ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ, УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ С ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТОЙ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ELECTRIC CABLE, THERMAL PROTECTOR FOR SUBMERSIBLE MOTOR, ELECTRIC-CENTRIFUGAL PUMP UNIT FOR OIL WELL WITH THERMAL PROTECTOR FOR SUBMERSIBLE MOTOR AND METHOD FOR THERMAL PROTECTION OF SUBMERSIBLE MOTOR IN ELECTRIC-CENTRIFUGAL PUMP UNIT

Область техники
3
3
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для добычи нефти посредством установок электроцентробежных насосов из глубоких и сверхглубоких скважинах с глубиной до 3 тыс. метров по вертикали и большим газосодержанием (до 250-500 м/м).
Уровень техники
3
3
Установка электроцентробежного насоса для глубоких и сверхглубоких скважин (с глубиной до 3 тыс. метров по вертикали) и большим содержанием газа в скважинной жидкости (до 250-500 м/м) располагается в эксплуатационной колонне нефтяной скважины и состоит из сопряженных друг с другом погружного электродвигателя, гидрозащиты, с приемными отверстиями, насоса, колонны насосно-компрессорных труб и электрического кабеля, обеспечивающего питанием электротоком погружной электродвигатель через токоввод (или через штекер - место присоединения питающего кабеля с обмотками электродвигателя).
При запуске установки электроцентробежного насоса в работу вначале происходит снижение (падение) динамического уровня жидкости в скважине. При этом жидкость в приемные отверстия насоса поступает сверху. Движение жидкости возле погружного электродвигателя при запуске установки в работу отсутствует. В этот период, около 30 минут, происходит некоторое повышение температуры погружного электродвигателя, но из-за контактного теплообмена между корпусом погружного электродвигателя и эксплуатационной колонной нефтяной скважины температура погружного электродвигателя не повышается более чем до 80-100°С.
Далее начинает «работать» продуктивный пласт, к установке электроцентробежного насоса начинает поступать пластовая жидкость, и температура погружного электродвигателя снижается до 50-65°С.
В процессе эксплуатации скважины пространство между приемными отверстиями насоса и динамическим уровнем постепенно замещается чистой нефтью [1. Гареев А.А. Расчет коэффициента сепарации газа на приеме насоса. Нефтяное хозяйство, 2013. №3, стр. 82-85].
По мере снижения динамического уровня жидкости в скважине давление на приеме насоса падает и становится меньше давления насыщения растворенных в нефти попутных газов, что согласно законам подземной гидравлики приводит к выделению из нефти попутного газа [2. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. Изд-во «Нефть и Газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003, стр. 424, 476].
При выделении из нефти попутного газа в установку электроцентробежного насоса начинает поступать газированная жидкость, КПД установки падает и насос начинает нагреваться [3. Гареев А.А. О значении температурного режима в установках электроцентробежных насосов. Ж-л «Оборудование и технологии для нефтепромыслового комплекса», 2009, №1; 4. Гареев А.А. О температурном режиме и явлении теплового удара в электроцентробежном насосе. - Нефтяное хозяйство, 2011, №3, стр. 122-126; 5. Дроздов А.Н. Разработка, исследование и результаты промышленного использования погружных насосно-эжекторных систем для добычи нефти. - Дис. докт. техн. наук. - М., 1998; 6. Дроздов А.Н. Влияние свободного газа на характеристику глубинных насосов. - Нефтяное хозяйство, 2003, №1].
Из-за нагрева насоса происходит постоянный нагрев слоев нефти, окружающих насос, что приводит к постоянному выделению на поверхности насоса газовых пузырей (из-за пропорциональной зависимости давления насыщения от температуры нефти).
Так как попутный газ имеет в десятки раз меньшую теплопроводность чем скважинная жидкость, то в окруженном газовыми пузырями насосе, находящемся как бы в «термостате», количество тепла увеличивается, и насос может нагреваться до температур 300°С и более, в результате контактного теплообмена поток тепла корпуса насоса передается в кабельный удлинитель (прилегающую к корпусу насоса часть кабельной линии).
Чрезмерный перегрев насоса приводит к разогреву примыкающего к корпусу насоса питающего кабеля, затем по кабельной линии - к перегреву токоввода и выходу из строя погружного электродвигателя на месте токоввода [7. Гареев А.А. О температурном режиме и явлении «теплового удара» в электроцентробежном насосе. - Нефтяное хозяйство, 2011, №3, стр. 122-126].
Производители установок электроцентробежных насосов не учитывают распространения и проникновения потока тепла по жилам и свинцовой (металлической) броне питающего кабеля в погружной электродвигатель - данный процесс просто игнорируется [7. Гареев А.А. О температурном режиме и явлении «теплового удара» в электроцентробежном насосе. - Ж-л «Нефтяное хозяйство», 2011, №3, стр. 122-126].
Для защиты от влияния потока тепла со стороны насоса питающий электрический кабель изготавливают из температуропрочного материала с рабочей температурой 230°С и оснащают свинцовой броней для рассеивания тепла в окружающие насос слои жидкости. При этом не учитываются процесс распространения тепла по свинцовой броне и медным жилам в сторону токоввода и влияние высокой температуры на состояние токоввода.
