СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ ПЕРЕХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ
CONNECTION ADAPTER FOR ELECTRICALLY DRIVEN BOREHOLE PUMP SYSTEM

Ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка родственна предварительной заявке US 61/121813, поданной 11 декабря 2008 г., и безусловной заявке US 12/635191, поданной 10 декабря 2009 г., и полностью включает их содержание посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится к добыче нефти и газа и, в частности, к соединительным звеньям электрического погружного насоса.
Уровень техники
Электрические погружные насосы (ЭПН или ESP - от англ. electrical submersible pump) могут размещаться в буровой скважине для нагнетания скважинного флюида на поверхность. Как правило, ЭПН включает электродвигатель, протектор (гидрозащиту) и насос, приводимый в действие двигателем. Насос может нагнетать флюид под давлением непосредственно в скважину или в присоединенную насосно-компрессорную колонну. Типичный протектор включает диафрагму, которая с одной стороны находится под давлением окружающей среды, а с другой стороны на нее действует давление со стороны двигательной секции. Объем, по существу, несжимаемой выравнивающей давление текучей среды, например диэлектрической текучей среды, заполняет диафрагму, двигательную секцию и проходы или каналы для текучей среды между диафрагмой и двигательной секцией. Благодаря поддержанию давления внутри двигательной секции в целом на уровне давления окружающей среды, сводится к минимуму перепад давлений на корпусе и уплотнителях двигательной секции и понижается вероятность нарушения целостности корпуса и уплотнителей, что вызовет проникновение флюида.
Перед сборкой ЭПН протектор обычно заполняется выравнивающей давление текучей средой, после чего удаляется воздух, который мог остаться внутри после заполнения. После сборки ЭПН в вертикальном положении, выравнивающая текучая среда может вытечь снизу из протектора, присоединенного к двигателю. Любые полости, образовавшиеся в протекторе из-за вытекшей выравнивающей текучей среды, дадут возможность сжимаемому воздуху проникнуть в протектор, что отчасти ухудшит его способность выравнивать давление. Двигательная секция, как правило, также перед сборкой заполняется текучей средой. Обычно в двигательной секции не происходит утечки при вертикальной сборке ЭПН, однако при горизонтальной сборке ЭПН в двигательной секции может возникнуть утечка.
Раскрытие изобретения
В настоящем раскрытии представлен пример блока электрического погружного насоса, включающего протектор (гидрозащиту), двигательную секцию и уплотнители, препятствующие утечке из протектора и двигательной секции в процессе сборки. Когда соединяется протектор с двигательной секцией, уплотнители выводятся из герметизирующего положения, обеспечивая проход между ними для текучей среды. Уплотнители взаимодействуют с узлом муфты для соединения валов протектора и двигательной секции. Наружный диаметр узла муфты увеличивается на уступе, описывающем ее наружную поверхность. В одном примере, уплотнитель, предотвращающий утечку из уплотнительного узла, образует герметизирующую границу раздела вокруг части узла муфты с большим диаметром, которая может быть устранена сдвиганием муфты так, что ее часть с меньшим диаметром вплотную придвигается к уплотнительному узлу. Двигательная секция герметизируется другим уплотнительным узлом, включающим корпус, окружающий вал двигателя и определяющий кольцевое пространство, которое избирательно заполняется уплотнительным диском. Уплотнительный диск также может быть сдвинут в сторону внутри корпуса при соединении валов узлом муфты.
В одном частном варианте осуществления, электрическая погружная насосная система включает протектор, корпус которого имеет отверстие на конце, текучую среду внутри корпуса и вал протектора внутри отверстия в корпусе протектора, двигательную секцию, корпус которой имеет отверстие на конце, и вал двигателя, выступающий из отверстия в корпусе двигателя, трубчатый узел муфты с шлицевым отверстием по оси, который можно при необходимости перемещать между положением предварительной сборки, когда вал протектора частично введен во внутренний конец узла муфты, и собранным положением, отстоящим вдоль оси от положения предварительной сборки, когда вал протектора полностью введен во внутренний конец и вал двигателя полностью введен в наружный конец узла муфты, для передачи крутящего момента от вала двигателя к валу протектора, и запирающий уплотнитель для текучей среды протектора, прикрепленный к корпусу протектора и герметично соединенный с наружной цилиндрической частью (по наружному диаметру) узла муфты для формирования тем самым преграды для текучей среды между наружным цилиндром (диаметром) узла муфты и корпусом протектора, когда узел муфты находится в положении предварительной сборки, и удаления преграды для текучей среды с формированием пути движения потока между протектором и двигательной секцией, когда узел муфты сдвинут в собранное положение.
