ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к нефтедобывающей технике, а именно к конструкции погружных насосных агрегатов с системами охлаждения погружных маслозаполненных электродвигателей.
Известно, что эффективное охлаждение электродвигателей погружных насосных агрегатов при эксплуатации на нефтедобывающих скважинах снижает вероятность отказа электродвигателя и соответственно увеличивает межремонтный период работы насосного агрегата. Вероятность отказа насосного агрегата по причине неэффективного охлаждения особенно высока при выводе скважины на стационарный режим работы. Причиной такого отказа является, в частности, пробой изоляции обмоток статора двигателя из-за его перегрева [Автореферат диссертации. Исследование нестационарной работы системы "Пласт-скважина-УЭЦН". Шмидт С.А. Самарский государственный технический университет, Самара, 2000 (УДК 51.001.57:622.276)].
Известен герметичный насос, содержащий рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя с автономным контуром охлаждения, имеющим вспомогательное колесо для осуществления циркуляции охлаждающей жидкости и размещенное на другом конце вала электродвигателя [Синев Н.М. и др. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок. Москва, Атомиздат, 1967, с.224, рис.822]. Недостаток этой конструкции - большие габариты автономной системы охлаждения, исключающие возможность использовать эту конструкцию в глубоких скважинах. Электродвигатель погружного насоса имеет ограниченные радиальные габариты и может иметь высокие мощности (до сотен киловатт) с соответствующим высоким тепловыделением. Выполнение развитой теплопередающей поверхности для создания эффективной системы теплообмена по указанным выше причинам затруднено.
Известен погружной насосный агрегат с маслозаполненным электродвигателем, содержащий статор, ротор с пустотелым валом, основание с маслозаполненной полостью, пяту с радиальными отверстиями, установленную на валу. Масло внутри двигателя циркулирует из маслозаполненной полости по внутреннему отверстию в валу через отверстия в пяте и, проходя через канал, образованный соответствующими поверхностями статора и ротора, попадает обратно в маслозаполненную полость. Тепло, в конечном счете, передается внешней пластовой жидкости, окружающей электродвигатель, передача тепла в радиальном направлении к охлаждающей пластовой жидкости происходит через поверхности с малой активной площадью [Ивановский В.Н. и др. Оборудование для добычи нефти и газа. Часть 1. Москва, Нефть и газ, 2002, с.457-458]. Недостаток этой конструкции - схема охлаждения недостаточно эффективна, хотя бы потому, что существенно увеличить площадь поверхности статора, контактирующей с маслом, нельзя.
Известен погружной насосный агрегат, содержащий приводной электродвигательный и насосный узлы. Полая приемная сетка насоса выполнена в виде радиатора, сообщающегося одним концом с верхней частью внутренней полости электродвигателя, а другим с нижней частью внутренней полости электродвигателя, причем в указанной полости циркулирует жидкость. Помимо охлаждения двигателя через корпус в такой конструкции дополнительное охлаждение обеспечивается посредством непрерывной циркуляции жидкости во внутренней полости двигателя с последующим ее охлаждением в указанной приемной сетке насоса откачиваемой жидкостью, протекающей через сетку [SU 311046, F04D 7/06, F04D 13/10, 09.08.1971]. Недостатком этого электронасоса является малый коэффициент теплопередачи от двигателя к циркулирующей в его полости жидкости. Вследствие этого такая конструкция неэффективна в условиях высокого тепловыделения при использовании высокооборотных электродвигателей достаточно высокой мощности (десятки кВт и более). В этой ситуации возникает перегрев обмотки статора, нарушение (пробой) изоляции электродвигателя.
Для обеспечения оптимального температурного режима работы двигателя при выводе скважины на стационарный режим используют кожухи принудительного охлаждения двигателя. Размещение приводного электродвигателя внутри кожуха принудительного охлаждения обеспечивает увеличение скорости движения откачиваемой жидкости и соответственно повышает интенсивность охлаждения электродвигателя.