Рабочая температура погружного электродвигателя 130°С.
Максимально допустимая температура погружного электродвигателя определяется температурой расплавления припоя - не более 180°С.
При проникновении в токоввод потока тепла с температурой более 180°С припаянные концы обмоток электродвигателя в токовводе распаиваются (разрушаются), наступает режим короткого замыкания и электродвигатель установки электроцентробежного насоса выходит из строя.
В связи с этим актуальна задача тепловой защиты токоввода погружного электродвигателя в установке электроцентробежного насоса для увеличения межремонтного периода ее эксплуатации путем защиты погружного электродвигателя от потока тепла, идущего из корпуса насоса по электрическому кабелю.
Известна насосная установка для подъема жидкости из скважины, содержащая насосно-компрессорные трубы, глубинный насос, погружной электродвигатель, на корпусе которого установлена трубка с отверстиями, при этом один конец трубки сообщен с «выкидом» насоса, а другой - заглушен [8. SU 688607, Е21В 43/00, 1979].
Недостатком данной установки является малоэффективное охлаждение погружного электродвигателя, а именно токоввода, игнорирование процесса проникновения тепла в токоввод, которое осуществляется за счет турбулизации пластовой жидкости в зоне подвески электродвигателя струйками жидкости с «выкида» насоса, впрыскиваемыми через отверстия в трубке и имеющими после прохождения через насос перегрев на 17-20°С относительно начальной температуры пластовой жидкости. Вследствие этого эффект от турбулизации не может быть значительным, так как теплоотдача происходит от корпуса электродвигателя к жидкости с повышенной температурой - смеси пластовой жидкости и перегретой жидкости с выкида насоса. Недостатком установки является также пониженный КПД, так как на охлаждение корпуса электродвигателя расходуется часть откачанной жидкости, возвращаемой с выкида насоса обратно в зону подвески электродвигателя, которая из-за стесненных условий в пространстве между корпусом двигателя и внутренней стенкой эксплуатационной колонны не достигает погружного электродвигателя.
Известна скважинная насосная установка, включающая насос, приводной двигатель, имеющий корпус, прижимные элементы, служащие для его эксцентричного размещения в обсадной колонне скважины. На корпусе электродвигателя со стороны, противоположной расположению прижимных элементов, закреплен накладной элемент из материала с высокой теплопроводностью сплошного поперечного сечения, внутренний контур которого выполнен охватывающим часть периметра корпуса электродвигателя, а наружный образован частью окружности с радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны скважины в месте размещения электродвигателя [9. SU 1710847, Е21В 47/00, 1992].
Основным недостатком данной насосной установки является низкая эксплуатационная надежность из-за невозможности эффективного охлаждения токоввода электродвигателя. Это обусловлено тем, что конструкция не обеспечивает удовлетворительного теплового контакта накладного элемента с обсадной колонной, например, из-за загрязненности их поверхностей. Наличие вследствие этого высоких термических сопротивлений в контактных зонах ухудшает отвод тепла от двигателя к колонне, что, в конечном итоге, приводит к выходу электродвигателя из строя из-за перегрева и к снижению ресурса работы скважинной установки в целом. При этом процесс влияния высокой температуры на токоввод двигателя просто игнорируется.
Известна скважинная насосная установка, которая содержит насос, приводной электродвигатель и теплопроводящий элемент, взаимодействующий с электродвигателем, для отвода тепла. Для повышения надежности работы скважинной насосной установки за счет интенсификации охлаждения погружного электродвигателя установка снабжена маслозаполненной камерой, которая присоединена к основанию электродвигателя и сообщается с ним через установленную в ней центральную трубу и радиальный зазор между трубой и стенкой камеры. Теплопроводящий элемент выполнен в виде набора тепловых труб в форме дисков с аксиальным отверстием, охватывающим внутренним контуром маслонаполненную камеру. Наружный диаметр маслонаполненной камеры меньше диаметра электродвигателя, а наружный диаметр тепловых труб не превышает диаметра электродвигателя [10. RU 2298694 F04D 13/10 F04D 29/58, опубл. 10.05.2007].
Недостатками данной установки является сложность и громоздкость конструкции.
Известен погружной насосный агрегат с системой принудительного охлаждения приводного погружного маслонаполненного электродвигателя. Для повышения надежности работы насосного агрегата за счет эффективной работы системы охлаждения приводного двигателя принудительного охлаждения в момент вывода скважины на режим погружной насосный агрегат содержит насос, газосепаратор и приводной электродвигатель, размещенный в кожухе принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности. Центробежный газосепаратор снабжен дополнительным шнековым узлом после сепарирующего узла (по ходу движения жидкости), причем входная часть газосепараторного канала для отвода газожидкостной смеси образована полостью с дополнительным шнековым узлом. Конструкция кожуха выполнена с возможностью обеспечения протока жидкости, откачиваемой из межтрубного пространства, через боковые отверстия кожуха к входным отверстиям газосепаратора [11. RU 2293217, F04D 13/10 F04D 29/58, опубл. 10.02.2007].
