Система для добычи нефти (варианты) и способы формирования движущего узла для погружной насосной системы, предохранения погружного электродвигателя и защиты компонентов электрической погружной насосной системы от накапливаемого газа
Изобретение относится к устройствам и способам для подземной добычи углеводородной текучей среды. Система для добычи нефти содержит погружной насос и движущий узел для приведения в действие погружного насоса. Узел включает объединенные секцию погружного электродвигателя и секцию предохранительного устройства для герметизации электродвигателя от окружающей среды и аккомодации теплового расширения внутренней смазочной жидкости и является единым устройством. Узел имеет продольную ось и множество сообщенных отверстий для заливки масла, расположенных под углом относительно продольной оси. Угол расположения отверстий соответствует углу установки движущего узла относительно вертикали в процессе его заполнения маслом. Изобретение направлено на повышение эффективности изготовления и монтажа погружной насосной системы. 7 н. и 42 з.п. ф-лы, 16 ил.
В ряде подземных сред, типа сред, окружающих скважины, при добыче углеводородных текучих сред используют погружные электрические насосные системы. Погружные электрические насосные системы содержат погружной насос, приводимый в действие погружным электродвигателем, который герметизирован от окружающей текучей среды скважины отдельным предохранительным устройством электродвигателя. Отдельное предохранительное устройство электродвигателя также компенсирует тепловое расширение моторного масла внутри погружного электродвигателя, например, во время перемещения в ствол скважины и/или работы системы.
Индивидуальные компоненты погружной насосной системы, например, погружной электродвигатель и предохранительное устройство электродвигателя доставляют к месту расположения скважины в виде отдельных компонентов. Затем эти отдельные компоненты собирают до того, как их переместить по нисходящей скважине в ствол скважины. Погружной электродвигатель и предохранительное устройство электродвигателя имеют стыковочные фланцы, скрепляемые вместе множеством болтов. Однако использование отдельных компонентов ведет к неэффективности при изготовлении и монтаже погружной насосной системы.
Известна система для добычи нефти, содержащая погружной насос и движущийся узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства электродвигателя для герметизации секции электродвигателя от окружающей текучей среды и аккомодации теплового расширения внутренней смазочной жидкости во время добычи нефти и являющийся единым устройством, имеющим продольную ось и множество сообщенных отверстий для заливки масла (см., например, патент РФ 2046508 от 20.10.1995).
Известен способ формирования движущего узла для погружной насосной системы, содержащий соединение вала секции электродвигателя к валу секции предохранительного устройства для образования соединения и предварительное заполнение секции электродвигателя и секции предохранительного устройства смазочной жидкостью (см., например, патент РФ 2046508).
Известен способ предохранения погружного электродвитателя, содержащий изготовление движущего узла для погружной насосной системы с объединенными секцией электродвигателя и секцией предохранительного устройства и доставку движущего узла к скважине добычи нефти в виде единого узла (см., например, патент РФ 2046508).
Известна система для добычи нефти, содержащая секцию электродвигателя, имеющую электрическое кабельное соединение (см., например, патент РФ 2162272 от 20.01.2001).
Известна система добычи нефти, содержащая движущий узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий коренной подшипник, расположенный вокруг ведущего вала (см., например, патент РФ 2046508).
Задачей настоящего изобретения является создание простой по выполнению и эффективной системы для добычи нефти и способов формирования движущего узла этой системы, предохранения погружного электродвигателя и защиты компонентов этой системы от накапливаемого газа.
Одним объектом настоящего изобретения является система для добычи нефти, содержащая погружной насос и движущийся узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства электродвигателя для герметизации секции электродвигателя от окружающей текучей среды и аккомодации теплового расширения внутренней смазочной жидкости во время добычи нефти и являющийся единым устройством, имеющим продольную ось и множество сообщенных отверстий для заливки масла. Согласно изобретению отверстия для заливки масла расположены под углом относительно указанной оси таким образом, что угол отверстий соответствует углу установки движущего узла относительно вертикали в процессе его заполнения маслом.
Секция электродвигателя может содержать вал секции электродвигателя, а секция предохранительного устройства электродвигателя может содержать вал секции предохранительного устройства электродвигателя, причем вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя соединены друг с другом.
Вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя могут быть соединены посредством резьбового соединения.
Вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя могут быть соединены посредством посадки с натягом или посредством поперечного болта.
