ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА С МАСЛЯНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ГИДРОЗАЩИТЫ (ВАРИАНТЫ)
SUBMERSIBLE PUMP PLANT WITH OIL SEAL OF HYDRAULIC PROTECTION (VERSIONS)

Настоящее изобретение в общем относится к погружным скважинным насосным установкам, в частности к гидрозащите (протектору погружного электродвигателя), размещенной между двигателем и насосом для выравнивания давления смазки внутри двигателя с давлением внутри ствола скважины.
Обычно погружная скважинная насосная установка типа, к которому относится настоящее изобретение, включает электрический двигатель (мотор), соединенный с центробежным насосом посредством секции гидрозащиты. Двигатель заполнен диэлектрической смазкой для смазки размещенных в нем подшипников. Секция гидрозащиты включает выравнивающее давление средство, которое может быть диафрагменного или U-образного типа для выравнивания давления смазки в двигателе и скважинного флюида снаружи него.
Секция гидрозащиты включает также вал, сцепленный на одном конце с валом двигателя, а на другом конце - с валом насоса. Между корпусом гидрозащиты и валом установлено механическое уплотнение, уменьшающее проникновение скважинного флюида в смазку гидрозащиты и двигателя. Механическое уплотнение обычно имеет жесткие поверхности, смещенные вперед и скользящие относительно друг друга. Вращающийся элемент механического уплотнения закреплен на валу с возможностью вращения с ним. Неподвижный элемент механического уплотнения закреплен на корпусе. Скользящие поверхности механического уплотнения взаимодействуют со скважинным флюидом с одной стороны и со смазкой - с другой стороны. Поверхности механического уплотнения должны оставаться влажными для их нормальной работы, соответственно они конструируются с возможностью небольших протечек. Но даже при очень небольших таких утечках скважинный флюид может с течением времени проникать в двигатель и приводить к отказам.
Одним из путей отсрочивания проникновения скважинного флюида в двигатель является использование нескольких секций гидрозащиты, каждая из которых включает по меньшей мере одно механическое уплотнение. Однако такая конструкция увеличивает стоимость и дополнительную длину оборудования.
В настоящем изобретении предлагается погружная насосная установка, содержащая роторный насос, приводимый в действие двигателем, секцию гидрозащиты, расположенную между двигателем и насосом для выравнивания давления содержащегося в двигателе моторного смазочного масла с давлением скважинного флюида снаружи насосной установки и включающую
корпус, расположенный между насосом и двигателем и имеющий конец со стороны насоса и конец со стороны двигателя,
вал, проходящий через корпус и служащий для осуществления привода насоса от двигателя,
первичное уплотнение, расположенное у конца корпуса со стороны насоса и имеющее вращающийся уплотнительный элемент, закрепленный на валу с возможностью совместного с ним вращения и взаимодействия с неподвижным уплотнительным элементом, неподвижно закрепленным на корпусе вокруг вала, и
невращающееся вторичное уплотнение, расположенное у конца корпуса со стороны насоса на конце первичного уплотнения со стороны двигателя и имеющее по внутреннему диаметру участок, имеющий скользящий и уплотняющий контакт с валом, а по внешнему диаметру участок, неподвижно уплотненный относительно корпуса, причем
первичное и вторичное уплотнения образуют между собой герметичную камеру, не имеющую каких-либо входных отверстий.
В частных вариантах осуществления насосная установка содержит масло, размещенное в камере между первичным и вторичным уплотнениями и имеющее более высокую стойкость для образования эмульсии с водой и более высокую вязкость, чем моторное смазочное масло.
Упомянутая камера может быть заполнена фторинертным маслом.
Насосная установка может также содержать диафрагму в корпусе, через которую проходит вал, имеющую внутреннюю сторону, сообщающуюся с моторным смазочным маслом в двигателе, и внешнюю сторону, сообщающуюся со скважинным флюидом,
кольцевой проход на конце корпуса со стороны насоса, через который проходит вал и который сообщается с внутренней стороной диафрагмы,
причем неподвижный уплотнительный элемент первичного и вторичного уплотнений размещен внутри этого кольцевого прохода.
Упомянутая камера изолирована от внутренней и внешней сторон диафрагмы.
Насосная установка может содержать цилиндрическую пружину, размещенную на стороне неподвижного уплотнительного элемента, противоположной вторичному вращающемуся элементу, с возможностью вращения совместно с валом и прижимающую вращающийся уплотнительный элемент к неподвижному уплотнительному элементу.