Недостатком данного агрегата является низкая эффективность центробежного газосепаратора и низкая скорость подачи газа в затрубное пространство, так как известно, что коэффициент сепарации составляет не более 15% [12. Гареев А.А. Расчет коэффициента сепарации газа на приеме насоса. Нефтяное хозяйство, 2013, №3, стр. 82-85]. Существенным недостатком данного агрегата является отсутствие тепловой защиты токоввода, поэтому данный способ охлаждения двигателя не находит практического применения.
Известен погружной электронасос, содержащий охлаждаемый перекачиваемой жидкостью приводной погружной электродвигатель, насосный узел, кожух принудительного охлаждения (охладительная емкость) с отверстиями на его боковых и торцевых поверхностях, электродвигатель, размещенный внутри кожуха. При эксплуатации электронасоса откачиваемая жидкость через входные отверстия кожуха принудительного охлаждения поднимается к верхней части кожуха, омывает поверхность электродвигателя и охлаждает его. Одна из основных причин перегрева погружного электродвигателя и выхода его из строя в такой конструкции (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 - насос «принимает сверху» [13. RU 2136970 С1 (АНК Башнефть), 10.09.1999] и движение жидкости возле двигателя отсутствует [1]. Данный способ совершенно игнорирует тепловое состояние токоввода и на практике не влияет на межремонтный период установки электроцентробежного насоса.
Известна погружная электроцентробежная насосная установка с погружными центробежными электронасосами, которая для повышения межремонтного периода работы оборудования путем более эффективного охлаждения всех нагревающихся частей погружной электроцентробежной насосной установки восходящим потоком жидкости содержит электродвигатель, охлаждаемый перекачиваемой жидкостью, центробежный насос с приемной сеткой и полностью размещен внутри кожуха с кольцевым зазором. К кожуху снизу последовательно прикреплены клапанный узел, каркасно-проволочный фильтр и накопитель. Кожух сверху прикреплен к колонне насосно-компрессорных труб. Каркасно-проволочный фильтр представлен несущим стержнем, трубным каркасом и оболочкой фильтра, причем трубный каркас имеет продольные щели, а на его наружной поверхности нарезана треугольная резьба. Оболочка фильтра выполнена из проволоки треугольного профиля, между витками которой имеются щели, расширяющиеся внутрь конструкции. Изобретение направлено на повышение межремонтного периода работы оборудования, более эффективное охлаждение всех нагревающихся частей погружной электроцентробежной насосной установки восходящим потоком жидкости, который подвергается перед этим предварительной очистке [14. RU 2382237, F04D 13/10 F04D 29/58 F04D 29/70, опубл. 20.02.2010].
В данных скважинных насосных установках интенсифицируется процесс охлаждения погружного электродвигателя, но увеличивается сложность изготовления установки и ее габаритные размеры, а также не предотвращается возможность перегрева электродвигателя в токовводе через медные жилы и свинцовую броню кабельного удлинителя.
Кроме этого, кожух со временем заполняется газом и перестает работать как охлаждающий насос узел из-за крайне низкого значения коэффициента теплопроводности попутного газа.
Известен скважинный кабель с теплопроводящими полимерными композитами для передачи электричества в погружных насосах. Для защиты от перегрева кабеля вокруг проводников предлагается использовать многослойный изолятор с повышенной теплопроводностью, благодаря использованию слоев из керамических материалов, которые обеспечивают улучшенное рассеяние тепла [15. US 8143523 В2, Н01В 3/44; Н01В 7/00, опубл. 27.05.2012].
Недостатком метода является необходимость создания и использования композитных материалов с заданными свойствами и последующее формирование изоляционной оболочки вокруг защищаемых проводников. Однако из-за постоянного окружения как насоса, так и кабельного удлинителя слоем газа, в данном случае происходит разогрев медных жил и теплопроводящих полимерных композитов кабельного удлинителя, что увеличивает тепловой поток в сторону токоввода и приводит к ускоренному расплавлению припоев на токовводе.
Известен питающий кабель для высокотемпературных сред, в котором для обеспечения работы кабеля при высоких температурах предлагается использовать металлическую оболочку вокруг каждого проводника с изоляционным покрытием [16. US 8113273 В2, Е21В 43/00; F04B 17/03; Н01В 3/44; Н01В 9/02, опубл. 14.02.2012].
Недостатком данной тепловой защиты кабеля является необходимость дополнительных технологических операций для защиты кабеля из проводников с изоляционным покрытием, а также использование по всей длине кабеля дополнительного материала (например, нержавеющую или углеродистую сталь, монель-металл и др.). Однако при этом увеличиваются скорость транспортировки тепла в токоввод электродвигателя и выход из строя электродвигателя из-за расплавления припоя на обмотках.