Известен погружной электронасос, содержащий приводной погружной электродвигатель, охлаждаемый перекачиваемой жидкостью, насосный узел, кожух принудительного охлаждения (охладительная емкость) с отверстиями на его боковых и торцевых поверхностях, электродвигатель размещен внутри кожуха. При эксплуатации электронасоса откачиваемая жидкость через входные отверстия кожуха принудительного охлаждения поднимается к верхней части кожуха, омывает поверхность электродвигателя и охлаждает его [RU 2136970, F04D 13/10, 10.09.1999]. Недостатком этой конструкции является перегрев ПЭД и выход его из строя (при наличии газосепаратора на входе насоса), крайне неэффективная работа системы охлаждения при выводе скважины на режим. Экспериментально показано, что при наличии на входе насоса модуля газосепаратора нарушается нормальный режим циркуляции скважинной жидкости в кожухе и нет притока откачиваемой жидкости во входные отверстия кожуха.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения, принятым за прототип, является погружной насосный агрегат с системой принудительного охлаждения приводного электродвигателя, содержащий насос и приводной электродвигатель с теплообменником и гидрозащитой, размещенный в кожухе принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности, центробежный газосепаратор, включающий вал с последовательно расположенными на валу шнековым узлом, центробежным сепарирующим узлом и дополнительным шнековым узлом, канал для отвода отсепарированной жидкости и канал для отвода газожидкостной смеси, входная часть канала для отвода газожидкостной смеси образована полостью с дополнительным шнековым узлом, кожух принудительного обтекания охватывает, по меньшей мере, часть внешних поверхностей электродвигателя, теплообменника и газосепаратора, боковые отверстия кожуха выполнены в его нижней части, конструкция кожуха выполнена с возможностью обеспечения протока жидкости, откачиваемой из межтрубного пространства, через вышеуказанные боковые отверстия кожуха по каналу, сформированному внутренней поверхностью кожуха и соответствующими внешними поверхностями электродвигателя и газосепаратора, к входным отверстиям газосепаратора. Двигатель известного погружного насосного агрегата содержит теплообменник, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, а отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания находятся ниже уровня внешней поверхности теплообменника. Газосепаратор известного погружного насосного агрегата имеет газоотводящие отверстия постоянного сечения [RU 2293217, F04D 13/10, F04D 29/58, 10.02.2007]. Недостатком известного погружного насосного агрегата является снижение надежности работы насосного агрегата из-за ограничения объема заливочной жидкости, который непосредственно восполняет утечки через торцевые уплотнения гидрозащиты, а также активная диффузия газовой фазы пластовой жидкости через развитые поверхности эластичных диафрагм, которые осуществляют выравнивание давления между внутренней полостью электродвигателя и внешним давлением пластовой жидкости. Основной объем заливочной жидкости при этом находится над горячей зоной электродвигателя и не позволяет в полной мере обеспечивать конвективную теплоперадачу внутри электродвигателя. Кроме того, нерегулируемая площадь газоотводящих каналов газосепаратора может приводить к срыву подачи насоса при работе установки в низкодебетном фонде скважин.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и долговечности работы погружной части установки в широком диапазоне эксплуатации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что погружной насосный агрегат, содержит расположенные на общей оси и соединенные общими фланцами и валами насос, газосепаратор, гидрозащиту и секционный электродвигатель с теплообменником и головкой токоввода, кожух принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности, причем кожух принудительного обтекания выполнен секционным в виде тонкостенных обечаек, соединенных между собой внахлест, наружная часть корпуса головки токоввода для протока пластовой жидкости имеет продольные пазы и лыску, которая расположена в верхней части головки токоввода, непосредственно над ее пазухой, обечайка газосепаратора выполнена цилиндрической, тонкостенной и усеченной лыской по всей длине, на которой размещены захваты для крепления кабельного удлинителя, верхний край обечайки газосепаратора закреплен герметично на эксцентриковом верхнем держателе газосепаратора, имеющем лыску и расположенном выше входных отверстий газосепаратора, нижняя тонкостенная обечайка, охватывающая секционный электродвигатель и теплообменник, выполнена цилиндрической и соединена с теплообменником через эксцентриковый нижний держатель, газосепаратор выполнен в виде основной и дожимной геликоаксиальных ступеней, а гидрозащита имеет перепускные трубки, диафрагмы и по крайней мере две последовательных гидрозатворных части, разделенные промежуточной опорой позиционированной распорными втулками, верхним и нижним фланцами и демпферными шайбами в корпусе гидрозащиты.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг.1 показана погружная часть насосной установки;
на фиг.2 показан вид А поперечного сечения газосепаратора и поперечное сечение верхнего держателя верхней секции кожуха принудительного обтекания;
на фиг.3 показан вид Б поперечного сечения гидрозащиты;
на фиг.4 показана конструкция крепления средней секции - обечайки на головке токоввода и поперечное сечение головки токоввода электродвигателя с элементами крепления средней обечайки кожуха и каналами протока пластовой жидкости.
