приводной вал двигателя должен проходить через протектор для передачи крутящего момента насосу, повышается риск загрязнения текучей среды. На устранение именно этого и других ограничений известного уровня техники направлены предпочтительные варианты выполнения изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] В предпочтительных вариантах выполнения настоящее изобретение содержит электропогружную насосную систему, выполненную с возможностью откачивания текучей среды из ствола скважины. Электропогружная насосная система содержит двигатель, заполненный смазкой для двигателя, насос, приводимый в действие двигателем, и расширительную камеру для текучей среды, соединенную с двигателем. Расширительная камера для текучей среды содержит уплотнительную камеру, заполненную смазкой для уплотнительной камеры, и сильфон, заключенный внутри уплотнительной камеры. Сильфон имеет внутреннюю поверхность, проточно сообщающуюся с двигателем, и наружную поверхность, проточно сообщающуюся со смазкой для уплотнительной камеры.
[006] В другом аспекте предпочтительные варианты выполнения содержат электропогружную насосную систему, предназначенную для использования в процессе перекачивания текучей среды из ствола скважины. Электропогружная насосная система содержит двигатель, заполненный смазкой для двигателя, насос, приводимый в действие двигателем, и расширительную камеру для текучей среды, соединенную с двигателем. Расширительная камера для текучей среды содержит наружный корпус, одно или несколько наружных отверстий, проходящих через наружный корпус до ствола скважины, уплотнительную камеру, расположенную в наружном корпусе, и сильфон, заключенный внутри уплотнительной камеры. Внутренняя часть сильфона проточно сообщается с двигателем.
[007] В еще одном аспекте предпочтительные варианты выполнения содержат расширительную камеру для текучей среды для использования с учетом расширения и сжатия смазки при прохождении от двигателя внутри погружной насосной системы, развернутой в стволе скважины. Расширительная камера для текучей среды содержит наружный корпус, одно или несколько наружных отверстий, проходящих через наружный корпус до ствола скважины, уплотнительную камеру, расположенную в наружном корпусе, и сильфон, заключенный внутри уплотнительной камеры. Внутренняя часть сильфона проточно сообщается с двигателем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[008] Фиг. 1 изображает погружную насосную систему, выполненную в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.
[009] Фиг. 2 изображает вид в разрезе двигателя и расширительной камеры для текучей среды, выполненных в соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения.
[010] Фиг. 3 изображает вид в разрезе двигателя и расширительной камеры для текучей среды, выполненных в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения.
[011] Фиг. 4 изображает вид в разрезе двигателя и расширительной камеры для текучей среды, выполненных в соответствии с третьим предпочтительным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
[012] В соответствии с первым предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, на Фиг. 1 изображен вид в вертикальном разрезе насосной системы 100, соединенной с насосно-компрессорными трубами 102. Насосная система 100 и насосно-компрессорные трубы 102 расположены в стволе 104 скважины, который пробурен для добычи текучей среды, такой как вода или нефтепродукты. Используемый здесь термин «нефтепродукты» относится, в целом, ко всем минеральным углеводородам, таким как сырая нефть, газ и соединения нефти и газа.
[013] Насосная система 100 предпочтительно содержит насос 108, электродвигатель 110, протектор 112 и расширительную камеру 114 для текучей среды. Насосно-компрессорные трубы 102 соединяют насосную систему 100 с устьевым оборудованием 106, расположенным на поверхности. Несмотря на то, что насосная система 100 в основном предназначена для перекачивания нефтепродуктов, понятно, что настоящее изобретение может быть также использовано для перемещения других текучих сред. Также понятно, что хотя каждый из компонентов насосной системы в основном применяется в погружных устройствах, некоторые или все эти компоненты могут также использоваться при поверхностном перекачивании текучих сред.