В другом частном варианте осуществления, раскрывается способ формирования электрической погружной насосной системы, в котором подготавливают протектор, имеющий корпус протектора и вал протектора, подготавливают двигательную секцию, имеющую корпус двигателя и вал двигателя, частично надвигают муфту на конец вала протектора и помещают муфту в положении предварительной сборки, устанавливают уплотнитель между муфтой и корпусом протектора для удержания текучей среды в корпусе протектора, вставляют конец вала двигателя в муфту с противоположной от вала протектора стороны, когда муфта находится в положении предварительной сборки, и валом двигателя проталкивают муфту дальше в корпус протектора для установки муфты в собранное положение и выведения уплотнителя из герметичного соединения с муфтой так, что корпус двигателя и корпус протектора сообщаются друг с другом.
Краткое описание чертежей
Были сформулированы некоторые признаки и преимущества настоящего раскрытия, а другие будут очевидны при знакомстве с описанием совместно с приложенными чертежами, на которых:
на фиг.1 представлен боковой вид сечения погружной насосной системы, находящейся в буровой скважине;
на фиг.2 представлен в разобранном виде с частичным разрезом вариант осуществления узла муфты для использования с электрической погружной насосной системой, в соответствии с настоящим раскрытием;
на фиг.3 представлен боковой вид сечения частичной сборки узла муфты, показанного на фиг.2;
на фиг.4 представлен боковой вид сечения собранного варианта узла муфты, показанного на фиг.2;
на фиг.5 представлен в разобранном виде с частичным разрезом альтернативный узел муфты;
на фиг.6 представлен боковой вид сечения собранного варианта альтернативного узла муфты.
Предложенные устройство и способ далее описаны применительно к предпочтительным вариантам осуществления, но не сводятся к ним. Напротив, предполагается охватить все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в существо и область притязаний настоящего раскрытия, определяемые приложенной формулой.
Подробное описание осуществления изобретения
Далее приводится более полное описание способа и системы настоящего раскрытия со ссылками на приложенные чертежи, на которых представлены варианты осуществления. Описанные способ и система могут иметь различные формы и не должны быть истолкованы как сводящиеся к показанным вариантам осуществления, представленным в настоящем описании; напротив, эти варианты осуществления представлены так, что данное раскрытие носит подробный и законченный характер и полностью представляет свой объем специалистам. По всему раскрытию одинаковые цифровые обозначения относятся к одинаковым элементам.
На фиг.1 представлен боковой вид с частичным разрезом примера погружной насосной системы (ЭПН) 8. В этом примере ЭПН система 8 расположена в буровой скважине 7, пересекающей подземный пласт 6. ЭПН система 8 включает двигательную секцию 36, имеющую внутри электродвигатель (не показан), приводящий в действие насос 15. Также имеется протектор 10, показанный прилегающим к двигательной секции 36. Возможна также установка газосепаратора 17, располагающегося между протектором 10 и насосом 15. Отверстия 19 для флюида проходят в корпусе газосепаратора 17, создавая проход, через который находящийся в скважине 7 флюид может попасть в ЭПН систему 8. Флюид, выходящий из насоса 15 на фиг.1, прокачивается сквозь насосно-компрессорную колонну 9, показанную присоединенной к насосу 15. Прокачиваемый флюид может быть направлен внутри насосно-компрессорной колонны 9 к расположенной на поверхности фонтанной арматуре 5.