Вращающийся уплотнительный элемент и неподвижный уплотнительный элемент первичного уплотнения имеют внутренние диаметры больше диаметра вала, обеспечивая зазор для сообщения.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предлагается погружная насосная установка, содержащая
роторный насос,
двигатель, содержащий смазочное масло,
корпус, расположенный между насосом и двигателем и имеющий конец со стороны насоса и конец со стороны двигателя,
выравнивающее давление средство, расположенное в корпусе с возможностью выравнивания давления смазочного масла в двигателе с давлением скважинного флюида снаружи корпуса,
проход в конце корпуса со стороны насоса,
вал, проходящий через проход в корпусе и служащий для осуществления привода насоса от двигателя,
первичное уплотнение, расположенное у конца корпуса со стороны насоса и имеющее вращающийся уплотнительный элемент с жесткой уплотнительной поверхностью, закрепленный на валу с возможностью совместного с ним вращения, и неподвижный уплотнительный элемент, установленный в упомянутом проходе, имеющий внутренний диаметр больше диаметра вала и жесткую уплотнительную поверхность, перпендикулярную валу,
пружину, прижимающую уплотнительную поверхность вращающегося уплотнительного элемента в направлении к концу корпуса со стороны двигателя и к уплотнительной поверхности неподвижного уплотнительного элемента,
невращающееся вторичное уплотнение, установленное в проходе у конца корпуса со стороны насоса на стороне неподвижного уплотнительного элемента, противоположной пружине, и имеющее внутренний диаметр, обеспечивающий динамическое уплотнение с валом, и внешний диаметр, обеспечивающий уплотненный контакт с корпусом, причем
между первичным и вторичным уплотнениями образована герметичная камера, содержащая текучую среду и уплотненная от контакта с какими-либо другими текучими средами во внутреннем пространстве корпуса.
Текучая среда в камере между первичным и вторичным уплотнениями может содержать масло, отличное от смазочного масла, в частности быть заполнена маслом с более высокой вязкостью, чем смазочное масло в двигателе.
Выравнивающее давление средство может содержать диафрагму в корпусе, имеющую внутреннюю сторону, сообщающуюся с моторным смазочным маслом в двигателе, причем вторичное уплотнение предотвращает контакт смазочного масла, содержащегося внутри диафрагмы, с текучей средой в герметичной камере.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается погружная насосная установка, содержащая
корпус, расположенный между насосом и двигателем и имеющий конец со стороны насоса и конец со стороны двигателя,
проход, проходящий через конец корпуса со стороны насоса,
вал, проходящий через проход в конце корпуса со стороны насоса и служащий для вращения насоса,
трубчатую диафрагму в корпусе, имеющую торцевое отверстие со стороны насоса, уплотненное относительно конца корпуса со стороны насоса, и торцевое отверстие со стороны двигателя, уплотненное относительно конца корпуса со стороны двигателя, и образующую внутреннее пространство для размещения моторного смазочного масла, причем вал проходит через торцевое отверстие со стороны насоса и торцевое отверстие со стороны двигателя,
отверстие для впуска скважинного флюида в корпус вокруг диафрагмы,
первичное уплотнение, имеющее жесткие уплотнительные поверхности, расположенные в скользящем контакте друг с другом при вращении вала для обеспечения уплотнения между валом и корпусом на его конце со стороны насоса,
невращающееся вторичное уплотнение, установленное в проходе у конца корпуса со стороны насоса на конце первичного уплотнения со стороны двигателя, имеющее внутренний диаметр, обеспечивающий скользящий и уплотняющий контакт с валом, а по внешнему диаметру неподвижно уплотненное относительно корпуса, и сообщающееся со стороны двигателя с внутренней стороной диафрагмы, причем
первичное и вторичное уплотнения образуют между собой герметичную камеру, уплотненную посредством вторичного уплотнения от поступления моторного смазочного масла из внутренней стороны диафрагмы.
Герметичная камера может быть заполнена маслом, имеющим более высокую вязкость и более высокую стойкость для образования эмульсии с водой, чем моторное смазочное масло, причем вторичное уплотнение предотвращает контакт смазочного масла внутри диафрагмы с маслом в герметичной камере.
Таким образом предлагаемая установка имеет секцию гидрозащиты, имеющую вторичное уплотнение, расположенное у конца корпуса со стороны насоса на конце первичного уплотнения со стороны двигателя и имеющее по внутреннему диаметру участок, имеющий скользящий контакт с валом, а по внешнему диаметру - участок, плотно посаженный в корпусе.