[014] Двигатель 110 получает питание от наземного объекта через силовой кабель 116. Как правило, двигатель 110 выполнен с возможностью приведения в действие насоса 108. В особенно предпочтительном варианте выполнения насос 108 представляет собой турбокомпрессор, который использует одно или несколько рабочих колес и диффузоров для преобразования механической энергии в гидростатический напор. В альтернативных вариантах выполнения насос 108 выполнен как нагнетательный поршневой насос. Насос 108 содержит впускное отверстие 118, обеспечивающее прием текучих сред из ствола 104 скважины в насос 108. Насос 108 принудительно втесняет скважинные текучие среды на поверхность по насосно-компрессорным трубам 102.
[015] В предпочтительных вариантах выполнения протектор 112 расположен выше двигателя 110 и ниже насоса 108. Ниже двигателя 110 расположена расширительная камера 114. Несмотря на то, что показан лишь один каждый компонент, понятно, что при необходимости можно присоединить дополнительные компоненты, что другие конфигурации компонентов могут быть целесообразны, и что эти дополнительные конфигурации включены в объем предпочтительных вариантов выполнения. Например, во многих устройствах целесообразно использовать комбинации сдвоенного двигателя, газовые сепараторы, несколько протекторов, несколько насосов, сенсорные модули и другие компоненты для работы в скважине.
[016] Следует отметить, что, несмотря на то, что насосная система 100, показанная на Фиг. 1, изображена с вертикальной ориентации, насосная система 100 может также использоваться в невертикальных устройствах, в том числе в горизонтальных и в невертикальных скважинах 104. Соответственно, ссылки на «верхний» и «нижний» в настоящем описании используются лишь для описания относительного положения компонентов насосной системы 100 и не должны рассматриваются как указание на то, что насосная система 100 должна быть развернута в вертикальной ориентации.
[017] Со ссылкой на Фиг. 2 показан вид в разрезе двигателя 110 и расширительной камеры 114. Двигатель 110, показанный крупным планом на Фиг. 2, предпочтительно содержит корпус 120, статорный узел 122, роторный узел 124, подшипники 126 ротора и вал 128. Статорный узел 122 содержит ряд обмоток (отдельно не обозначены), соответствующих различным фазам электроэнергии, подводимой к электродвигателю 110. Роторный узел 124 закреплен на валу 128 двигателя и выполнен с возможностью вращения в непосредственной близости от неподвижного статорного узла 122. Размер и расположение статорного узла 122 и роторного узла 124 могут регулироваться с учетом конкретных требований к производительности двигателя 110.
[018] Последовательное включение различных рядов обмоток в статорном узле 122 приводит к вращению роторного узла 124 и вала 128 двигателя в соответствии с известными электродвижущими принципами. Подшипники 126 двигателя обеспечивают центральное положение роторного узла 124 внутри статорного узла 122 и противодействуют радиальному усилию, создаваемому двигателем 110 на валу 128.
[019] Двигатель 110 заполняют смазкой 200 при его изготовлении, что снижает износ при трении вращающихся компонентов, расположенных в двигателе 110. В особенно предпочтительных вариантах выполнения смазка 200 для двигателя представляет собой жидкий диэлектрик. Так как при работе двигатель 110 вращается и подвергается воздействию повышенных температур в стволе 104 скважины, диэлектрическая смазка 200 для двигателя расширяется и сжимается. Желательно не допускать загрязнения диэлектрической смазки 200 для двигателя скважинными текучими средами 202 и твердыми частицами из ствола 104 скважины.
[020] Для обеспечения расширения и сжатия смазки 200 для двигателя, расширительная камера 114 присоединена к двигателю 110 и проточно сообщается с внутренней частью двигателя 110. В отличие от протектора 112, расширительная камера 114 не содержит проход вала от двигателя 110. Следует понимать, что расширительная камера 114 может быть использована отдельно или вместе с протектором 112.
[021] Расширительная камера 114 содержит наружный корпус 130, впускное отверстие 132, наружные отверстия 134 и сильфонный узел 136. Отверстия 134 проходят через наружный корпус 130, чтобы обеспечить обмен скважинных текучих сред 202 как в расширительную камеру 114, так и из нее. Размер и количество наружных отверстий 134 устанавливается оптимальным образом с таким расчетом, чтобы песок и другие частицы не скапливались внутри расширительной камеры 114.