Сборка ЭПН системы включает соединение валов внутри прилегающих компонентов ЭПН системы. На фиг.2 представлены в разобранном виде с частичным разрезом соответствующие стыкующиеся части протектора 10 и двигательной секции 36, сдвинутые для соединительной стыковки полой муфтой 24. Шаг соединения включает введение муфты 24 и переходной шайбы 50 между протектором 10 и двигательной секцией 36. Как показано на фиг.2, протектор 10 включает корпус 12 с валом 14 протектора, коаксиально расположенным в корпусе 12. Нижний конец вала 14 протектора выступает из корпуса 12 протектора, а верхний конец вала 14 протектора соединен с валом насоса (не показан), которым приводится в действие насос 15 (фиг.1). Фланец 16 показан выступающим по радиусу наружу от наружной поверхности корпуса 12 на его нижнем конце. Во фланце 16 сформированы отверстия 18 под болты, проходящие в целом параллельно с осью Ах муфты 24. Болты (не показаны) могут быть введены сквозь отверстия 18 для болтов для прикрепления протектора 10 к двигательной секции 36. В нижней части кольцевой формы корпуса 12 протектора показана введенная в ее раскрыв 20 муфта 24. На наружной поверхности корпуса 12, в области между фланцем 16 и раскрывом 20 показаны уплотнители 21. Показанная муфта 24 имеет в целом цилиндрический корпус 26 с отверстием 28 вокруг ее оси Ах. По наружной окружности отверстия 28 находятся внутренние шлицы, контур которых обеспечивает их зацепление и стыковку с соответствующими внешними шлицами на валу 14 протектора. Вверх от двигателя 36 выступает вал 40 двигателя с внешними шлицами на наружной поверхности его верхнего конца, форма которых обеспечивает их сцепление с внутренними шлицами в отверстии 28. Прохождению потока внутри муфты 24 соединения валов препятствует преграда 34 для потока, герметично установленная в отверстии 28. На наружной поверхности преграды 34 для потока расположен уплотнитель 33. В показанном варианте осуществления преграда 34 для потока включает обратный клапан 35, но в качестве преграды 34 для потока может быть использовано любое устройство, которое герметично устанавливается внутри отверстия 28 для прерывания сообщения сквозь муфту 24 соединения валов. В альтернативном варианте, для блокировки потока сквозь муфту 24 соединения валов может быть использована диафрагма, расположенная в отверстии 28 поперек оси Ах.
Наружная поверхность корпуса 26 сужается вблизи ее нижнего конца, образуя уступ 27 на корпусе 26, показанный со стороны преграды 34 для потока, противоположной валу 14 протектора. На наружной поверхности корпуса 26, примерно посередине, имеется окружающий его паз 30. В паз 30 установлено стопорное кольцо 32. Как будет более подробно показано далее, муфта 24 может надеваться на вал 14 протектора под действием силы, приложенной вдоль оси к стопорному кольцу 32.
Переходная шайба 50, показанная между муфтой 24 и двигательной секцией 36, в целом представляет собой дискообразный элемент, по оси которого имеется отверстие 51. Верхняя полость 54 в переходной шайбе 50 окружает отверстие 51 и обращена к муфте 24. Переходная шайба 50 включает радиальный фланец 53 по своей наружной поверхности со стороны, обращенной к протектору 10. Во фланце 53 имеются проходящие вдоль оси отверстия 52 для болтов, прилегающие к верхней полости 54. Верхняя полость 54 образует верхний раскрыв 56 на переходной шайбе 50. Соответствующая нижняя полость 57 сформирована на нижней поверхности переходной шайбы 50, образуя нижний раскрыв 58. На наружной поверхности части переходной шайбы 50, окружающей нижнюю полость 57 и отверстие 51, имеются уплотнители 59.
Кольцевой уплотнительный узел 60, показанный расположенным в нижнем раскрытии 58, включает кольцеобразное основание 62, установленное на тугой посадке в полость 57 коаксиально с ней. Упругий уплотнитель 64 показан прикрепленным к основанию 62 по его внутреннему контуру. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, основание 62 имеет L-образное поперечное сечение, в котором вытянутая часть L прилегает к стенке полости 57, а более короткая и расположенная горизонтально часть L выступает по радиусу внутрь от стенки полости 57. Упругий уплотнитель 64 выступает по радиусу внутрь от основания 62 к оси переходной шайбы 50. В одном варианте осуществления, основание 62 состоит из металла или металлического материала, а упругий уплотнитель 64 может быть сформирован из эластомера или эластомерного материала, например силикона или резины.
