УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО НАСОСА С ГЕРМЕТИЧНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
INSTALLATION OF SUBMERSIBLE PUMP WITH SEALED MOTOR

Изобретение относится к насосостроению, в частности к погружным насосным установкам с приводом от герметичного погружного электродвигателя для перекачивания скважинной жидкости.
Известна установка погружного насоса, содержащая герметичный электродвигатель, магнитную муфту, и добывающий насос, в которой внутренняя полость электродвигателя герметична и защищена от попадания внутрь пластовой жидкости, а крутящий момент от вала двигателя к валу насоса передается за счет взаимодействия между постоянными магнитами, закрепленными на ведущей и ведомой полумуфтах магнитной муфты, жестко связанных с валами двигателя и насоса, и разделенными защитным экраном (патент на ПМ №52124, опубл. 10.03.2006).
Отсутствие радиальной опоры внутри магнитной муфты снижает надежность конструкции и накладывает ограничения на длину муфты и величину передаваемого крутящего момента, что делает невозможным использование установки на повышенных частотах вращения вала.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является установка погружного насоса, описанная в патенте US №6863124, Е21В 43/00, 166/64, опубл. 17.07.2003, имеющая в своем составе добывающий насос и погружной электродвигатель, связанные друг с другом посредством магнитной муфты, состоящей из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, прикрепленными к ротору двигателя и к ротору насоса соответственно, защитным экраном между ними, выполненным из немагнитного непроводящего материала, и промежуточной подшипниковой опоры, имеющей три промежуточных подшипника, концентричных друг другу и размещенных в одном и том же осевом положении. Поверхности сопряжения подшипников располагаются в узком зазоре между защитным экраном и магнитами. Зазор между ведущей полумуфтой и защитным экраном, изолирующей от окружающей среды внутреннюю полость двигателя, заполнен маслом двигателя. Зазор между защитным экраном и ведомой полумуфтой заполняется скважинной жидкостью во время работы установки.
При эксплуатации такой установки в магнитной муфте вследствие вязкого трения в слое жидкости вблизи вращающейся стенки происходит значительный нагрев, тем больший, чем выше вязкость жидкости и частота вращения вала. Отсутствие охлаждения вызывает рост температуры внутри устройства и потерю магнитных свойств постоянных магнитов при достижении температуры Кюри. Кроме того, описанное расположение подшипников либо полностью перекрывает канал для потенциально возможной прокачки охлаждающей жидкости по зазору, либо подразумевает большую толщину зазора. В первом случае неизбежен перегрев муфты, т.е. ограничение срока службы и надежности всей установки, во втором накладывается ограничение по передаваемому крутящему моменту, что приводит к снижению производительности.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка надежной конструкции установки погружного насоса с герметичным двигателем, способной длительное время работать при высоких частотах вращения вала и высоких значениях крутящего момента на валу.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в установке погружного насоса с герметичным двигателем, включающей погружной насос, двигатель и магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой полумуфт с постоянными магнитами, закрепленными на роторе двигателя и роторе насоса соответственно, защитного экрана между ними и промежуточной подшипниковой опоры, согласно изобретению дополнительно установлено устройство охлаждения магнитной муфты.
Применение устройства охлаждения магнитной муфты позволит избежать перегрева магнитов, вызванного выделением значительного количества тепла при вращении полумуфт в результате вязкого трения в жидкостях, заполняющих зазоры по разные стороны от защитного экрана. Устройство обеспечивает прокачку жидкости через муфту с удалением лишнего тепла за ее пределы.
Устройством охлаждения магнитной муфты может служить сепаратор вода-нефть, который обеспечивает отбор и сепарацию скважинной жидкости и дальнейшую прокачку сепарированной маловязкой фракции по зазору между защитным экраном и ведомой полумуфтой для охлаждения магнитов. Вариант предпочтителен в случаях, когда скважинная жидкость представляет собой водо-нефтяную смесь.
В случае добычи маловязкой скважинной жидкости достаточное охлаждение муфты осуществляется без дополнительной сепарации добываемой жидкости, поэтому в качестве устройства охлаждения может быть установлен пакет насосных ступеней, обеспечивающий отбор необходимого количества скважинной жидкости, ее дальнейшую прокачку по зазору между защитным экраном и ведомой полумуфтой и выпуск нагретой жидкости обратно в скважину.
В случае добычи высоковязкой скважинной жидкости с низкой обводненностью, устройство охлаждения скважинной жидкости дополнительно оснащено узлом подвода жидкости с поверхности для прокачки по зазору между защитным экраном и ведомой полумуфтой.