Движущий узел может содержать электрическое кабельное соединение, имеющее смещаемое пружиной оконечное устройство, способное перемещаться между герметизированным положением и открытым положением.
Секция предохранительного устройства может содержать головную часть предохранительного устройства, имеющую поперечное выпускное отверстие для песка.
Секция предохранительного устройства может дополнительно содержать подшипник и колпак, предохраняющий подшипник от песка.
Движущий узел может содержать по меньшей мере один коренной подшипник, имеющий заменяемый протектор для уменьшения износа.
Заменяемый протектор для уменьшения износа может быть соединен с валом с помощью шпонки и стопора или с помощью кольца допустимого отклонения.
Движущийся узел может содержать множество подшипников, имеющих самосмазывающие втулки.
Секция электродвигателя может содержать подшипник ротора, имеющий подпружиненную шпонку.
Секция электродвигателя может содержать встроенный чувствительный элемент для считывания по меньшей мере одного связанного со скважиной параметра.
Вторым объектом настоящего изобретения является способ формирования движущего узла для погружной насосной системы, содержащий соединение вала секции электродвигателя к валу секции предохранительного устройства для образования соединения и предварительное заполнение секции электродвигателя и секции предохранительного устройства смазочной жидкостью. Согласно изобретению осуществляют размещение герметизированного корпуса вокруг указанного соединения для образования объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства и формирование головной части секции предохранительного устройства с боковыми выпускными отверстиями для песка, расположенными выше подшипника секции предохранительного устройства.
Способ может дополнительно содержать перемещение объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства к требуемому местоположению ствола скважины.
На стадии присоединения можно использовать соединительную муфту с резьбовым сочленением.
На стадии размещения можно выполнять зацепление с помощью резьбы кожуха секции электродвигателя с кожухом секции предохранительного устройства.
Способ может дополнительно содержать обеспечение секции электродвигателя оконечным устройством, которое смещается пружиной к герметизированному положению, причем оконечное устройство способно перемещаться к открытому положению при получении забиваемым образом кабельного соединителя.
Способ может дополнительно содержать обеспечение объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства коренным подшипником, имеющим заменяемый протектор для уменьшения износа.
Способ может дополнительно содержать использование подшипника с самосмазывающей втулкой.
Способ может дополнительно содержать включение встроенного чувствительного элемента в секцию электродвигателя.
Третьим объектом настоящего изобретения является способ предохранения погружного электродвигателя, содержащий изготовление движущего узла для погружной насосной системы с объединенными секцией электродвигателя и секцией предохранительного устройства и доставку движущего узла к скважине добычи нефти в виде единого узла. Согласно изобретению осуществляют размещение чувствительного элемента в секции электродвигателя.
Способ может дополнительно содержать предварительное заполнение движущего узла смазочным маслом до доставки движущего узла к эксплуатационной скважине.
Способ может дополнительно содержать соединение по оси вала секции электродвигателя с валом секции предохранительного устройства.
Соединение по оси может содержать использование единственного унитарного вала или соединительной муфты для создания перманентного соединения между валом секции электродвигателя и валом секции предохранительного устройства.
Способ может дополнительно содержать формирование выпускного отверстия для песка в головной части секции предохранительного устройства.
Способ может дополнительно содержать использование коренных подшипников, имеющих заменяемые протекторы для уменьшения износа в движущем узле.
Способ может дополнительно содержать использование коренных подшипников, имеющих самосмазывающие втулки в движущем узле.
Способ может дополнительно содержать использование подшипников ротора, имеющих подпружиненные шпонки.
Способ может дополнительно содержать формирование сообщенных отверстий под углом относительно оси движущего узла, когда он установлен под требуемым углом.
Четвертым объектом настоящего изобретения является система для добычи нефти, содержащая секцию электродвигателя, имеющую электрическое кабельное соединение, которое согласно изобретению имеет оконечное устройство, способное перемещаться между герметизированным положением и открытым положением, которое обеспечивает связь по текучей среде между границей раздела соединения и внутренним объемом секции электродвигателя.
Система может дополнительно содержать пружину для смещения пружиной оконечного устройства в герметизированное положение.
Система может дополнительно содержать диэлектрическую прокладку для ограничения чрезмерной утечки электрического тока.
Система может дополнительно содержать секцию предохранительного устройства, постоянно соединенную с секцией электродвигателя.