Как показано на фиг.2, корпус 38 заключает в себе компоненты двигательной секции 36, включая часть вала 40 двигателя. Отверстия 44 под болты, проходящие вдоль оси в корпус 38, могут быть использованы для прикрепления посредством крепежных элементов к секции 10 протектора. В варианте выполнения, вместо крепежных элементов могут быть использованы резьбовые штуцера. В верхнем конце корпуса 38 имеется цилиндрический раскрыв 42 корпуса, сквозь который вверх выступает вал 40 двигателя.
На фиг.3 представлен фрагмент бокового вида сечения, иллюстрирующий шаг сборки протектора 10 и двигательной секции 36. Муфта 24 показана вставленной в корпус 12 протектора, и своим верхним концом она захватывает вал 14 протектора. Переходная шайба 50 установлена коаксиально с нижним концом протектора 10, ее фланец 53 расположен вплотную к фланцу 16 протектора, а отверстия 18 протектора для болтов совмещены с отверстиями 52 для болтов переходной шайбы. При таком совмещении, нижний конец муфты 24 выступает наружу из раскрыва 20 протектора и проходит внутри отверстия 51 переходной шайбы 50. Вся переходная шайба 50 сдвинута за уступ 27 так, что она находится между уступом 27 и пазом 30. В такой конфигурации, упругий уплотнитель 64 внутри уплотнительного узла 60 охватывает по внешней окружности муфту 24, соприкасаясь с ней. Кроме того, уплотнители 21 плотно прилегают к части стопорного кольца 32, определяющей внешнюю границу верхней полости 54.
Как показано, упругий уплотнитель 64 охватывает муфту 24 в области, расположенной вдоль ее оси Ах между уступом 27 и пазом 30. Контакт между упругим уплотнителем 64 и наружной поверхностью муфты 24 образует герметизирующую границу раздела вдоль всей наружной окружности муфты 24. Герметизирующая граница раздела предотвращает вытекание текучей среды из протектора 10 и вокруг муфты 24. Видно, что уплотнители на преграде 34 для потока выступают между отверстием 28 муфты и преградой 34 для потока, препятствуя прохождению текучей среды сквозь муфту 24. Муфта 24 удерживается внутри протектора 10 за счет посадки с натягом стопорного кольца 32 на переходную шайбу 50. В варианте выполнения, может быть установлено второе стопорное кольцо (не показано) на муфте 24 между переходной шайбой 50 и уступом 27, предотвращающее сползание муфты 24 сквозь переходную шайбу 50. Второе стопорное кольцо может быть удалено, когда переходная шайба 50 устанавливается на протектор 10.
Как показано на фрагменте бокового вида сечения на фиг.4, сборка ЭПН 8 продолжается соединением протектора 10 с двигательной секцией 36. Здесь вал 40 насоса вставляется в отверстие 28, что толкает муфту 24 в протектор 10. Продолжающимся нажимом можно сдвинуть уступ 27 за пределы уплотнительного узла 60. Уплотнительный узел 60 уже не образовывает герметичного соединения с муфтой 24, вследствие чего исчезает преграда для текучей среды на нижнем конце протектора 10 и открывается сообщение между протектором 10 и двигателем 36. Уплотнительный узел 60 перестает обеспечивать уплотнение только после того, как нижний конец протектора 10 вставляется в полость в верхнем конце двигательной секции 36. Без герметизирующей границы раздела между уплотнительным узлом 60 и муфтой 24 открывается прямой путь для текучей среды и передачи давления от двигательной секции 36 через стопорное кольцо 32 и вдоль кольцевого канала 29 в пространство между муфтой 24 и корпусом 12 протектора. Описанный здесь узел муфты предотвращает утечку текучей среды из протектора 10 до сборки ЭПН 8, но создаваемое им препятствие полностью устраняется в процессе сборки, обеспечивая передачу давления между протектором 10 и двигательной секцией 36. Помимо предотвращения утечки текучей среды из протектора 10, уплотнительный узел также предотвращает проникновение воздуха в протектор 10.
