Дублирующие уплотнения вала в уплотнительной секции электрического погружного насоса
DUBBING SHAFT AXIS IN THE JOINTING SECTION OF ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Данное изобретение относится в целом к области применения погружных насосных установок и в частности, но без ограничения этим, к усовершенствованной уплотнительной секции.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] Погружные насосные системы часто устанавливаются в скважинах для добычи нефтяных текучих сред из подземных резервуаров. Как правило, погружная насосная установка содержит ряд компонентов, в том числе один или более электрических двигателей, заполненных текучей средой и соединенных с одним или более высокопроизводительными насосами. Каждый из компонентов и подкомпонентов погружной насосной установки разработан с обеспечением выдерживания суровых условий скважины, к которым относятся широкие диапазоны температуры, давления и коррозионные скважинные текучие среды.
[003] Защита электродвигателей обеспечивается компонентами, обычно называемыми «уплотнительными секциями» и расположенными между двигателем и насосом. В данном положении уплотнительная секция выполняет несколько функций, в том числе передачу крутящего момента между двигателем и насосом, ограничение потока скважинных текучих сред в двигатель, защиту двигателя от осевого давления, оказываемого насосом, и компенсацию расширения и сжатия смазки двигателя в ходе термических циклов, через которые он проходит в процессе эксплуатации. Во многих уплотнительных секциях используются уплотнительные пакеты, лабиринтные камеры и другие разделительные механизмы для компенсации изменений в объеме и перемещения текучей среды в уплотнительной секции с одновременным созданием барьера с положительным давлением между чистой смазкой и загрязненной скважинной текучей средой.
[004] Поскольку большинство уплотнительных секций содержат один или более вращающихся валов, которые осуществляют передачу крутящего момента от двигателя к насосу, механизмы для разделения текучей среды в уплотнительной секции должны быть выполнены с обеспечением размещения в них вала. Ранее механические уплотнения располагались вокруг вала для предотвращения переноса текучих сред вдоль вала. Обычно механическое уплотнение содержит компоненты, которые создают структурный барьер, препятствующий перемещению текучей среды. В широко распространенной конструкции механических уплотнений используется пружина, расположенная снаружи механического уплотнения и оказывающая осевое усилие на компоненты механического уплотнения. Пружина удерживает компоненты механического уплотнения в надлежащем положении с обеспечением предотвращения переноса скважинных текучих сред вдоль вала.
[005] Несмотря на то что известные механические уплотнения являются в целом приемлемыми, при определенных условиях окружающей среды они могут выходить из строя. Когда скважинные текучие среды засасываются в уплотнительную секцию, песок и другие твердые частицы могут собираться вблизи механического уплотнения. Загрязнение твердыми частицами ухудшает рабочие характеристики пружины механического уплотнения и нарушает его уплотняющие поверхности, что приводит к повреждению уплотнения. Соответственно, существует необходимость в усовершенствованной конструкции, которая является более устойчивой к загрязнению и износу, вызванному твердыми частицами. Данное изобретение направлено на устранение этого и других недостатков известного уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] В предпочтительном на данный момент варианте выполнения уплотнительная секция, предназначенная для использования в скважинной погружной насосной установке, содержит один или более механизмов для разделения текучей среды, вал и одно или более первичных механических уплотнений. Каждое из указанных одного или более первичных механических уплотнений расположено вдоль вала. Уплотнительная секция также содержит одно или более дублирующих уплотнений вала, каждое из которых по существу окружает соответствующее уплотнение из указанных одного или более первичных механических уплотнений.
[007] Согласно другому аспекту уплотнительная секция, предназначенная для использования в насосной установке, содержит один или более механизмов для разделения текучей среды, вал, первичное механическое уплотнение и дублирующее уплотнение вала. Дублирующее уплотнение вала по существу окружает первичное механическое уплотнение. Уплотнительная секция также содержит внутреннюю уплотнительную камеру, образованную кольцевым пространством между первичным механическим уплотнением и дублирующим уплотнением вала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[008] Фиг. 1 изображает вид сбоку погружной насосной установки согласно предпочтительному на данный момент варианту выполнения.
[009] Фиг. 2 изображает разрез первого предпочтительного варианта выполнения уплотнительной секции, предназначенной для использования с погружной насосной установкой, показанной на фиг. 1.
[010] Фиг. 3 изображает увеличенный разрез головной части уплотнительной секции, показанной на фиг. 2, с первым предпочтительным вариантом выполнения системы дублирующего уплотнения вала.