Погружной насосный агрегат (фиг.1) с кожухом принудительного обтекания содержит насос 1, газосепаратор 2, гидрозащиту 3 и секционный электродвигатель 5 с головкой токоввода 4 и теплообменником 6, кожух принудительного обтекания, состоящий из тонкостенных обечаек - верхней 8, средней 9 и нижней 10. Верхняя обечайка 8 крепится верхним концом к верхнему эксцентриковому держателю 7. Нижняя обечайка 10 крепится к теплообменнику 6 нижним эксцентриковым держателем 11. На боковой поверхности нижней обечайки 10 выполнены отверстия для прохода пластовой жидкости. Обечайки кожуха 8, 9, 10 охватывают, по меньшей мере, основную часть внешних поверхностей газосепаратора 2, гидрозащиты 3, электродвигателя 5 с головкой токоввода 4 и теплообменника 6, при этом боковые отверстия нижней обечайки 10 могут быть снабжены фильтром сеткой с необходимой величиной ячейки для задержки взвешенных частиц недопустимых размеров. Конструкция сборного кожуха принудительного обтекания выполнена с возможностью обеспечения протока пластовой жидкости вдоль агрегатов, через вышеуказанные боковые отверстия кожуха, по каналу, сформированному внутренней поверхностью обечаек кожуха, соответствующими внешними поверхностями газосепаратора 2, гидрозащиты 3, электродвигателя 5 с головкой токоввода 4 и теплообменником 6 к входным отверстиям 12 газосепаратора 2. Входные отверстия на боковой поверхности нижней обечайки 10 кожуха принудительного обтекания находятся в нижней зоне теплообменника 6. Обечайки 8, 9, 10 сборного кожуха принудительного обтекания соединяются между собой внахлест. Величина нахлеста обечаек выбирается конструктивно.
Газосепаратор (вид А, фиг.2) содержит вал 13, с последовательно расположенными на нем основной геликоаксиальной ступенью 14 и дополнительной гиликоаксиальной дожимной ступенью 15, канал 16 для отвода отсепарированной жидкости и канал 17 для отвода газожидкостной смеси. В газосепараторе имеются радиальные подшипники 18 и 19, осевой подшипник 20. Вход пластовой жидкости в газосепаратор производится через отверстия 12. Газосепаратор снабжен в верхней части корпуса верхним эксцентриковым держателем 7, который сопряжен с верхней обечайкой кожуха 8. Верхняя обечайка кожуха 8 крепится к верхнему эксцентриковому держателю 7 винтами 21 (сечение Г-Г, фиг.2). Верхний эксцентриковый держатель 7 имеет лыску 22 для прокладки кабельного удлинителя.
Гидрозащита (фиг.3) имеет вал 23, радиальные подшипники 24, 25, 26, осевые опоры вала 27, 28, сдвоенный узел торцовых уплотнений 29, эластичные диафрагмы 30, 31, перепускные трубки 32, 33, 34, демпферные шайбы 35, верхний 36 и нижний 38 фланцы, промежуточную опору 37. Верхний фланец 36 соединяет гидрозащиту с газосепаратором, а нижний фланец 38 соединяет гидрозащиту с головкой токоввода электродвигателя. Распорные втулки 39, 40 позиционируют промежуточную опору 37 в корпусе 41 гидрозащиты. Верхняя обечайка кожуха 8 охватывает зону корпуса гидрозащиты.
Головка токоввода (вид В, фиг.4) имеет в верхней части лыску 42 для проводки кабельного удлинителя, пазуху 43, эксцентриковую часть 44 корпуса головки токоввода 45, на которой крепится нижняя часть обечайки кожуха 9.