Известен протектор для защиты силового кабеля в скважине от механических повреждений, содержащий корпус, выполненный как одно целое с кабельным каналом и с центральным каналом с размером под наружный диаметр насосно-компрессорной трубы для фиксации корпуса протектора на муфтовом соединении. Один конец откидных дугообразных зажимных скоб выполнен с петлеобразным концом с возможностью вращения на оси, которая проходит через петлеобразную скобу. Второй конец крепится посредством болта к корпусу. Корпус протектора выполнен штамповкой, оснащен двумя направляющими ребрами усилителями пазов и оградительными ребрами пазов. Также оснащен направляющими элементами входа и выхода кабеля из кабельного канала корпуса, с помощью которых устанавливается необходимый зазор b между насосно-компрессорной трубой в зависимости от толщины применяемого кабеля. Откидные дугообразные зажимные скобы выполнены двухслойными, а концы скоб крепятся друг к другу посредством Т-образного соединения с внутренней стороны и направлены в сторону насосно-компрессорной трубы. Крепежный болт оснащен защитным чехлом. Корпус протектора выполнен литьем, оснащен четырьмя направляющими ребрами и оградительными ребрами пазов, а также направляющими элементами входа и выхода кабеля из кабельного канала корпуса [17. RU 2498041 Е21В 17/10, опубл. 10.11.2013]. При этом протектор, выполненный из металла с хорошей теплопроводностью, только способствует проникновению потока тепла в токоввод и быстрейшему отказу двигателя из-за расплавления припоя на обмотках.
Известен протектор для защиты силового кабеля в скважине для защиты силового кабеля насоса от механических повреждений в процессе спуска-подъема подвески насосно-компрессорных труб в вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважинах, который содержит корпус, выполненный как одно целое с кабельным каналом и с центральным каналом с размером под наружный диаметр насосно-компрессорной трубы, откидные дугообразные зажимные скобы, один конец которых выполнен с петлеобразным концом с возможностью вращения на оси, которая проходит через петлеобразную скобу. Корпус протектора с двух сторон оснащен пазами с замкнутыми контурами. С одной стороны в пазах закреплены петли, которые посредством оси сопрягаются с петлеобразными скобами. Противоположные замковые пазы выполнены с отогнутыми лепестками корпуса со стороны оси протектора и направлены в сторону кабельного канала. Вторые концы дугообразных зажимных скоб имеют пазы и выполнены U-образной формы, которые в собранном виде протектора входят в зацепление с замковыми пазами и фиксируются от возможного разъединения отогнутыми лепестками корпуса. Упрощается конструкция, уменьшается время сборки, разборки [18. RU 2432448 Е21В 17/10, опубл. 27.10.2011].
Данный способ применяется для защиты от механического повреждения и не устраняет контактный теплообмен кабельного удлинителя и корпуса разогретого насоса.
Известен протектор для защиты силового кабеля в скважине, характеризующийся тем, что содержит корпус с зажимными полухомутами, которые с одной стороны шарнирно соединены с корпусом, кабельный канал, образованный внутри корпуса, при этом другая сторона полухомутов соединена с корпусом посредством крепежных соединений, а в корпусе и/или в хомутах протектора выполнены отверстия. С одной из внешних сторон полухомута выполнен скошенный выступ, в кабельном канале расположен фиксирующий элемент, выполненный с возможностью прижима к нему силового кабеля, фиксирующий элемент представляет собой пластинчатую пружину, а корпус и полухомуты выполнены из низкоуглеродистой стали методом литья [19. RU 94621 Е21В 17/10, опубл. 27.05.2010].
Данный способ не гарантирует деформирования кабельной линии при спуско-подъемных операциях и предотвращения контактного теплообмена между кабельным удлинителем и разогретым корпусом насоса.
Известно устройство защиты силового кабеля в скважине, содержащее корпус в виде втулки, охватывающей муфту насосно-компрессорных труб (НКТ), на наружной поверхности которого выполнены пазы для укладки силового кабеля, и элементы крепления корпуса к муфте НКТ, отличающееся тем, что корпус устройства составлен из двух частей (левого и правого полукорпусов), каждый из которых имеет вид скоб, с образованием в полости корпуса двух упоров, расстояние между которыми в сборке равно длине муфты, при этом на внешних поверхностях левого и правого полукорпусов выполнены ребра, образующие в сборке единый паз с глубиной, превышающей толщину кабеля, для укладки кабеля с гарантированным зазором и исключения возможности относительного вращательного смещения полукорпусов на смежных торцах ребер образован зацеп, выполненный в виде кольцевой проточки и кольцевого выступа в ребрах левого и правого полукорпусов, а противоположные торцы ребер выполнены со скосом [20. RU 62645 Е21В 17/10, опубл. 27.04.2007].
Известные из уровня техники протекторы для защиты силового электрического кабеля в скважине обеспечивают его защиту только от механических повреждений, но не защищают его от перегрева от корпуса погружного насоса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) является разработанное ранее автором устройство, исключающее перегрев питающего электрического кабеля установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) от корпуса первой секции насоса УЭЦН, состоящее из теплоизоляционных накладок в форме параллелепипеда определенной толщины, зависящей от типоразмеров УЭЦН, имеющих выемки цилиндрической формы с противоположных граней параллелепипеда, одну радиусом не менее радиуса наружной цилиндрической поверхности насоса УЭЦН для плотного прилегания к наружной цилиндрической поверхности насоса УЭЦН, другую в форме и размерах поперечного сечения питающего кабеля УЭЦН для укладки питающего кабеля УЭЦН, исключающего его перемещение в плоскости, перпендикулярной длине накладок, и крепежных поясов, предназначенных для крепления питающего кабеля УЭЦН вместе с накладками к наружной цилиндрической поверхности насоса УЭЦН [21. RU 91390 F04D 29/58, опубл. 10.02.2010 (прототип)].