Пятым объектом настоящего изобретения является система добычи нефти, содержащая движущий узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий коренной подшипник, расположенный вокруг ведущего вала, и согласно изобретению имеющий заменяемую соединительную втулку, закрепленную прессовой посадкой на ведущем валу посредством кольца допустимого отклонения в виде тонкой соединительной втулки, имеющей рифление.
Система может содержать множество коренных подшипников, каждый из которых имеет заменяемый протектор для уменьшения износа.
Движущийся узел может содержать секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства, собранные в виде единого узла.
Шестым объектом настоящего изобретения является система для добычи нефти, содержащая электрическую погружную насосную систему, имеющую секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства, в которой согласно изобретению по меньшей мере одна из секции электродвигателя и секции предохранительного устройства содержит пузырьковый сборник, содержащий каркас, имеющий специально предназначенный объем для сбора выделяемых газов.
Секция электродвигателя и секция предохранительного устройства могут быть изготовлены в виде единого узла.
Пузырьковый сборник может быть расположен в секции предохранительного устройства.
Каркас может быть расположен выше мягкого резервуара предохранительного устройства
Система может дополнительно содержать систему предохранительного клапана в сообщении со специально предназначенным объемом для выпуска газа из пузырькового сборника.
Седьмым объектом настоящего изобретения является способ защиты компонентов электрической погружной насосной системы от накапливаемого газа, содержащий расположение в по меньшей мере одной из секции электродвигателя и секции предохранительного устройства электрической погружной насосной системы пузырькового сборника с каркасом, имеющим специально предназначенный объем, достаточный для сбора газа, который в противном случае препятствует смазке внутренних компонентов.
Пузырьковый сборник можно располагать над компонентом, чувствительным к повреждению внешним воздействием накапливаемым газом.
Можно использовать пузырьковый сборник с каркасом, имеющим множество вентиляционных отверстий для протекания газа в специально предназначенный объем.
Можно использовать пузырьковый сборник, расположенный вокруг вращающегося вала.
Ниже будут описаны некоторые варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы и изображено следующее:
фиг.1 представляет вид спереди электрической погружной насосной системы, расположенной в стволе скважины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет вид в разрезе, выполненном в общем по оси движущего узла согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 представляет вид в разрезе другого варианта осуществления секции электродвигателя и секции предохранительного устройства, иллюстрируемых на фиг.2;
фиг.4 представляет другой вид системы, показанной на фиг.3, после завершения сооружения движущего узла;
фиг.5 представляет вид в разрезе кабельного соединителя в герметизированном положении, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Ниже будут описаны некоторые варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы и изображено следующее:
фиг.1 представляет вид спереди электрической погружной насосной системы, расположенной в стволе скважины, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет вид в разрезе, выполненном в общем по оси движущего узла, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 представляет вид в разрезе другого варианта осуществления секции электродвигателя и секции предохранительного устройства, иллюстрируемых на фиг.2;
фиг.4 представляет другой вид системы, показанной на фиг.3, после завершения сооружения движущего узла;
фиг.5 представляет вид в разрезе кабельного соединителя в герметизированном положении согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 представляет вид, аналогичный фиг.5, но показывающий кабельное соединение в разгерметизированном положении;
фиг.7 представляет вид в разрезе головной части секции предохранительного устройства, иллюстрируемой на фиг.2;
фиг.8 представляет вид в разрезе системы коренного подшипника, показанной на фиг.2;
фиг.9 представляет альтернативный вариант осуществления системы коренного подшипника, иллюстрируемой на фиг.8;
фиг.10 представляет вид с торца кольца допустимого отклонения, показанной на фиг.9;
фиг.11 представляет вид в разрезе системы подшипников ротора, показанной на фиг.2;
фиг.12 представляет вид с торца системы подшипников ротора, показанной на фиг.11;
фиг.13 представляет вид сбоку варианта осуществления секции электродвигателя с встроенным чувствительным элементом для измерения параметра ствола скважины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.14 представляет вид движущего узла, установленного под углом, для улучшения заполнения узла внутренней моторной жидкостью;
фиг.15 представляет вид в разрезе пузырькового сборника, выполненного в общем по оси узла, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.16 представляет вид в разрезе, по линии 16-16 фиг.15.
В последующем описании сформулированы многочисленные детали, предназначенные для понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено без этих деталей, и что могут быть возможны многочисленные видоизменения или модификации описанных вариантов осуществления.