[011] Фиг. 4 изображает увеличенный разрез головной части уплотнительной секции, показанной на фиг. 2, со вторым предпочтительным вариантом выполнения системы дублирующего уплотнения вала.
[012] Фиг. 5 изображает увеличенный разрез головной части уплотнительной секции, показанной на фиг. 2, с третьим предпочтительным вариантом выполнения системы дублирующего уплотнения вала.
[013] Фиг. 6 изображает увеличенный разрез головной части уплотнительной секции, показанной на фиг. 2, с четвертым предпочтительным вариантом выполнения системы дублирующего уплотнения вала.
[014] Фиг. 7 изображает увеличенный разрез головной части уплотнительной секции, показанной на фиг. 2, с пятым предпочтительным вариантом выполнения системы дублирующего уплотнения вала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
[015] На фиг. 1 изображен вид сбоку насосной установки 100, прикрепленной к насосно-компрессорной колонне 102, согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения. Установка 100 и колонна 102 расположены в скважине 104, пробуренной для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. В данном документе слово «нефть» применяется в широком смысле ко всем минеральным углеводородам, таким как сырая нефть, газ и смеси нефти и газа. Колонна 102 соединяет насосную установку 100 с устьевым оборудованием 106, расположенным на поверхности. Несмотря на то что установка 100 предназначена, в первую очередь, для перекачивания нефтепродуктов, следует понимать, что данное изобретение также может использоваться для переноса других текучих сред. Кроме того, следует понимать, что хотя каждый компонент насосной установки описан преимущественно в контексте погружного применения, некоторые из этих компонентов или все они также могут использоваться для насосных операций, выполняемых на поверхности.
[016] Насосная установка 100 предпочтительно содержит определенную комбинацию из насосного узла 108, двигательного узла 110 и уплотнительной секции 112. Двигательный узел 110 предпочтительно представляет собой электрический двигатель, питаемый от блока управления двигателем, установленного на поверхности (не показан). При подаче питания узел 110 приводит в действие вал, который обеспечивает работу насосного узла 108. Уплотнительная секция 112 защищает двигательный узел 110 от механического осевого усилия, создаваемого насосным узлом 108, и обеспечивает возможность объемного расширения смазок двигателя в процессе эксплуатации. Кроме того, уплотнительная секция 112 изолирует узел 110 от скважинных текучих сред, проходящих через насосный узел 108. Несмотря на то что на чертеже показано только по одному из всех компонентов, следует понимать, что при необходимости может быть подсоединено большее количество компонентов. Может быть желательным использование комбинаций из сдвоенных двигателей, нескольких уплотнительных секций, нескольких насосных узлов или других скважинных компонентов, не показанных на фиг. 1. Например, в некоторых областях применения может быть желательным расположение уплотнительной секции или камеры 112 компенсации давления под двигательным узлом 110.
[017] На фиг. 2 изображен разрез уплотнительной секции 112. Уплотнительная секция 112 содержит кожух 114, вал 116 и один или более механизмов для разделения текучей среды. В предпочтительном варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, механизмы для разделения текучей среды содержат первый уплотнительный пакетный узел 118а и второй уплотнительный пакетный узел 118b (в совокупности «уплотнительные пакетные узлы 118»). Вал 116 обеспечивает передачу механической энергии от двигательного узла 110 к насосному узлу 108. Кожух 114 предназначен для защиты внутренних компонентов уплотнительной секции 112 от окружающей среды снаружи скважины. В дополнение к узлам 118 или в качестве альтернативы к ним могут использоваться другие механизмы разделения. К таким другим механизмам относятся поршни, лабиринты и сильфоны.
[018] Уплотнительная секция 112 также содержит несколько первичных механических уплотнений 120, головную часть 122, предназначенную для соединения с насосным узлом 108 (не показан на фиг. 2), и основание 124, предназначенное для соединения с двигательным узлом 110 (не показан на фиг. 2). Головная часть 122 и основание 124 предпочтительно выполнены с возможностью запирающего резьбового взаимодействия с кожухом 114. Первичные механические уплотнения 120 расположены вдоль вала 116 и ограничивают перенос текучей среды вдоль вала 116. Уплотнительная секция также содержит одно или более дублирующих уплотнений 126 вала. В особенно предпочтительном варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, секция 112 содержит одно дублирующее уплотнение 126 вала, расположенное в головной части 122. Однако следует понимать, что объем предпочтительных вариантов выполнения охватывает применение дополнительных дублирующих уплотнений 126 вала на всем протяжении уплотнительной секции 112.