Недостатками устройства-прототипа является возможность выпадения теплоизолирующих накладок при эксплуатации устройства в скважине, возможность соприкосновения кабельной линии с корпусом насоса в местах отсутствия теплоизолирующих накладок при деформации кабеля, необходимость наличия большого количества теплоизолирующих накладок и большая площадь соприкосновения накладок с корпусом насоса, что в конечном итоге приводит к передаче тепла по медным жилам кабеля в погружной электродвигатель, обуславливает разогрев мест припоя медных жил статора и при превышении температуры плавления припоя нарушение электропроводности в электродвигателе и выход из строя всей установки электроцентробежного насоса.
Общими недостатками известных из уровня техники устройств защиты силового электрического кабеля является игнорирование «выработки тепла» в насосах и особенностей распространения тепла в электрическом кабеле и в узлах установки электроцентробежного насоса, особенностей заполнения скважинного пространства скважинной жидкостью от приема насоса до слоя чистой нефтью, зависимости газосодержания от давления на приеме насоса, зависимости давления насыщения скважинной жидкости газом от температуры, а также нетехнологичность монтажа и эксплуатации и самое главное - пренебрежение законами теплотехники и теплопередачи при образовании, распространении и проникновении тепла по кабельной линии в токоввод погружного электродвигателя.
Задача и технический результат
Задачей и техническим результатом изобретения является предотвращение перегрева электрического кабеля и тепловая защита погружного электродвигателя путем предотвращения перегрева электрического кабеля погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса от теплового потока, идущего по питающему электрическому кабелю, проходящему вдоль корпуса насоса, который нагревается при перекачке электроцентробежным насосом сильно газированных жидкостей, и в конечном итоге увеличение межремонтного периода эксплуатации установки электроцентробежного насоса, повышение эффективности функционирования установки электроцентробежного насоса и сокращение потери добычи нефти при ее добыче из глубоких и сверхглубоких скважин.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что электрический кабель для погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины, содержащей сопряженные друг с другом электроцентробежный насос и погружной электродвигатель с прилегающим к корпусу насоса электрическим кабелем, согласно изобретению содержит прикрепленные к нему опоры, выполненные с возможностью фиксации положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем и с возможностью циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем.
При этом в различных возможных вариантах конструктивного исполнения электрического кабеля для погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины:
опоры выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла;
опоры с расположенной к корпусу насоса стороны покрыты теплоизоляционным или теплоотражающим материалом;
концы опор в местах их соприкосновения с корпусом насоса выполнены с возможностью соприкосновения малой площадью с корпусом насоса;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством припайки, приварки, прикручивания или приклеивания опор к оболочке электрического кабеля;
опоры выполнены расположенными по углам прикрепленной к оболочке электрического кабеля по крайней мере одной пластины и изготовленными в виде отогнутых углов пластины;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью крепления скобы к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, выполненной из ударопрочного коррозионно-стойкого материала, например, из нержавеющей стали, нержавеющих сплавов, термостойких и ударопрочных пластмасс или композиционных материалов;
опоры выполнены из ударопрочного, коррозионно-стойкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла;
опоры изготовлены в виде отогнутых частей по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью ее прикрепления к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы или
опоры изготовлены в виде вырезанных и отогнутых прямоугольных, округлых или остроугольных частей по крайней мере одной скобы с образованием опор прямоугольной, округлой или остроконечной формы, направленных концами к корпусу насоса с малой площадью соприкосновения опор с корпусом насоса.
Поставленная задача решается и технический результат достигается также тем, что в устройстве тепловой защиты погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины, содержащей сопряженные друг с другом электроцентробежный насос и погружной электродвигатель с прилегающим к корпусу насоса электрическим кабелем, согласно изобретению изготовлено в виде расположенных между корпусом насоса и электрическим кабелем опор, выполненных с возможностью фиксации положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем и с обеспечением возможности циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем.
При этом в различных возможных вариантах конструктивного исполнения устройства тепловой защиты погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины:
опоры выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла;
опоры с расположенной к корпусу насоса стороны покрыты теплоизоляционным или теплоотражающим материалом;
концы опор в местах их соприкосновения с корпусом насоса выполнены с возможностью соприкосновения малой площадью с корпусом насоса;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством припайки, приварки, прикручивания или приклеивания опор к оболочке электрического кабеля;
опоры выполнены расположенными по углам прикрепленной к оболочке электрического кабеля по крайней мере одной пластины и изготовлены в виде отогнутых углов пластины;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью крепления скобы к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, выполненной из ударопрочного коррозионно-стойкого материала, например, из нержавеющей стали, нержавеющих сплавов, термостойких и ударопрочных пластмасс или композиционных материалов;
опоры изготовлены в виде отогнутых частей по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью ее прикрепления к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы;
опоры выполнены из ударопрочного, коррозионно-стойкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла или
прикрепленные к электрическому кабелю опоры изготовлены в виде вырезанных и отогнутых прямоугольных, округлых или остроугольных частей по крайней мере одной скобы с образованием опор прямоугольной, округлой или остроконечной формы, направленных концами к корпусу насоса с малой площадью соприкосновения опор с корпусом насоса.