Настоящее изобретение в общем касается системы и способа добычи основанных на углеводороде текучих сред из подземных пластов. Система и способ используются в электрической погружной насосной системе, имеющей погружной электродвигатель и предохранительное устройство электродвигателя, объединенные в единое устройство. В одном варианте осуществления секция электродвигателя объединена с механизмом предохранительного устройства типа мягкого резервуара предохранительного устройства и/или лабиринтной компенсационной камеры предохранительного устройства. Такое объединение можно использовать, например, для исключения двойных частей, и для исключения пополнения узла маслом в полевых условиях. Однако устройства и способы настоящего изобретения не ограничены использованием в конкретных применениях, которые описаны здесь.
На фиг.1 показана система 20 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 20 содержит электрическую погружную насосную систему 22, развертываемую в подземной среде, типа нефтедобывающей скважины.
В иллюстрируемом варианте осуществления электрическую погружную насосную систему 22 развертывают в стволе 24 скважины с помощью системы 26 развертывания, типа эксплуатационной насосно-компрессорной колонны или намотанной насосно-компрессорной колонны. Однако можно использовать другие типы систем развертывания, например кабельные системы развертывания. В частности, насосная система 22 подвешена от устья 28 скважины с помощью системы 26 развертывания, и основанная на углеводороде текучая среда добывается вверх к устью 28 скважины через эксплуатационную насосно-компрессорную колонну, которая составляет систему 26 развертывания. Устье 28 скважины расположено в местоположении на поверхности, типа у поверхности 29 земли.
В иллюстрируемом варианте, ствол 24 скважины пробурен в формацию 30, содержащую, например, нефть. Ствол скважины может быть облицован обсадной трубой 32 скважины, имеющей отверстия 34, через которые нефть протекает из формации 30 в ствол 24 скважины. Однако следует отметить, что систему 20 можно использовать в других применениях, типа применений закачивания, где в формацию 30 закачивают флюид.
Электрическая погружная насосная система 22 содержит погружной насос 36, подсоединенный к системе 26 развертывания соединителем 38. Флюид втягивается в погружной насос 36 через всасывающее отверстие 40 насоса. Погружной насос 36 снабжается электроэнергией посредством движущего узла 42, который получает электроэнергию по силовому кабелю 44. Как обсуждается ниже, движущий узел 42 представляет собой единое устройство, которое объединяет секцию электродвигателя с секцией предохранительного устройства электродвигателя, способной выравнивать давление между стволом 24 скважины и внутренней частью секции электродвигателя наряду с приспосабливанием к расширению/сжатию смазочной жидкости, например моторного масла, внутри движущего узла 42.
Объединение погружного электродвигателя и предохранительного устройства электродвигателя в единственном устройстве может снижать себестоимость за счет исключения частей и упрощения монтажа в полевых условиях. Дополнительно, объединенный движущий узел 42 может быть предварительно заполнен моторным маслом. При исключении необходимости объединять отдельные электродвигатель и предохранительное устройство электродвигателя, движущий узел может быть аккуратно предварительно заполнен на заводе без потери масла в полевых условиях вследствие сборки отдельных компонентов. Таким образом, во время монтажа электрической погружной насосной системы 22 в стволе 24 скважины экономится время и снижаются затраты.
На фиг.2 показан вариант осуществления движущего узла 42. Движущий узел 42 содержит внешний кожух 46, который вмещает секцию 48 электродвигателя и секцию 50 предохранительного устройства электродвигателя. Секция 48 электродвигателя содержит, например, секцию 52 ротора и статора и вращаемую с помощью нее секцию 54 вала. Секция 54 вала вращаемым образом и по оси прикреплена к секции 56 вала секции 50 предохранительного устройства. Секции 54 и 56 вала вращаются вместе вокруг оси 58 движущего узла 42. Секция 50 предохранительного устройства содержит разделительную и компенсационную камеру, которая может быть образована в множестве форм. Например, разделительную и компенсационную камеру 59 можно формировать в виде одной или больше лабиринтных или мягких компенсационных камер. Камера 59 используется для отделения флюида ствола скважины от моторной жидкости наряду с обеспечением возможности расширения/сжатия моторного масла.