[022] Сильфонный узел 136 содержит сильфон 138, заключенный внутри уплотнительной камеры 140. В особенно предпочтительном варианте выполнения сильфон 138 представляет собой металлический сильфон с торцевым швом, отличающийся высокой степенью сжимаемости. Как хорошо известно из механики, сильфону 138 позволяется расширяться и сжиматься, когда сложенные гармошкой стороны расширяются и сжимаются. Сильфон 138 обеспечивает гидравлический непроницаемый барьер, препятствующий проникновению скважинных текучих сред 202 извне в двигатель 110, одновременно обеспечивая возможность расширения и сжатия смазки 200 для двигателя.
[023] Сильфон 138 содержит проксимальный конец 142, соединенный с верхней опорой 144, и дистальный конец 146, имеющий возможность перемещаться внутри уплотнительной камеры 140. Впускное отверстие 132 проходит сквозь верхнюю опору 144 для того, чтобы обеспечить проточное сообщение внутреннего пространства сильфона 138 с внутренней частью двигателя 110.
[024] Уплотнительная камера 140 образует надежное препятствие между сильфоном 138 и скважинными текучими средами 202 внутри расширительной камеры 114. Уплотнительная камера 140 предохраняет сильфон 138 от загрязнения и повреждения коррозионными текучими средами. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, уплотнительная камера 140 прикреплена к верхней опоре 144 и нижней опоре 148. Для прикрепления уплотнительной камеры к верхней и нижней опорам 144, 148 могут быть использованы стопорные кольца 150. В особенно предпочтительном варианте выполнения стопорные кольца 150 выполнены с возможностью резьбового соединения с верхней и нижней опорами 144, 148.
[025] В первом предпочтительном варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, нижняя опора 148 закреплена внутри расширительной камеры 114 посредством фиксатора 152, проходящего до наружного корпуса 130. Во втором предпочтительном варианте выполнения, показанном на Фиг. З, нижняя опора 148 не прикреплена к наружному корпусу 130, при этом уплотнительная камера 140 имеет возможность перемещаться внутри расширительной камеры 114. В третьем предпочтительном варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, уплотнительная камера 140 выполнена с предварительно закрытым концом 154 и не имеет нижней опоры 148.
[026] В каждом из указанных предпочтительных вариантов выполнения уплотнительная камера 140 предпочтительно изготовлена из гибкого, износостойкого полимера. Подходящие полимеры включают, но не ограничиваются этим, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и перфторалкоксил (ПФА). В процессе изготовления пространство между уплотнительной камерой 140 и сильфоном 138 заполняется чистой смазкой 204 для уплотнительной камеры. Смазка 204 для уплотнительной камеры может быть такой же, что и смазка 200 для двигателя или же она может отличаться от смазки 200 для двигателя.
[027] Когда объем смазки 200 для двигателя увеличивается в ходе цикла нагрева, сильфон 138 также расширяется и оказывает давление на смазку 204 для уплотнительной камеры. Расширяющаяся уплотнительная камера 140 расширяется для компенсации увеличения давления и вытесняет скважинные текучие среды 202, находящиеся внутри расширительной камеры 114. В ходе цикла охлаждения объем смазки для двигателя уменьшается, и сильфон 138 сжимается. При сжимании сильфона 138 уплотнительная камера 140 также сжимается. Скважинным текучим средам 202 обеспечивается возможность входа в расширительную камеру 114 для компенсации перепада давления.
[028] Следует понимать, что, несмотря на то, что многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения изобретения изложены в вышеупомянутом описании вместе с деталями конструкции и работы различных вариантов выполнения изобретения, это описание является исключительно иллюстративным, и могут быть выполнены изменения в деталях, особенно касательно конструкции и расположения частей в рамках принципов изобретения в полном объеме, обозначенном широким общим значением терминов, в которых выражены прилагаемые пункты формулы изобретения. Специалистам должно быть понятно, что принципы изобретения могут применяться к другим системам без отхода от его объема и сущности.