Поставленная задача решается и технический результат достигается также тем, что установка электроцентробежного насоса для нефтяной скважины, содержащая сопряженные друг с другом электроцентробежный насос и погружной электродвигатель с прилегающим к корпусу насоса электрическим кабелем, согласно изобретению содержит устройство тепловой защиты погружного электродвигателя, изготовленное в виде расположенных между корпусом насоса и электрическим кабелем опор, выполненных с возможностью фиксации положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем и с обеспечением возможности циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем.
При этом в различных возможных вариантах конструктивного исполнения установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины опоры выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла;
опоры с расположенной к корпусу насоса стороны покрыты теплоизоляционным или теплоотражающим материалом;
концы опор в местах их соприкосновения с корпусом насоса выполнены с возможностью соприкосновения малой площадью с корпусом насоса;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством припайки, приварки, прикручивания или приклеивания опор к оболочке электрического кабеля;
опоры выполнены расположенными по углам прикрепленной к оболочке электрического кабеля по крайней мере одной пластины и изготовлены в виде отогнутых углов пластины;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью крепления скобы к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы;
опоры прикреплены к электрическому кабелю посредством по крайней мере одной скобы, выполненной из ударопрочного коррозионно-стойкого материала, например, из нержавеющей стали, нержавеющих сплавов, термостойких и ударопрочных пластмасс или композиционных материалов;
опоры изготовлены в виде отогнутых частей по крайней мере одной скобы, изготовленной с возможностью ее прикрепления к электрическому кабелю путем прижатия пластической деформацией краев скобы или путем соединения охватывающих электрический кабель краев скобы;
опоры выполнены из ударопрочного, коррозионно-стойкого материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из керамики, пластмассы, композиционного материала, фарфора или стекла;
опоры изготовлены в виде вырезанных и отогнутых прямоугольных, округлых или остроугольных частей по крайней мере одной скобы с образованием опор прямоугольной, округлой или остроконечной формы, направленных концами к корпусу насоса с малой площадью соприкосновения опор с корпусом насоса.
Поставленная задача решается и технический результат достигается также тем, что для реализации способа тепловой защиты погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины, содержащей насос, погружной электродвигатель с питающим кабелем и средством тепловой защиты погружного электродвигателя, согласно изобретению средство тепловой защиты погружного электродвигателя выполняют в виде расположенных между корпусом насоса и электрическим кабелем опор, выполненных с возможностью фиксации положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем и с обеспечением возможности циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем.
При этом используют электрический кабель описанной выше конструкции, используют устройство тепловой защиты погружного электродвигателя описанной выше конструкции или используют установку электроцентробежного насоса для нефтяной скважины описанной выше конструкции.
Краткое описание чертежей
В конструктивно предпочтительных, описанных в данной заявке, но не единственно обязательных вариантах показаны особенности конструктивного исполнения заявляемых устройств и способа.
На фиг. 1 представлен общий вид установки электроцентробежного насоса нефтяной скважины, на котором показаны погружной электродвигатель 1 с токовводом 10, гидрозащита 2, центробежный насос 3 с приемными отверстиями 8, колонна насосно-компрессорных труб 4, электрический кабель 5, металлические пояса 6 крепления электрического кабеля к насосно-компрессорным трубам 4 и центробежному насосу, средства тепловой защиты 7 с опорами 9.
На фиг. 2 показан вид А спереди на электрический кабель 5 со стороны центробежного насоса, на котором показаны средства тепловой защиты в виде прикрепленных к электрическому кабелю 5 скоб 7 с опорами 9.
На фиг. 3 - сечение вида А, где показаны электрический кабель 5 с медными жилами 11 и прикрепленные к электрическому кабелю 5 средства тепловой защиты в виде скоб 7 с опорами 9.
На фиг. 4 - вид сбоку на прикрепленное к электрическому кабелю 5 средство тепловой защиты в виде скобы 7 с опорами 9.
На фиг. 5 - вид сверху на средство тепловой защиты в виде скобы 7 с опорами 9.
На фиг. 6 - вид сбоку на средство тепловой защиты в виде скобы 7 с опорами 9.
На фиг. 7 - сечение электрического кабеля 5 с медными жилами 11 и прикрепленные к электрическому кабелю 5 средства тепловой защиты в виде пластины с опорами 9.
Осуществление изобретения
3
3
При эксплуатации установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) в глубоких, сверхглубоких нефтяных скважинах - с глубиной до 3 тыс. метров по вертикали и большим газосодержанием (до 250-500 м/м) часто происходит перегрев насоса и прилегающего к насосу питающего электрического кабеля, что приводит к выходу УЭЦН из строя по причине недопустимого изменения электрического сопротивления системы «электрический кабель-двигатель».