Секции 54 и 56 вала вращаемым образом установлены внутри внешнего кожуха 46 через множество коренных подшипников 60, имеющих протекторы 62 для уменьшения износа. В движущем узле 42 также можно использовать другие типы подшипников. Например, в секции 48 электродвигателя можно использовать подшипник 64 ротора. Движущий узел 42 также может содержать другие компоненты. Например, в секции 48 электродвигателя может быть установлен за одно целое чувствительный элемент 66. В иллюстрируемом варианте осуществления чувствительный элемент 66 содержит многоцелевое измерительное устройство, которое можно использовать для считывания одного или более параметров, связанных со стволом скважины. Электроэнергию для секции 48 электродвигателя обеспечивают через силовой кабель 44, подсоединенный к электрическому кабельному соединению 67.
Секцию 54 вала и секцию 56 вала можно формировать в виде общего вала, проходящую через секцию 48 электродвигателя и секцию 50 предохранительного устройства электродвигателя. Секции вала также можно прикреплять по оси посредством приваривания коррозионно-устойчивой секции 56 вала к стальной секции 54 вала электродвигателя. Коррозийная стойкость является выгодной, потому что секция 56 вала может подвергаться воздействию флюида скважины, и поэтому для формирования секции 56 вала можно использовать коррозионно-устойчивый сплав, например, Monel®, Inconel® или нержавеющую сталь. На фиг.2 приваривание секций вала иллюстрируется сварным соединением 68, показанным фантомными линиями. В другом варианте осуществления секция 54 вала и секция 56 вала соединены постоянно с помощью фитинга и конца одной секции вала в открытом конце другой и крепления по оси секций, например, через посадку с натягом, пайку мягким припоем или пайку твердым припоем. Посредством примера, фиг.2 иллюстрирует открытый конец 70, типа соединительной втулки, для приема конца смежной секции вала.
Что касается фиг.3, то на ней показан другой вариант осуществления объединенных секций 54 и 56 вала. В этом варианте осуществления секции вала прикреплены друг к другу по оси на заводе, но секции вала потенциально могут разделяться, чтобы облегчать изготовление и обслуживание движущего узла 42. Секции 54 и 56 вала соединены на заводе посредством резьбового соединения. В этом варианте осуществления конец 72 одной секции вала вставлен в гнездо 74 смежной в осевом направлении секции. Вращающий момент может передаваться рядом механизмов, таких как составляющие одно целое шлицы 76, один или более поперечные болты 78 (показаны фантомными линиями), одна или более шпонки 80 (показаны фантомными линиями) или резьба в муфтовом соединении. Вес секции 54 вала электродвигателя и прикрепленного ротора может поддерживаться, например, поперечными болтами 78, резьбой во втором соединении или переходной муфтой 82 с нарезкой. Переходная муфта 82 с нарезкой подвешена на буртике или сепараторном кольце 84, прикрепленном к секции 56 вала. Стопорный винт 86 можно использовать для предотвращения отхода переходной муфты 82 с нарезкой, как только она навинчена на конец секции 54 вала.
Как иллюстрируется на фиг.3 и 4, когда секции 54 и 56 вала прикреплены по оси друг к другу, поверх соединения может быть перемещен участок 88 внешнего кожуха 46, чтобы закрыть соединение. Затем внешний кожух 46 может быть завершен, например, зацеплением с помощью резьбы участка 88 (внешнего кожуха, который закрывает секцию 48 электродвигателя) с участком 90 (внешнего кожуха 46, который закрывает секцию 50 предохранительного устройства), как иллюстрируется на фиг.4.
Чтобы дополнительно препятствовать потере моторного масла между предварительным заполнением на заводе и монтажом электрической погружной насосной системы в стволе 24 скважины, электрическое кабельное соединение 67 может содержать систему 92 предотвращения потери текучей среды, как показано на фиг.5 и 6. Следует отметить, что систему 92 предотвращения потери текучей среды можно использовать с множеством погружных электродвигателей и движущих узлов, и она не ограничена использованием с описанными здесь вариантами осуществления. Система 92 предотвращает потери моторного масла между временем, когда колпачок для перевозки удален с соединения 67 электрического кабеля, и временем, когда кабельный соединитель 94 (фиг.6) вставлен в кабельное соединение 67. Как только кабельный соединитель 94 вставлен в кабельное соединение 67, устанавливается связь по текучей среде между границей 96 раздела соединения и внутренним объемом 98 секции 48 электродвигателя, в котором давление уравновешено со стволом 24 скважины. Таким образом, соединение электрического кабеля 67 является переходным между закрытым или герметизированным положением, как лучше всего иллюстрировано на фиг.5, и открытым положением, как лучше всего иллюстрировано на фиг.6. Кабельное соединение 67 предотвращает повреждение соединения высоким перепадом давления через приток флюида скважины или через чрезмерное усилие. Кабельное соединение 67 также гарантирует, что какие-либо небольшие утечки флюида скважины в электрическое кабельное соединение разбавляются и тратятся внутри электродвигателя. Вместо концентрирования в электрическом кабельном соединении 67, где они наиболее вероятно могут вызвать короткое замыкание в электрической цепи, благодаря открытому положению соединения 67 какие-либо небольшие вторгающиеся количества флюида скважины могут протекать во внутренний объем 98.