[019] Секция 112 также содержит осевые подшипники 128 и несколько опорных подшипников 130. Осевые подшипники 128 применяются для регулирования осевого смещения вала 116. Опорные подшипники 130 обеспечивают регулирование бокового положения вала 116. В предпочтительных на данный момент вариантах выполнения подшипники 128 и подшипники 130 выполнены в виде гидродинамических подшипников и изготовлены с использованием общеизвестных материалов для подшипников.
[020] Механизмы для разделения текучей среды, входящие в состав уплотнительной секции 112, имеют ряд отверстий, каналов, камер и труб, которые обеспечивают возможность прохождения текучих сред через секцию 112. Объемное расширение и перенос чистой смазки двигателя через секцию 112 происходит в системе 132 циркуляции чистой текучей среды. Перемещение возможно загрязненных скважинных текучих сред через секцию 112 происходит в системе 134 циркуляции загрязненной текучей среды. Система 134 пропускает текучую среду вдоль наружной поверхности пакетных узлов 118, тогда как система 132 пропускает текучую среду через внутреннее пространство пакетных узлов 118.
[021] На фиг. 3 изображен увеличенный разрез головной части 122 уплотнительной секции 112. Головная часть 122 содержит камеру 136 для механического уплотнения, предназначенную для размещения первичного механического уплотнения 120 и дублирующего уплотнения 126 вала. Камера 136 в целом выполнена в виде полости, образованной в головной части 122. Камера 136 может, как вариант, иметь канавку 138 для сбора твердых частиц и отверстия 140 для выброса твердых частиц из указанной камеры. Канавка 138 обеспечивает захват твердых частиц в камере 136 на расстоянии от уплотнения 120 и уплотнения 126.
[022] Первичное механическое уплотнение 120 предпочтительно содержит неподвижное кольцо 142 и поворотную часть 144. Кольцо 142 закреплено на месте внутри головной части 122 и не вращается вместе с валом 116. Поворотная часть 144 прикреплена к валу 116 и поворачивается относительно кольца 142. Часть 144 предпочтительно содержит бегунок 146, пружину 148 и удерживающее кольцо 150. Рабочие поверхности бегунка 146 и кольца 142 удерживаются в контакте с помощью пружины 148, которая прикладывает сжимающее усилие между кольцом 150 и бегунком 146.
[023] В первом предпочтительном варианте выполнения, изображенном на фиг. 3, дублирующее уплотнение 126 вала содержит крышку 152, контактное кольцо 154 и зафиксированное кольцо 156. Зафиксированное кольцо 156 закреплено в неподвижном положении внутри камеры 136 для механического уплотнения. Крышка 152 выполнена в виде перевернутого стакана, который прикреплен на первом конце к валу 116 и проходит в направлении вниз поверх уплотнения 120. В особенно предпочтительном варианте выполнения крышка 152 присоединена к валу 116 с помощью шпоночного соединения. Крышка 152 может содержать эластомерное уплотнительное кольцо 155 и осевое удерживающее кольцо 157. Кольцо 152 гасит вибрации в крышке 152, а кольцо 157 фиксирует крышку 152 в заданном положении вдоль вала 116.
[024] Контактное кольцо 154 присоединено на втором, дальнем конце крышки 152 в непосредственной близости к зафиксированному кольцу 156. В особенно предпочтительном варианте выполнения дублирующее уплотнение 126 выполнено и установлено таким образом, что кольцо 154 находится в вертикальном контакте с кольцом 156. Таким образом, дублирующее уплотнение 126 окружает первичное уплотнение 120 в изолированной внутренней уплотнительной камере 158. В процессе сборки камера 158 предпочтительно заполняется относительно тяжелым смазочным маслом или тавотом. Дублирующее уплотнение 126 препятствует перемещению текучих сред и частиц из камеры 136 к уплотнению 120. Изоляция первичного уплотнения 120 с помощью дублирующего уплотнения 126 существенно увеличивает технический ресурс уплотнения 120 и баланс компонентов в уплотнительной секции 112.