Для организации прокачки скважинной жидкости либо отсепарированной от нее воды в ведомой полумуфте выполнено центральное отверстие, гидравлически связанное с вышеупомянутым зазором и возвращающее нагретую жидкость в скважину. Кроме того, в ведущей и ведомой полумуфтах на уровне подшипниковой опоры выполнены выемки, формирующие расширение проточных каналов для циркуляции охлаждающей жидкости в муфте, в которые установлены радиальные подшипники с каналами для прохода охлаждающей жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема заявляемой установки; на фиг. 2 - общий вид заявляемой установки с устройством охлаждения магнитной муфты в виде сепаратора вода-нефть, на фиг. 3 - общий вид заявляемой установки с пакетом напорных ступеней в составе устройства охлаждения, на фиг. 4 - общий вид заявляемой установки с подачей охлаждающей жидкости с поверхности, на фиг. 5 - радиальный подшипник магнитной муфты, на фиг. 6 - общий вид заявляемой установки с подачей охлаждающей жидкости к магнитной муфте из сепаратора, установленного выше насоса, по соединительной трубке.
Установка погружного насоса содержит погружной электродвигатель 1 и добывающий насос 2 с входным модулем 3, соединенные друг с другом посредством магнитной муфты 4. Между магнитной муфтой 4 и добывающим насосом 2 на общем валу с последним расположено устройство охлаждения магнитной муфты 5 (фиг. 1), снабженное в верхней части узлом отбора скважинной жидкости 6. В зависимости от добываемой жидкости, в частности от таких ее свойств, как обводненность и вязкость, устройство охлаждения включает сепаратор вода-нефть 7, например, роторного или роторно-вихревого типа (фиг. 2), либо пакет насосных ступеней 8 (фиг. 3). Кроме того, устройство охлаждения может иметь в своем составе узел подвода 9 жидкости с поверхности (фиг. 4). Как вариант реализации конструктивного решения сепаратор вода-нефть 7 может быть установлен выше добывающего насоса 2 (фиг. 6).
Муфта 4 состоит из ведущей полумуфты 10, связанной с валом 11 электродвигателя 1, ведомой полумуфты 12, связанной с валом 13 добывающего насоса 2 через вал устройства охлаждения 5, защитного экрана 14 и постоянных магнитов 15, установленных в полумуфтах 10 и 12. Между ведущей полумуфтой 10 и защитным экраном 14 образован кольцевой зазор 16, который заполняют маслом двигателя, а кольцевой зазор 17, образованный между защитным экраном 14 и ведомой полумуфтой 12, предназначен для прохождения охлаждающей жидкости, отбираемой из скважины во время эксплуатации, либо закачиваемой с поверхности по трубке 18 через узел подвода 9 (фиг. 4). В ведомой полумуфте 12 выполнено центральное отверстие 19, гидравлически соединенное с зазором 17 нижним торцевым каналом 20 (фиг. 2), а с затрубным пространством - верхними каналами 21 (фиг. 2, 3).
С целью повышения надежности магнитной муфты 4 в ведущей полумуфте 10 на обеих цилиндрических сторонах и на внешней цилиндрической стороне ведомой 12 полумуфты выполнены выемки 22 с плавными углублениями 23 для установки радиальных подшипников 24, имеющих проточные каналы 25 для свободного прохода охлаждающей жидкости (фиг. 5).
В установках, предназначенных для перекачки жидкости низкой вязкости, устройство для охлаждения включает в себя пакет насосных ступеней 8 (фиг. 3), обеспечивающих отбор необходимого количества скважинной жидкости, ее дальнейшую прокачку по зазору 17 между защитным экраном 14 и ведомой полумуфтой 12 и удаление нагретой жидкости обратно в скважину через центральное отверстие 19 внутри вала 12 и далее через верхние каналы 21.
Как вариант реализации конструктивного решения сепаратор вода-нефть 7 может быть установлен выше добывающего насоса 2, а очищенная жидкость подаваться из сепаратора 7 на вход магнитной муфты 4 через соединительную трубку 26 (фиг 6).
Установка погружного насоса работает следующим образом.
После спуска установки в скважину скважинная жидкость через узел отбора 6 попадает в устройство охлаждения магнитной муфты 5, проходит через проточную часть сепаратора 7 или через проточные каналы пакета насосных ступеней 8, перетекает в магнитную муфту 4, где заполняет кольцевой зазор 17, образованный между защитным экраном 14 и ведомой полумуфтой 12.
При включении электродвигателя 1 связанная с валом 11 электродвигателя ведущая полу муфта 10 приводится во вращение. Постоянные магниты 15, закрепленные на ведущей полумуфте 10, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянными магнитами 15, расположенными в ведомой полумуфте 12. При этом ведомая полумуфта 12, связанная с валом 13 сепаратора 7 (или пакета насосных ступеней 8) и установленного последовательно добывающего насоса 2, вовлекается во вращательное движение. Таким образом, осуществляется передача крутящего момента с ведущей полумуфты 10 на ведомую 12 без механического контакта между ними, в результате насос 2 и установленное с ним на общем валу 13 устройство охлаждения 5 магнитной муфты 4 приводятся в действие и начинают прокачивать скважинную жидкость.