Между первичным и вторичным уплотнениями образована герметичная камера, которая может быть заполнена маслом, обеспечивающим смазку первичного уплотнения. Это масло может иметь более высокую стойкость для образования эмульсии с водой, чем моторное смазочное масло (двигателя), или быть тем же, что и моторное смазочное масло. Вторичное уплотнение отделяет флюид между первичным и вторичным уплотнениями от моторного смазочного масла в секции гидрозащиты. Вторичное уплотнение может использовать обычное недорогое маслянное уплотнение.
Ниже изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
на фиг.1 - вид сбоку в вертикальном разрезе погружной насосной установки, схематично показанной в стволе скважины,
на фиг.2 - увеличенный вид в разрезе секции гидрозащиты погружной насосной установки фиг.1,
на фиг.3 - дополнительный вид в разрезе верхнего конца секции гидрозащиты фиг.3.
Как показано на фиг.1, скважина снабжена обсадной колонной 11, имеющей перфорацию для впуска скважинного флюида. В скважину спущена эксплуатационная насосно-компрессорная колонна 13. Электрическая погружная насосная установка 15 закреплена на насосно-компрессорной колонне 13 и подвешена на ней.
Электрическая погружная насосная установка 15 включает роторный насос 17, имеющий в представленном примере несколько ступеней. Каждая ступень имеет вращающееся рабочее (лопастное) колесо и стационарный диффузор (не показан). Альтернативно, насос 17 может быть и другого типа, например, такого как винтовой насос. В таком винтовом насосе винтовой ротор вращается в неподвижном эластомерном статоре (обойме), имеющем двухзаходный спиральный канал.
Насос 17 приводится в действие двигателем (мотором) 19, обычно электродвигателем переменного тока. Секция гидрозащиты 21 проходит между насосом 17 и двигателем 19 и служит для выравнивания давления между смазкой, находящейся в двигателе 19, и скважинным флюидом (текучей средой). Как показано на фиг.2, секция гидрозащиты 21 имеет корпус 23, представляющий собой трубчатый элемент, имеющий переходник или конец 25 со стороны насоса и переходник или конец 27 со стороны двигателя. В этом варианте осуществления конец 25 со стороны насоса и конец 27 со стороны двигателя являются отдельными трубчатыми элементами, закрепленными посредством резьбы на корпусе 23, но они могут быть выполнены и за одно с корпусом 23. Конец 25 соединен с насосом 17, а конец 27 - с двигателем 19.
Концентричный аксиальный проход 29 проходит через конец 25 со стороны насоса, конец 27 со стороны двигателя и внутреннее пространство корпуса 23 между этими концами 25, 27. Вращаемый вал 31 проходит через проход 29 по оси секции гидрозащиты 21. Вал 31 имеет нижний конец, сцепленный с валом 32 двигателя, вращаемым двигателем 19.
Труба 33 имеет нижний край, уплотненный в упомянутом конце 27 со стороны двигателя в проходе 29, и верхний край, уплотненный в проходе 29 на конце 25 со стороны насоса. Вал 33 проходит через трубу 33 и имеет внешний диаметр меньше диаметра трубы 33, образуя зазор между ними.
Секция гидрозащиты 21 имеет выравнивающее давление средство, которое в этом примере включает трубчатую эластичную диафрагму (камеру) 35, размещенную внутри корпуса 23 вокруг трубы 33. Диафрагма 35 представляет собой эластомерный элемент, верхний конец которого герметично закреплен на трубе 33 непосредственно ниже конца 25 со стороны насоса. Нижний конец диафрагмы 35 герметично закреплен на конце 27 со стороны двигателя. Канал 37 смазки проходит от внутреннего пространства диафрагмы 35 в верхнюю часть двигателя 19. Моторное смазочное масло 39 из двигателя 19 может циркулировать через канал 37 смазки вовнутрь диафрагмы 35. Входное отверстие 41 для скважинного флюида проходит через конец 25 секции гидрозащиты со стороны насоса, позволяя скважинному флюиду войти внутрь корпуса 23 с внешней стороны диафрагмы 35. Диафрагма 35 служит для выравнивания давления между смазочным маслом 39 и скважинным флюидом.