[025] На фиг. 4 изображен увеличенный разрез головной части 122 уплотнительной секции 112 согласно второму предпочтительному варианту выполнения. Во втором предпочтительном варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, дублирующее уплотнение 126 вместо контактного кольца 154 содержит манжетное уплотнение 160. Крышка 152 выполнена с возможностью вращения вместе с валом 116. В особенно предпочтительном варианте выполнения крышка 152 присоединена к валу 116 с помощью шпоночного соединения, обеспечивающего возможность перемещения крышки 152 в продольном направлении на валу 116. Манжетное уплотнение 160 предпочтительно содержит корпус 162 и внутреннюю пружину 164. Корпус 162 предпочтительно изготовлен из износостойкой резины или пластмассы, которая обеспечивает эластичное уплотнение относительно зафиксированного кольца 156. В предпочтительном варианте выполнения пружина 164 представляет собой скрученную или свернутую в спираль металлическую проволоку или полосу. Упругость пружины 164 обеспечивает возможность многократного расширения и сжатия манжетного уплотнения 164 без остаточной деформации. В процессе эксплуатации уплотнение 160 сохраняет герметичное соединение с кольцом 156.
[026] Во втором предпочтительном варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, первичное механическое уплотнение 120 содержит нижний бегунок 146 и пружину 148. Пружина 148 прижимает бегунок 146 к неподвижному кольцу 142. Следует понимать, что уплотнение 120, показанное на фиг. 4, является по существу взаимозаменяемым с механическим уплотнением 120, показанным на фиг. 3.
[027] Кроме того, как показано на фиг. 4, уплотнительная секция 112 содержит верхний пружинный узел 159, который содержит крышку 161 пружины и пружину 163. Крышка 161 прикреплена к валу 116 над крышкой 152 и обеспечивает основание для пружины 163. Пружина 163 давит на крышку 152 снизу. В случае осевого смещения вала 116 верхний пружинный узел 159 удерживает крышку 152 в контакте с неподвижным кольцом 142.
[028] На фиг. 5 изображен третий предпочтительный вариант выполнения дублирующего уплотнения 126 вала. В третьем предпочтительном варианте выполнения уплотнение 126 содержит первичное механическое уплотнение 120, удерживаемое внутри крышки 152. Крышка 152 предпочтительно прикреплена к валу 116 с помощью шпоночного соединения и стопорного кольца или с помощью двухкомпонентных колец, которые обеспечивают возможность вращения крышки 152 вместе с валом 116 при одновременной фиксации соединения крышки 152 с валом 116 в конкретном местоположении с помощью осевого удерживающего кольца 157. В третьем предпочтительном варианте выполнения крышка 152 проходит в боковом направлении снаружи от зафиксированного кольца 156. Таким образом, контактное кольцо 154 контактирует с кольцом 156 при боковом взаиморасположении (а не вертикальном взаиморасположении, показанном на фиг. 3 и 4). Боковое взаиморасположение при контакте между кольцом 154 и кольцом 156 в третьем предпочтительном варианте выполнения обеспечивает усиленное противодействие продольному смещению вала 116. Если в процессе эксплуатации вал 116 перемещается вдоль продольной оси, контактное кольцо 154 и зафиксированное кольцо 156 могут немного сместиться, но при этом останутся в контакте. Третий предпочтительный вариант выполнения может дополнительно содержать сбрасыватель 165 песка, присоединенный к валу 116. В сбрасывателе 165 используется центробежная сила для откидывания твердых частиц к наружным частям камеры 136.
[029] На фиг. 6 изображен четвертый предпочтительный вариант выполнения дублирующего уплотнения 126 вала. Аналогично третьему предпочтительному варианту выполнения, дублирующее уплотнение 126 четвертого предпочтительного варианта выполнения содержит первичное механическое уплотнение 120, удерживаемое внутри крышки 152, которая проходит в боковом направлении снаружи от зафиксированного кольца 156. Контактное кольцо 154 контактирует с зафиксированным кольцом 156 при боковом взаиморасположении, что обеспечивает усиленное противодействие продольному смещению вала 116. В четвертом варианте выполнения крышка 152 присоединен к валу 116 с помощью шпоночного соединения, которая обеспечивает возможность перемещения вала 116 вдоль продольной оси с прохождением через крышку 152 и с одновременным поворотом крышки 152 вместе с валом. Для поддержания положения крышки 152 в процессе эксплуатации дублирующее уплотнение 126 четвертого варианта выполнения дополнительно содержит верхний пружинный узел 159, содержащий крышку 161 пружины и пружину 163. Крышка 161 прикреплена к валу 116 над крышкой 152 и обеспечивает основание для пружины 163. Пружина 163 давит на крышку 152 снизу. В случае осевого смещения вала 116 верхний пружинный узел 159 удерживает крышку 152 в контакте с неподвижным кольцом 142.
