ПРИВОД ПОГРУЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ С ТЕПЛООБМЕННИКОМ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к оборудованию для нефтедобычи и может быть использована в скважинных многоступенчатых центробежных насосах с высокооборотными приводами, построенными на основе маслонаполненного электродвигателя с теплообменником, гидрозащитой и компенсатором.
Уровень техники.
Скважинные высокооборотные погружные центробежные насосы способны работать в условиях, где и насосная механическая секция со ступенями и приводная часть с электродвигателем (маслозаполненного типа) полностью погружены на большую глубину в скважину. Такие насосы должны работать в течение длительного времени без технического обслуживания. Для этого в таких насосах приводную часть с электродвигателем выполняют с теплообменником и гидрозащитой, состоящую из протектора и компенсатора. Гидрозащита предназначена для защиты погружных маслозаполненных электродвигателей от проникновения скважинной жидкости в их внутреннюю полость, а для также компенсации утечки масла и тепловых изменений его объема при эксплуатации электродвигателя. Для приводной части необходимо также обеспечить отвод значительного количество тепла, которое образуется в результате механических и электрических потерь в электрическом приводе насоса. Для этого используется диэлектрическая охлаждающая жидкость (диэлектрическое масло), которая циркулирует в электродвигателе с теплообменником. Охлаждающая жидкость поглощает тепло от двигателя и передает его окружающей жидкости в скважине. Конструктивные решения привода насоса, обеспечивающие эффективный отвод тепла от электродвигателей при работе насосной установки в скважине снижают вероятность отказа приводов и соответственно увеличивают рабочий ресурс насосной установки в целом. Увеличение сроков службы насосной установки является одним из основных факторов, обеспечивающих стабильности добычи нефти и снижения затрат на обслуживание фонда скважин.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является привод погружной насосной установки (Патент RU №2464691, опубликовано 20.10.2012). Он имеет электродвигатель (маслозаполненного типа - с диэлектрической жидкостью (маслом)) и теплообменник с установленным в нем компенсатором. Теплообменник электродвигателя совмещен с компенсатором таким образом, что внутри разделительного корпуса теплообменника с горячей зоной (сформированной каналами для прохода горячего масла из маслозаполненного электродвигателя) расположен поршень компенсатора. К недостаткам указанного технического решения недостаточная эффективность работы теплообменника, в частности, из-за наличия только одного контура теплообмена. Недостатком является низкая интенсивность теплообмена между охлаждаемым маслом и охлаждающей скважинной жидкостью из-за относительно небольшой площади теплообменной поверхности по которым текут указанные жидкости. Вследствие этого для охлаждения масла до приемлемой с точки зрения надежной работы электродвигателя температуры теплообменник в данной конструкции должен иметь значительную длину. Кроме того у компенсатора поршневого типа имеются достаточно высокие потери на трение страгивания (при изменении его внутреннего объема с горячим маслом), которые могут привести к значительным перепадам давления между внешней и внутренней полостями подвижных колец. Кроме того, в указанной конструкции компенсатор (поршень) с эластомерными уплотнительными кольцами не обладает достаточно качественной теплозащитой и прилегает достаточно близко к горячей проточной зоне (с маслом) - это ведет к повышению вероятности термического повреждения компенсатора (в частности, его части выполненной из эластомерных колец).
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции привода погружной насосной установки с маслозаполненным электродвигатель и теплообменником, которая используется в скважинных многоступенчатых центробежных насосах. Такое усовершенствование нацелено на повышение надежности работы привода насоса в течение длительного времени и особенно актуально для высокооборотных насосных погружных установок с вентильным приводом работающих на большой глубине с высокой температурой скважинной жидкости.
Техническим результатом полезной модели является повышение ресурса работы электрического привода с теплообменником за счет повышения эффективности отвода тепла от маслозаполненного электродвигателя привода с одновременным снижением вероятности термических повреждений компенсатора (в особенности его эластомерных элементов), связанных с длительным термическим высокотемпературным воздействием на него. Дополнительным преимуществом указанного технического решение является возможность снижения длины привода за счет повышения компактности теплообменника (сокращения длины теплообменника) с одновременным снижением вероятности термического повреждения компенсатора.
Для достижения заявленного технического результата в известном приводе погружной насосной установки с теплообменником, содержащем корпус, маслозаполненный электродвигатель, присоединенный к нему теплообменник, расположенный ниже электродвигателя, компенсатор, установленный в теплообменнике и гидравлически связанный каналом для масла с маслозаполненной полостью электродвигателя, каналы, обеспечивающие циркуляцию масла в приводе для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью внутри теплообменника был выполнен сквозной канал теплообменника для протока скважинной жидкости. Он имеет вход для потока скважинной жидкости из затрубного пространства и выход для потока скважинной жидкости в затрубное пространство. Вход и выход выполнены соответственно в нижней и верхних частях теплобменника. Компенсатор имеет диафрагму из эластомерного материала, которая размещена в цилиндрическом кожухе из теплопроводящего материала с возможностью примыкания внешней боковой поверхности диафрагмы к соответствующей внутренней боковой поверхности кожуха. Вышеуказанный сквозной канал теплообменника для протока скважинной жидкости представляет собой канал кольцевого поперечного сечения со внутренней стенкой, сформированной внешней боковой поверхностью вышеуказанного цилиндрического кожуха и с внешней стенкой, сформированной внутренней поверхностью цилиндрической гильзы теплообменника.