Известно, что отказы установок электроцентробежного насоса по погружному электродвигателю составляют 22,1% в причинах выхода установки электроцентробежного насоса из строя [20].
Применение предлагаемых устройств и способа тепловой защиты погружного электродвигателя в установке электроцентробежного насоса посредством скоб с теплоизолирующими опорами или прикрепленных к электрическому кабелю теплоизолирующих опор препятствует контактному теплообмену между корпусом насоса и электрическим кабелем, предотвращая распространение тепла по медным жилам электрического кабеля в сторону погружного электродвигателя, чем обеспечивается тепловая защита погружного электродвигателя от перегрева.
Кроме этого, фиксация положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем обеспечивает возможность циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем, что способствует охлаждению корпуса насоса и электрического кабеля циркулирующей ненагретой скважинной жидкостью.
Как показали натурные испытания предлагаемого изобретения, этим уверенно решается поставленная задача и достигается требуемый технический результат - предотвращается перегрев погружного электродвигателя, а именно его токоввода, от теплового потока, идущего по питающему электрическому кабелю, проходящему вдоль корпуса насоса, который перегревается при перекачке электроцентробежным насосом сильно газированных жидкостей, что в конечном итоге позволяет увеличить межремонтный период эксплуатации установки электроцентробежного насоса, повысить эффективность функционирования установки электроцентробежного насоса и сократить потери добычи нефти при ее добыче из глубоких и сверхглубоких скважин.
Установка электроцентробежного насоса (фиг. 1) состоит из погружного электродвигателя 1 с токовводом 10, к которому присоединены гидрозащита 2 и далее - центробежный насос 3 с приемными отверстиями 8.
Установка электроцентробежного насоса присоединяется к колонне насосно-компрессорных труб 4, по которым скважинная жидкость, попадая в насос через приемные отверстия 8, сжимается под давлением для подачи на земную поверхность - в пункт сбора. Установка электроцентробежного насоса питается электрическим током, подводимым к погружному электродвигателю 1 питающим электрическим кабелем 5.
Питающий электрический кабель 5 металлическими поясами 6 крепится к колонне насосно-компрессорных труб 4, затем к корпусу насоса и соединяется с погружным электродвигателем через муфтовое соединение - токоввод 10, в котором медные жилы питающего кабеля припаиваются к проводам обмоток электродвигателя.
В процессе эксплуатации центробежный насос 3 нагревается и тепло от корпуса насоса, путем контактного теплообмена, передается в питающий электрический кабель 5 и по медным жилам 11 питающего электрического кабеля 5 проникает в токоввод 10 погружного электродвигателя и выводит его из строя в результате расплавления припоя в местах припайки медных жил 11 электрического кабеля 5 к концам обмоток погружного электродвигателя.
Это обусловлено тем, что насос при перекачке сильногазированной скважинной жидкости может разогреваться более 300°С, питающий электрический кабель обычно изготавливают из температуропрочного материала (со свинцовой броней), с рабочей температурой до 230°С, максимальная допустимая температура погружного электродвигателя равна температуре расплавления припоя 180°С, а номинальная рабочая температура погружного электродвигателя 130°С.
При повышении температуры погружного электродвигателя более 180°С припаянные к медным жилам 11 электрического кабеля 5 концы обмоток погружного электродвигателя в токовводе 10 распаиваются (разрушаются), наступает режим короткого замыкания и погружной электродвигатель установки электроцентробежного насоса выходит из строя.
Для обеспечения тепловой защиты токоввода погружного электродвигателя от перегрева и сокращения количества отказов установки электроцентробежного насоса по причине выхода из строя обмоток электродвигателя предлагается технически простыми, но эффективными средствами тепловой защиты изменить механизм распространение тепла, вырабатываемого в центробежном насосе, и обеспечить охлаждение насоса и электрического кабеля циркулирующей ненагретой скважинной жидкостью и тем самым обеспечить тепловую защиту токоввода погружного электродвигателя и предотвратить его выход из строя из-за перегрева.
Для этого между прилегающим к корпусу центробежного насосу 3 участком питающего электрического кабеля 5 со стороны корпуса насоса предлагается устанавливать теплоизолированные опоры 9 (фиг. 1-5), обеспечивающие фиксацию положения электрического кабеля 5 относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и электрическим кабелем, а также обеспечивающие возможность циркуляции ненагретой скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и электрическим кабелем.
Площадь соприкосновения питающего кабеля 5 с разогретой поверхностью центробежного насоса 3 при этом уменьшается во много раз, следовательно, во столько же раз снижается величина теплового потока в сторону кабельной линии, а циркуляция скважинной жидкости в зазоре между электрическим кабелем и корпусом насоса обеспечивает их дополнительное охлаждение.
На фиг. 1-7 показаны возможные варианты исполнения предлагаемых устройств тепловой защиты, возможные конструктивные варианты присоединения к питающему электрическому кабелю 5 скоб 7 с теплоизолирующими опорами 9 или теплоизолирующих опор 9 и их конструкции.