В трубе 33 выполнено отверстие 43, позволяющее смазочному маслу 39 протекать в зазор между трубой 33 и валом 31. В этом конструктивном варианте верхний конец двигателя 19 содержит упорный подшипник 45, смазываемый моторным смазочным маслом 39. Двигатель 19 имеет дополнительные подшипники, также сообщающиеся с моторным смазочным маслом 39.
В примере, представленном на фиг.3, конец 25 со стороны насоса имеет центральную полость 47, обращенную в направлении к насосу 17 (фиг.1) и сообщающуюся с его внутренним пространством. Соответственно скважинный флюид будет контактировать со смазочным маслом внутри камеры 47. Первичное уплотнение 49 уплотняет окружность вала 31 в полости 47 для предотвращения попадания скважинного флюида в проход 29. Первичное уплотнение 49 представляет собой механическое уплотнение. Этот термин относится к уплотнению, имеющему две жесткие поверхности, скользящие относительно друг друга. В представленном варианте вращающийся уплотнительный элемент (узел) 51 уплотнения вращается вместе с валом 31. Эластомерный колпак 53 герметизирует вращающийся уплотнительный элемент 51 на валу 31 и вращается вместе с ним. Этот вращающийся уплотнительный элемент 51 имеет жесткую уплотнительную поверхность 55, обращенную вниз и имеющую цилиндрический выступ. Пружина 57 в полости 47 толкает вращающийся уплотнительный элемент 51 вниз и вращается с валом 31. Пружина 57 представляет собой цилиндрическую (винтовую) пружину, охватывающую вращающийся уплотнительный элемент 51. Внутренний диаметр вращающегося уплотнительного элемента 51 больше диаметра вала 31, обеспечивая некоторый зазор.
Узел первичного уплотнения 49 имеет жесткий неподвижный уплотнительный элемент 59 с рабочей (уплотнительной) поверхностью, расположенной в плоскости, перпендикулярной валу 31. Вращающаяся уплотнительная поверхность 55 скользит по уплотнительной поверхности неподвижного уплотнительного элемента 59. Вращающийся уплотнительный элемент 51 и неподвижный уплотнительный элемент 59 выполнены из твердого износостойкого материала, такого как карбид вольфрама. Эластомерный элемент 61, такой как кольцевое уплотнение, уплотняет по внешнему диаметру неподвижный уплотнительный элемент 59 относительно конца 25 со стороны насоса в проходе 29. Неподвижный уплотнительный элемент 59 имеет внутренний диаметр больше внешнего диаметра вала 31 с образованием кольцевого зазора.
Кроме того, имеется вторичное уплотнение 65, примыкающее к неподвижному уплотнительному элементу 59 со стороны двигателя, противоположной стороне неподвижного уплотнительного элемента 59, примыкающей к вращающемуся уплотнительному элементу 51. Вторичное уплотнение 65 может быть различных типов. Предпочтительно оно представляет собой обычное недорогое масляное уплотнение (сальник). В показанном примере вторичное уплотнение 65 имеет внутренний уплотнительный элемент 67, скользящий по валу 31 при его вращении. Хотя не показано, вал 31 может иметь втулку или гильзу, вращающуюся вместе с ним и непосредственно взаимодействующую с внутренним уплотнительным элементом 67. Таким образом термин "вал" употребляется здесь в широком значении, включающем любые такие втулки или гильзы, установленные на оси с возможностью вращения вместе с ней. Внутренний уплотнительный элемент 67 удерживается несущим средством 69, которое отходит в направлении наружу и имеет цилиндрическую часть, плотно посаженую в проходе 29. Несущее средство 69 обычно выполняется из металла и плотно установлено на прессовой посадке в корпусе 23 со стороны прохода 27. Внутри несущего средства 69 имеется пружина (не показана), прижимающая внутренний уплотнительный элемент 67 в радиальном направлении к валу 31. Первичное уплотнение 49 и вторичное уплотнение 65 образуют герметичную камеру 63, проходящую от вторичного уплотнения 65 через зазор между валом 31 и неподвижным уплотнительным элементом 59 и вращающимся уплотнительным элементом 51 вверх до внутренней поверхности эластомерного колпака (резинового чехла) 53.
Герметичная камера 63 предпочтительно заполнена маслом, наиболее предпочтительно фторинертным маслом. Масло 70 может быть таким же, как смазочное моторное масло 39, но предпочтительно с большей вязкостью и стойкостью в плане образования эмульсии с водой. При этом необязательно, чтобы масло 70 имело такие же высокие диэлектрические характеристики, как моторное смазочное масло 39. В отличие от моторного смазочного масла 39, масло 70 не циркулирует через двигатель 19 (фиг.1) и секцию гидрозащиты 21 и таким образом может иметь более высокую вязкость.