[030] На фиг. 7 изображен пятый предпочтительный вариант выполнения, в котором крышка 152 закреплена в неподвижном положении внутри головной части 122. В особенно предпочтительном варианте выполнения крышка 152 закреплена внутри части 122 с помощью крепежных средств 182 или другого подходящего крепежного механизма. Дублирующее уплотнение 126 вала содержит невыпадающее кольцо 184, установленное в фиксированном положении внутри крышки 152, и поворотное кольцо 186. Поворотное кольцо 186 расположено смежно с удерживающим кольцом 150 первичного механического уплотнения 120. Пружина 148 прижимает кольцо 150 и кольцо 186 к неподвижному кольцу 184 с созданием уплотняющей поверхности взаимодействия в дублирующем уплотнении 126. Таким образом, пружина 148 обеспечивает сжатие как первичного уплотнения 120, так и дублирующего уплотнения 126.
[031] Пятый предпочтительный вариант выполнения также содержит вспомогательное манжетное уплотнение 174. Уплотнение 174 содержит опорную пластину 176, пружину 178 и манжетное уплотнение 180. Пластина 180 закреплена на месте вместе с валом 116. Пружина 178 противодействует пластине 176 и прижимает уплотнение 180 к верхней части крышки 152. Таким образом, вспомогательное манжетное уплотнение 174 обеспечивает дополнительное уплотнение в верхней части крышки 152 и прижимает крышку 152 вдоль вала 116. Несмотря на то что в пятом предпочтительном варианте выполнения показано манжетное уплотнение 180, следует понимать, что для изоляции неподвижной крышки 152 от вращающегося вала 116 могут использоваться и другие уплотнения. Например, может быть желательным использование механического уплотнения, расположенного между валом 116 и верхней частью крышки 152.
[032] Таким образом, предпочтительные варианты выполнения содержат насосную установку 100, содержащую насосный узел 108, двигательный узел 110 и уплотнительную секцию 112. Уплотнительная секция 112 содержит один или более механизмов для разделения текучей среды и одно или более первичных механических уплотнений 120, расположенных вдоль вала 116. Для повышения устойчивости уплотнений 120 к проникновению скважинных текучих сред и частиц уплотнительная секция также содержит одно или более дублирующих уплотнений 126 вала. Каждое из указанных одного или более дублирующих уплотнений 126 выполнено и установлено с обеспечением исключения или уменьшения воздействия скважинных текучих сред и частиц на соответствующее первичное уплотнение 120. Предполагается, что применение дублирующих уплотнений 126 продлевает срок службы первичных механических уплотнений 120.
[033] Кроме того, следует понимать, что аспекты различных вариантов выполнения, описанных в данном документе, являются взаимозаменяемыми, если не указано иное. Например, в некоторых областях применения может быть желательной комбинация использования вспомогательного механического уплотнения 166 с первым вариантом выполнения, изображенным на фиг. 3, или пятым вариантом выполнения, изображенным на фиг. 7. В качестве дополнительных примеров, может быть желательным включение первичного механического уплотнения 120 двустороннего действия в первый вариант выполнения, изображенный на фиг. 1, или использование первичного механического уплотнения одностороннего действия во втором, третьем, четвертом или пятом предпочтительном варианте выполнения. Следует также понимать, что предпочтительные варианты выполнения включают применение нескольких дублирующих уплотнений 126 вала в одной уплотнительной секции 112 и что эти уплотнения 126 могут иметь различную конструкцию. Несмотря на то что дублирующие уплотнения вала предпочтительных вариантов выполнения описаны как входящие в состав уплотнительной секции 112, следует понимать, что такие дублирующие уплотнительные механизмы могут успешно применяться в двигателе 110.
[034] Следует понимать, что хотя в вышеприведенном описании приведены многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения данного изобретения, а также детали конструкции и функции различных вариантов выполнения изобретения, данное описание является исключительно иллюстративным, и возможно внесение изменений, особенно в том, что касается конструкции и расположения элементов, в рамках принципов данного изобретения и в полном объеме, заданном общепринятыми значениями терминов, приведенных в формуле изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что идеи данного изобретения могут быть применены к другим системам без отклонения от объема и сущности данного изобретения.