Теплообменник содержит циркуляционный канал для масла из электродвигателя для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью, сформированный между внешней поверхностью гильзы теплообменника и внутренней поверхностью корпуса теплообменника. В приводе вышеуказанная диафрагма может быть выполнена в виде двумешковой диафрагмы, а теплообменник имеет нижние и верхние фланцы, в которых выполнены соответственно вход и выход сквозного канала внутреннего контура теплообменника для протока скважинной жидкости.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан привод погружной насосной установки с теплообменником расположенный в скважине.
На Фиг. 2 показан теплообменник с установленным диафрагменным компенсатором.
Осуществление полезной модели
Привод погружной насосной установки с теплообменником, содержит заполненный диэлектрической жидкостью электродвигатель 1 (протектор (не указан)) - размещается выше электродвигателя), присоединенный к нему снизу теплообменник 2 со встроенным компенсатором 12. Привод размещен в скважине (см. Фиг. 1) и окружен скважинной жидкостью в затрубном пространстве 36 (пространство преимущественно кольцевой формы между внешней поверхностью погружной части насосной установки и стенками скважины).
Двухконтурный теплообменник с компенсатором крепится к силовой части (электродвигательной секции) при помощи фланца крепления 3 к силовой части, шпилек 5, гаек 6. В нем располагаются масляные каналы 25, 26 разделенные втулкой 4. Двухконтурный теплообменник 2 с компенсатором содержит верхний 7 и нижний 16 фланцы, корпус 8, гильзу теплообменника 10. Гильза 10 может выполнена металлической с винтовой проволочной обмоткой ее внешней поверхности для интенсификации теплообменных процессов - в случае, если ее внешняя поверхность формирует часть поверхности канала для масла (с направлением потока 24).
Компенсатор с диафрагмой в виде мешка 12 крепится при помощи втулок 9, 14, 27 и гильз 11. Такая диафрагма компенсатора вытянута в вертикальном направлении и практически всегда выполняется из эластомерного материала.
Наружная поверхность компенсатора ограничена жестким цилиндрическим кожухом 13 из теплопроводящего материала (обычно из металла), установленным на креплении 15. Во фланцах 7, 16 выполнены масляные входной и выходные участки (каналы) 19, 20 для циркуляционного канала для масла с потоком в направлении потока масла 24 (вниз) из электродвигателя для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью, сформированного между внешней поверхностью гильзы 10 теплообменника и внутренней поверхностью корпуса теплообменника 8. Такой канал может иметь в поперечном сечении кольцевую форму.
Также во фланцах 7, 16 выполнены выход и вход (канальные отверстия для подвода вывода жидкости в сквозной канал для скважинной жидкости в теплообменнике) соответственно для протока скважинной жидкости 17, 18 (выхода и входа потока скважинной жидкости из затрубного пространства 36). Направление потоков скважинной жидкости указано стрелками 21, 22, направление потоков масла 23, 24. Для герметизации внутренней полости электродвигателя используются резиновые кольца 28, 29, 30, 31, 32, 33, а для разделения потоков масла кольца 35.
Пример осуществления полезной модели
Устройство работает следующим образом. Масло в электродвигателе поглощает тепло работающего электродвигателя и отводит его в скважинную жидкость. Потоки масла проходят через электродвигатель и теплообменник. А именно, масло (диэлектрическая охлаждающая жидкость) из электродвигателя двигателя циркулирует по каналам (маслопроводам), обеспечивающим циркуляцию масла в приводе для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью (например, циркуляционным масляным насосом). Указанную циркуляцию масла обеспечивают в частности, входной канал 19, связанный с маслозаполненной полостью двигателя и обеспечивающий поступление масла в кольцевой канал для циркуляции масла в направлении 24 по теплообменнику. Канал с маслом 26 обеспечивает также работу компенсатора с диафрагмой, содержащей дополнительное диэлектрическое масло в своей внутренней полости для компенсации температурного расширения масла в полости электродвигателя (и восполнения неизбежных утечек масла из маслозаполненной зоны электродвигателя).