Корпус головки токоввода 45 выполнен с каналами 46 для протока пластовой жидкости (сечение Д-Д, фиг.4). При этом эксцентриковая часть 44 корпуса головки токоввода 45 смещена относительно общей оси гидрозащиты 3, газосепаратора 2 и насоса 1 на заданную величину. Средняя обечайка кожуха принудительного обтекания 9 выполнена по профилю корпуса головки токоввода 45 с захватом лыски 42 и обходом пазухи 43. Средняя обечайка кожуха 9 крепится к корпусу головки токоввода 45 винтами с потайной головкой 47.
Верхняя обечайка 8 кожуха принудительного обтекания снабжена захватами 48 для кабельного удлинителя.
Нижняя обечайка 10 кожуха принудительного обтекания верхней своей частью крепится винтами на эксцентриковой части 44 корпуса головки токоввода 45, а нижней частью на нижнем эксцентриковом держателе 11 при помощи сварки.
Погружной насосный агрегат работает следующим образом: поток откачиваемой мультифазной пластовой жидкости поступает через боковые отверстия нижней обечайки 10 в кольцевой канал между кожухом принудительного обтекания и наружной поверхностью корпусов агрегатов погружной части последовательно теплообменника 6, секционного электродвигателя 5 с головкой токоввода 4, гидрозащиты 3 и газосепаратора 2. Благодаря наличию сборного кожуха принудительного обтекания скорость в указанном зазоре обтекания жидкости увеличивается в несколько раз, например с 30 см/сек до 1 м/с.
Пластовая жидкость обтекает и охлаждает внешнюю поверхность теплообменника 6 и секционного электродвигателя 5, далее ее поток проходит через входные отверстия 12 газосепаратора 2 в геликоаксиальную ступень 14. Здесь давление газожидкостной смеси повышается, где происходит разделение ее в поле центробежных сил на газовую и жидкую фазы. Далее отсепарированая газовая фаза поступает в полость дожимной геликоаксиальной ступени 15 газосепаратора 2 (фиг.2), и затем выносится по газоотводным каналам 17 в межтрубное пространство эксплуатационной колонны.
В начальный период эксплуатации установки при нагреве секционного электродвигателя давление заливочной жидкости внутри электродвигателя увеличиваться и избыточный объем заливочной жидкости выходит наружу через предохранительные клапаны гидрозащиты, поскольку при заполнении секционного электродвигателя количество заливочной жидкости равно рабочему пространству внутренней полости электродвигателя и гидрозащиты.
При технологических остановках насосной установки происходит остывание заливочной жидкости, при этом уменьшение рабочего объема жидкости компенсируется деформацией эластичных диафрагм 30, 31. (фиг.3) Две последовательных гидрозатворных части гидрозащиты увеличивают объем заливочной жидкости, увеличивая при этом долговечность работы электродвигателя насосной установки.
В нерасчетном режиме (пластовая жидкость практически не содержит газа), например в ситуации вывода скважины на режим, дожимная геликоаксиальная ступень предотвращает нежелательный эффект забора пластовой жидкости через каналы из межтрубного пространства в каналы для отвода отсепарированной жидкости, а это может также снизить теплоотвод секционного электродвигателя через пластовую жидкость, находящуюся в зазоре между кожухом и корпусами агрегатов погружной части.
Вышеописанная конструкция позволяет обеспечивать эффективную работу кожуха принудительного обтекания в момент вывода скважины на режим. Кроме того, дожимная геликоаксиальная ступень повышает эффективность теплоотвода в момент срыва подачи насоса и восстановления его подачи, так как постоянно осуществляется локальная циркуляция пластовой жидкости в пространстве под кожухом погружной части насосной установки. Этот эффект позволяет успешно, то есть без перегрева секционного электродвигателя, проходить нерасчетные режимы работы насоса без остановки его вращения в ожидании оптимального натекания пластовой жидкости для уменьшения свободного газа на приемных отверстиях нижней обечайки кожуха.
Возможность оптимизации и регулирование максимального поперечного габаритного размера погружной части насосного агрегата позволяют эксплуатировать погружной насосный агрегат в широком диапазоне режимов и диаметров эксплуатационных колонн нефтяных скважин.
Выполнение кожуха принудительного обтекания из тонкостенных обечаек позволяет повысить технологичность сборки насосного агрегата.