На фиг.5 представлен альтернативный вариант осуществления узла муфты, в котором запирающая шайба 80 двигательной секции соединена с двигательной секцией 36. В данном случае, протектор 10 и двигательная секции 36 имеют во время сборки горизонтальную ориентацию. Переходная шайба 50, описанная выше, показана прикрепленной к протектору 10 и имеет герметичный контакт с муфтой 24, тем самым изолируя текучую среду внутри протектора 10. При горизонтальной сборке ЭПН 8, присоединением запирающей шайбы 80 двигательной секции к двигательной секции 36 можно изолировать текучую среду в двигательной секции 36.
В частности, запирающая шайба 80 двигательной секции в показанном варианте осуществления представляет собой кольцевой элемент с коаксиальным отверстием 81. Запирающая шайба 80 включает наружную полость 84, сформированную со стороны, обращенной к протектору 10. Наружная полость 84 имеет раскрыв 85 с наружной стороны переходной (запирающей) шайбы 80. Также имеется фланец 83, окружающий верхнюю камеру 84, в котором сформированы сквозные отверстия 82 под болты, в целом проходящие вдоль оси Ax муфты 24. Отверстия 82 под болты показаны совмещенными с отверстиями 44 под болты в двигательной секции 36. Переходная шайба 80 включает внутреннюю полость 86, показанную обращенной в противоположную от двигательной секции 36 сторону, и расположенную, по существу, коаксиально оси Ax муфты 24. Средняя полость 87 расположена в переходной шайбе 80 между наружной и внутренней полостями 84, 86 и окружает отверстие 81. Уплотнитель 88 окружает часть переходной шайбы 80, охватывающую внутреннюю и среднюю полости 86, 87, выступая по радиусу наружу и образуя герметичный контакт с раскрывом 42 корпуса двигателя. Внутри полости 86 показана манжета 89 для создания уплотнения между переходной шайбой 80 и внешним элементом 72.
Кольцевой уплотнительный узел 70 показан расположенным коаксиально оси Ax в кольцевом пространстве между средней полостью 87 и наружной цилиндрической поверхностью вала. Уплотнительный узел 70, показанный на фиг.5, проходит в наружную и внутреннюю полости 84, 86. В показанном варианте осуществления, уплотнительный узел 70 включает кольцевой внешний элемент 72, наружная поверхность которого соприкасается со средней полостью 87. Уплотнительный узел 70 на фиг.5 также включает кольцевой внутренний элемент 74, занимающий пространство между внешним элементом 72 и наружной поверхностью вала 40 двигателя. Герметизирующая граница раздела формируется между внутренним элементом 74 и валом 40 двигателя. В одном варианте осуществления, внешний элемент 72 сформирован из металла или металлического материала, а внутренний элемент 74 включает эластомер или иной эластичный гибкий материал. Во внутреннем элементе 74 сформирован проход, сопряженный со шлицами на валу 40, благодаря чему образуется уплотняющее соединение с валом 40. Таким образом, прикреплением запирающей шайбы 80, как показано на чертеже, предотвращается вытекание текучей среды из двигательной секции 36.
На фиг.6 представлен в собранном виде вариант осуществления, показанный на фиг.5. При соединении протектора 10 с двигательной секцией 36, нижний конец муфты 24 касается уплотнительного узла 70 и толкает его из средней полости 87 в полость 86 большего диаметра. Внутренний диаметр внутренней полости 86 превосходит наружный диаметр уплотнительного узла 70, поэтому между ними образуется кольцевое пространство, сквозь которое может протекать текучая среда в двигательную секцию 36. Таким образом, при проталкивании уплотнительного узла 70 во внутреннюю полость 86 устраняется преграда для потока текучей среды в переходной шайбе 80 двигательной секции, в результате чего становится возможным протекание текучей среды из двигательной секции 36. Как отмечалось выше, преграда для потока между узлом манжеты 60 и муфтой 24 также удаляется при соединении протектора 10 с двигательной секцией 36. Этим открывается сообщение между двигательной секцией 36 и протектором 10 при стыковке двух секций.
Хотя изобретение было представлено только одной из своих форм, для специалиста должно быть очевидно, что оно только этой формой не ограничено, но может иметь многочисленные изменения без отступления от области притязаний изобретения. Например, вместо присоединения протектора к двигательной секции, нижняя секция может включать присоединение протектора к нижнему двойному протектору.