В сквозной канал теплообменника (часть внутреннего контура теплообменника) для протока скважинной жидкости через входное отверстие 18 (канал во фланце) поступает скважинная жидкость из затрубного пространства со скважинной жидкостью 36. Далее поток скважинной жидкости в заданном направлении 22 движется по каналу кольцевого поперечного сечения с внутренней стенкой, сформированной внешней боковой поверхностью цилиндрического кожуха 13 и с внешней стенкой, сформированной внутренней поверхностью цилиндрической гильзы теплообменника 10. Этот поток обеспечивает одновременно:
охлаждение компенсатора с диафрагмой 12 (через тонкостенный (например, толщиной менее 2 мм) цилиндрический стальной кожух 13) - такое охлаждение продлевает ресурс диафрагменного компенсатора, диафрагма которого выполнена из эластомерного материала (типа резина), создавая более благоприятный температурный режим для диафрагмы;
теплоизоляцию компенсатора от горячей зоны - циркуляционного канала для масла из электродвигателя для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью, сформированного между внешней поверхностью гильзы теплообменника 10 и внутренней поверхностью корпуса теплообменника 8, что также создает более благоприятный температурный режим для диафрагмы -прежде всего для ее эластомерных элементов (мешка диафрагмы);
вносит вклад в охлаждение вышеуказанного циркуляционного канала для масла (с потоком 24) из электродвигателя для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью.
В целом создание такого второго (внутреннего) контура со сквозным каналом для протока скважинной жидкости в теплообменнике) может увеличивать поверхность теплообмена почти в 2 раза при сохранении длины теплообменника.
В первом контуре (внешнем) проходящий поток масла в направлении 24 в циркуляционном канале для масла из электродвигателя для теплообмена между маслом и скважинной жидкостью (сформированный между гильзой и корпусом теплообменника) охлаждается также потоком скважинной жидкости в затрубном пространстве в направлении 21 (т.е. в противоположном направлении потоку скважинной жидкости).
Расположение теплообменника электродвигателя ниже двигателя может быть целесообразным, когда насосная установка размещена в стволе скважины выше зоны перфорационных отверстий (в обсадной трубе в требуемых местоположениях могут выполнены «перфорационные отверстия», обеспечивающие возможность проникновения текучих сред из продуктивной формации в обсадную трубу). При такой компоновке текучая среда, втягиваемая в ствол скважины проходит, в частности, по наружной части теплообменника, прежде чем она будет нагрета двигателем. Это способствует более эффективной работе теплообменника.
Рассмотренная система принудительного охлаждения относится к двухконтурным теплобменникам и необходима из-за малого габарита силовой части и интенсивного тепловыделения в ней. В такой системе всегда необходим эффективный теплообменник и создание интенсивной циркуляции потоков (масла и скважинной жидкости) через него. Поскольку это конструктивное решение уменьшает объем масла (при использовании одномешкового компенсатора), которое нагревается и расширяется при работе электродвигателя, то крайне желательно использования увеличенного компенсатора изменений объема масла (двухмешкового компенсатора). Поэтому компенсатор крайне желательно выполнять двухмешковым, при котором конструкция соединения мешков предусматривает минимальный габарит изделия. Конструктивно предлагаемое техническое решение - двухконтурный теплообменник с компенсатором выполняется из труб расчетной длины, соответствующей необходимому охлаждению силовой части при работе в номинальном режиме. Все основные конструктивные элементы теплообменника кроме диафрагмы компенсатора, в частности, нижний 16 и верхний фланцы 7, цилиндрический кожух 13, цилиндрическая гильза теплообменника 10, корпус 8 могут быть изготовлены из стали - в частности углеродистой стали или (для коррозионностойкого исполнения) нержавеющая стали. Типичная толщина цилиндрической гильзы 10 от 2 мм до 6,5 мм. Кожуха 13 от - 0,5 до 2 мм, корпуса 8 - от 4 до 7 мм. Диапазон внешних диаметров корпуса 8 например, от 103 мм до 185 мм.
Диаметры входных и выходного каналов 7,18 - от 3 до 15 мм. Типичный диапазон толщины проточного канала маслопровода - от 1,5 до 3 мм.
Расположение теплообменника электродвигателя ниже двигателя может быть целесообразным в применениях, в которых насосная установка размещена в стволе скважины выше зоны перфорационных отверстий (в обсадной трубе в требуемых местоположениях могут выполнены «перфорационные отверстия», обеспечивающие возможность проникновения текучих сред из продуктивной формации в обсадную трубу). При такой компоновке текучая среда, втягиваемая в ствол скважины проходить в частности по наружной части теплообменника, прежде чем она будет нагрета электродвигателем двигателем (протектор гидрозащиты может быть размещен выше электродвигателя). В иных случаях допускается применение кожуха принудительного обтекания.
Разработанный привод с указанным теплообменником обеспечивает повышение теплоотдачи. В нем обеспечена увеличенная скорость теплоотдачи по внутреннему контуру. Использование электрического привода погружного насоса с таким теплообменником обеспечивает повышение компактности теплообменника для погружного маслозаполненного электродвигателя и эффективное поддержание заданного рабочего интервала температур маслозаполненного электродвигателя что, в конечном счете, продлевает ресурс насосной установки.