Каждую скобу 7 или непосредственно электрический кабель с достаточной для фиксации положения питающего кабеля шириной снабжают опорами 9 из теплоизоляционного материала или с теплоизоляционными насадками или прокладками на концах опор 9 или с малой площадью концов опор.
Тепловая защита электрического кабеля и, соответственно, погружного электродвигателя достигается не только незначительной площадью соприкосновения концов опор 9 с поверхностью корпуса насоса 3 или использованием теплоизоляционного материала или теплоизоляционных насадок, или прокладок на концах опор 9 в местах их контакта с корпусом насоса 3, но и обеспечением возможности циркуляции скважинной жидкости в зазоре между электрическим кабелем 5 и корпусом насоса 3.
Расстояние между опорами 9 выбирают так, чтобы предотвращалась деформация питающего кабеля при ударах насоса о внутренние стенки эксплуатационной скважины при спусках-подъемах и эксплуатации насоса в скважине.
Опоры 9 фиксируют положение питающего кабеля 5 на определенном расстоянии от корпуса насоса 3 с зазором, эффективно предотвращая тем самым передачу тепла от корпуса насоса 3 в питающий электрический кабель 5 и обеспечивая циркуляцию ненагретой скважинной жидкости в зазоре между электрическим кабелем 5 и корпусом насоса 3.
Опоры 9 могут быть выполнены из теплоизолирующей пластмассы, стекла, фарфора, керамики и прикреплены к скобам или непосредственно к электрическому кабелю различными известными способами или могут изготавливаться путем штампования и отгиба определенных частей скоб.
На фиг. 4-7 показаны возможные варианты изготовления скоб 7 с отштампованными упорами.
Концы опор целесообразно выполнять с маленькой площадью соприкосновения с корпусом насоса для сокращения контактного теплообмена между корпусом насоса 3 и питающим электрическим кабелем 5.
Материалом для скоб 7 могут служить металлическая лента из нержавеющей стали, термостойкие и ударопрочные сорта пластмассовых или композиционных химически инертных материалов, обеспечивающих возможность нахождения скоб в агрессивной среде.
Скобы 7 могут быть изготовлены путем штамповки металлической ленты нержавеющей стали так, чтобы отштампованные концы опор 9, касающиеся корпуса насоса 3, имели как можно меньшую площадь соприкосновения с корпусом насоса для замедления контактного теплообмена между корпусом насоса 3 и питающим электрическим кабелем 5 (фиг. 4-7).
Скобы 7 выполняют функцию крепления опор 9, выполненных из теплонепроводящего материала, или содержащих насадки или прокладки из теплоизоллирующего материала и служат для крепления опор длительное время и фиксации положения питающего электрического кабеля на определенном расстоянии от корпуса насоса, а также скобы 7 сохраняют от механических повреждений опоры во время спуско-подъемных операций путем равномерного распределения нагрузки по опорам.
Опоры 9 служат для предотвращения контактного теплообмена поверхности насоса 3 и питающего кабеля 5, могут быть прикреплены к скобам 7 путем отштамповки, приклеивания или вставления в отверстия на поверхности скоб.
Опоры 9 выполняют функцию фиксации положения питающего электрического кабеля 5 на определенном расстоянии от корпуса насоса 5 и предотвращения деформации питающего электрического кабеля 5 при спуско-подъемных операциях в скважине.
Опоры 9 могут быть изготовлены из материала скоб, стекла, фарфора, керамики, пластмассы, композиционных коррозионно-стойких, теплоизолирующих и прочных материалов.
В качестве возможных конструктивных вариантов исполнения отдельных элементов электрического кабеля с тепловой защитой устройства тепловой защиты и установки электроцентробежного насоса с тепловой защитой погружного электродвигателя могут быть использованы различные известные и традиционные для нефтедобывающей отрасли технологии, материалы и конструктивные решения, обычно применяемые в нефтяной промышленности.
Детальное изложение конструктивных особенностей заявляемых устройств и способа тепловой защиты показывает причинно-следственную связь между существенными признаками и техническим результатом и показывает уверенное решение поставленной задачи и достижения требуемого технического результата, а именно реализация настоящего изобретения позволяет обеспечить тепловую защиту погружного электродвигателя установки электроцентробежного насоса для нефтяной скважины, предотвратить перегрев погружного электродвигателя от теплового потока, идущего по питающему кабелю, проходящего вдоль корпуса насоса, который греется при перекачке сильно газированных жидкостей, и увеличить межремонтный период эксплуатации установки электроцентробежного насоса для добычи нефти, что в конечном итоге позволяет устранять потери добычи нефти и ошибки управляющего персонала.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническое решение поставленной задачи, изобретательский уровень и существенность всех общих и частных признаков изобретения, доказанных в разделе «Уровень техники» и «Раскрытие изобретения», доказанную в разделе «Осуществление изобретения» техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, уверенное решение поставленных изобретательских задач и достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.
Кроме этого, анализ совокупности существенных признаков изобретения и достигаемого при их использовании единого технического результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь между объектами изобретения, что позволяет объединить изобретения в одной заявке, то есть обеспечить требования критерия единства изобретения.