Во время работы электродвигателя 1 одна часть общего потока скважинной жидкости поступает внутрь устройства охлаждения 5 магнитной муфты 4 через узел отбора 6, другая, большая часть, - внутрь добывающего насоса 2 через входной модуль 3 насоса 2. В добывающем насосе 2 жидкость приобретает энергию, необходимую для подъема ее из скважины на поверхность. Часть жидкости, поступившая в устройство охлаждения 5, прокачивается через магнитную муфту 4 и возвращается обратно в скважину, унося с собой лишнее тепло.
В одном из вариантов исполнения скважинная жидкость, представляющая собой водо-нефтяную смесь (закрашенные стрелки) поступает внутрь сепаратора 7 (фиг. 2), где вовлекается в процесс сепарации с разделением фаз разной плотности в поле центробежных сил - более плотная (вода) отгоняется к периферии сепаратора, а менее плотная (нефть) скапливается у оси вращения. Сепарированная вода с периферии (контурные стрелки) направляется в кольцевой зазор 17 магнитной муфты 4 и далее через нижний торцевой канал 20 поступает в центральное отверстие 19 ведомой полумуфты 12. При своем движении по зазору 17 сепарированная вода нагревается в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 12 и неподвижной стенкой защитного экрана 14 и, проходя через проточные каналы 25 в радиальных подшипниках 23, уходит в затруб через торцевой канал 21. Благодаря каналам 25 в подшипниках 24, установленных в выемках 22 с плавными углублениями 23 (фиг. 5), поток жидкости не испытывает сопротивления своему течению при движении по зазору 17 в месте установки радиальных подшипников 24. Наряду с этим радиальные подшипники 24, служащие опорой для ведущей 10 и ведомой 12 полумуфт, минимизируют вибрацию системы в целом, что также способствует повышению надежности работы муфты при увеличении частоты вращения вала. Таким образом, нагретый в зазоре 17 поток воды уносится за пределы магнитной муфты 4, замещаясь ненагретым. При этом устанавливается постоянная во времени температура магнитов 15, а также динамическая стабилизация системы, что обеспечивает надежную работу системы в целом.
Маловязкая скважинная жидкость (закрашенные стрелки) не нуждается в сепарации и закачивается в кольцевой зазор 17 ведомой полумуфты 12 магнитной муфты 4 с помощью пакета насосных ступеней 8 (фиг. 3). При своем движении по зазору 17 в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 12 и неподвижной стенкой защитного экрана 14 жидкость нагревается и, проходя через проточные каналы 25 в радиальных подшипниках 24, уходит в затруб через торцевой канал 21.
При использовании установки для добычи скважинной жидкости с высокой вязкостью и низкой обводненностью (фиг. 4), кольцевой зазор 17 между ведомой полумуфтой 12 и защитным экраном 14 заполняется маловязкой жидкостью, подаваемой с поверхности по трубке 18 через узел подвода 9. Вариант исполнения с инжекцией жидкости с поверхности обеспечивает подачу в магнитную муфту 4 чистой жидкости, тем самым предотвращает засорение каналов 17, 20, 21.
Возможен вариант исполнения (фиг. 6), в котором устройство для охлаждения 5 представляет собой сепаратор 7, установленный выше основного насоса 2, при этом отсепарированная маловязкая жидкость с высоким содержанием воды подается в магнитную муфту 4 через соединительную трубку 26 и далее закачивается в кольцевой зазор 17 ведомой полумуфты 12 магнитной муфты 4. При своем движении по зазору 17 в результате вязкого трения между вращающейся с высокой частотой стенкой ведомой полумуфты 12 и неподвижной стенкой защитного экрана 14 жидкость нагревается и, проходя через центральный канал 19 внутри вала 13, проточные каналы 25 радиальных подшипников 24, уходит в затруб через торцевой канал 21.
Следует учесть, что при рассмотрении признаков приведенного изобретения, а также примеров его реализации, для специалиста станут очевидными другие конструктивные изменения и модификации. Например, жидкость со стороны насоса может поступать в центральное отверстие внутри ведомой полумуфты, а выходить через кольцевой канал между защитным экраном и ведомой полумуфтой. Также может быть изменено взаимное расположение ведущей и ведомой полумуфт магнитной муфты -ведущая полумуфта может быть выполнена внутренней, а ведомая - внешней. Все подобные изменения, не имеющие расхождения с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными в рамках формулы изобретения.
Таким образом, использование заявляемой конструкции для различных скважинных жидкостей позволяет надежно передавать крутящий момент при высоких температурах за счет удаления нагретой жидкости за пределы муфты.