Далее, как можно видеть на фиг.3, имеется неподвижная втулка или подшипник 71, расположенный в этом примере ниже вторичного уплотнения 65. Вакуумное отверстие 73 проходит через конец 25 со стороны насоса ниже вторичного уплотнения 65 и служит для удаления воздуха из внутреннего пространства двигателя 19 (фиг.1) до ввода моторного смазочного масла 39. Вакуумное отверстие 73 сообщается с внутренней стороной трубчатой диафрагмы 35. Заливное отверстие (не показано) для ввода моторного смазочного масла 39 расположено в нижней части двигателя 19. Отводное отверстие 75 соединено с вакуумным отверстием 73 и подходит к внешней стороне диафрагмы 35 в корпусе 23. Отводное отверстие 75 содержит один или несколько обратных клапанов 77, позволяющих моторному смазочному маслу 39 проходить из внутреннего пространства диафрагмы (мешка) 35 к внешней стороне диафрагмы 35 в корпусе 23 вследствие теплового расширения, но блокирует поток в противоположном направлении. После заполнения вакуумное отверстие 73 закрывается пробкой. Также, после откачивания воздуха и заполнения, пробкой закрывается входное отверстие 41 для скважинного флюида. Эта пробка будет удалена при спуске насосной установки в скважину.
При осуществлении операций секция гидрозащиты 21 присоединяется к двигателю 19 на поверхности до спуска в скважину. Камера между первичным и вторичным уплотнениями 49, 65 заполняется маслом 70. Оператор известным образом заполняет двигатель 19 и секцию гидрозащиты 21 моторным смазочным маслом 39. Обычно это выполняется откачиванием воздуха через вакуумное отверстие 73 и вводом моторного смазочного масла 39 через заливное отверстие в нижней части двигателя 19. Когда заполнение закончено, моторное смазочное масло 39 будет размещаться в диафрагме 35, внутри трубы 33 и прохода 29 до вторичного уплотнения 65. Масло 70 будет размещаться в герметичной камере 63 на другой стороне вторичного уплотнения 65. Затем вакуумное отверстие 73 закрывается пробкой, а входное отверстие 41 для скважинного флюида открывается. Оператор присоединяет насос 17 к концу 25 со стороны насоса и спускает сборку в скважину, обычно на колонне 13 (фиг.1).
После достижения нужной глубины оператор подает электроэнергию по кабелю к двигателю 19, вращающему вал 31 для привода насоса 17. Скважинный флюид, который часто имеет высокое водосодержание, будет размещаться в корпусе 23 с внешней стороны трубчатой диафрагмы 35. Диафрагма 35 передает давление скважинного флюида к моторному смазочному маслу 39. Скважинный флюид будет также размещаться в полости 47 (фиг.3). Первичное уплотнение 49 предотвращает проникновение скважинного флюида из полости 47 в проход 29. Вращающийся уплотнительный элемент 51 вращается с валом 31 и уплотнительная поверхность 55 взаимодействует с неподвижным уплотнительным элементом 59. Масло 70 смазывает рабочие поверхности уплотнительных элементов 51 и 59. Некоторые протечки скважинного флюида в герметичную камеру 63 могут иметь место между узлами первичного и вторичного уплотнений 49 и 65, но вторичное уплотнение 65 удерживает скважинный флюид от прохода вовнутрь диафрагмы 35. Даже если, в конце концов, будет протечка через вторичное уплотнение 65 до того как наносная установка 15 поднята, время до попадания скважинного флюида в диафрагму 35 будет продлено.
Настоящее изобретение дает ряд преимуществ. Использование вторичного уплотнения продляет время до прохождения скважинного флюида в контакт с моторным маслом. Вторичное уплотнение позволяет избежать необходимости во множестве уплотнительных секций. Вторичное уплотнение также позволяет использовать для смазки первичного уплотнения специальное масло, более стойкое к разрушению эмульсии с водой, чем моторное масло.
В проиллюстрированные варианты осуществления изобретение могут быть внесены различные изменения в пределах объема правовой охраны изобретения. Например, вторичное уплотнение также применимо в отношении уплотнительных секций, использующих U-образные трубные конструкции в качестве выравнивающих давление устройств вместо эластичных диафрагм.