На фиг.5 показана система 92 предотвращения потери текучей среды, как имеющая подпружиненное оконечное устройство 100. Оконечное устройство 100 действует, как вентильный тарельчатый клапан, и смещается в герметизированное положение. В этом варианте осуществления оконечное устройство 100 скользящим образом установлено в порте 102 оконечного устройства, где подводка 104 электродвигателя проходит в проводящий контакт с проводящим элементом 106 оконечного устройства 100. Пружинный элемент 108 смещает оконечное устройство 100 к сепараторному кольцу 110 и герметизированному положению. Сальниковое уплотнение 112, типа кольцевой уплотнительной прокладки, расположено между оконечным устройством 100 и внутренней поверхностью порта 102 оконечного устройства для герметизирования электрического кабельного соединения 67 от притока нежелательной текучей среды. Когда оконечное устройство 100 перемещается против действия пружинного элемента 108 и к открытому положению, иллюстрируемому на фиг.6, сальниковое уплотнение 112 перемещается по рельефной выемке 114, сформированной во внутренней стенке порта 102 оконечного устройства. Перемещение оконечного устройства 100 против смещения пружины пружинного элемента 108 может быть выполнено, например, посредством забивания кабельного соединителя 94 в электрическое кабельное соединение 67, как иллюстрировано на фиг.6. В этом варианте осуществления пружинный элемент 108 также сжимает диэлектрическую прокладку 116 между смежными лицевыми поверхностями кабельного соединителя 94 и оконечного устройства 100 по границе 96 раздела соединения. Диэлектрическая прокладка 116 ограничивает нежелательную чрезмерную утечку тока.
На фиг.7 показан движущий узел 42, содержащий механизм 118 защиты, который понижает потенциальную возможность повреждения песком движущего узла 42. Этот особенный признак также можно адаптировать к другим типам предохранительных устройств электродвигателя и скважинных компонентов. Как показано, механизм 118 защиты содержит одно или больше выпускные отверстия 120 для песка, которые образованы в поперечном направлении сквозь внешний кожух 46 в головной части 122 секции 50 предохранительного устройства электродвигателя. Выпускные отверстия 120 для песка обеспечивают возможность промывки песка из секции 50 предохранительного устройства флюидом скважины прежде, чем песок может повредить коренные подшипники 60 или другие внутренние компоненты движущего узла 42. Механизм 118 защиты также может содержать колпак 124, установленный поверх верхнего или головного подшипника 60, чтобы блокировать перемещение песка вниз к верхнему коренному подшипнику или другим внутренним компонентам. Между колпаком 124 и головным подшипником 60 может быть установлено вращающееся сальниковое уплотнение 125 вала. Кроме того, колпак 124 может приниматься и удерживаться на месте выемкой 126, образованной по внутреннему диаметру внешнего кожуха 46. Хотя колпак 124 может быть изготовлен из ряда материалов, иллюстрируемый колпак сформирован из полимерного материала, типа эбонита. Дополнительно или альтернативно, головной подшипник 60 может быть изготовлен из керамического или карбидного материала, чтобы противостоять истиранию от флюида скважины и противостоять износу вследствие вибрации, происходящей от работы погружного насоса 36.
В вариантах осуществления, иллюстрируемых на фиг.8, 9, 10, в коренных подшипниках 60 используются протекторы 62 для уменьшения износа, которые являются заменяемыми. Таким образом, в движущем узле 42 могут быть установлены новые протекторы 62 для уменьшения износа с целью продления полезного ресурса узла. Ссылаясь конкретно на фиг.8, отметим, что каждый протектор 62 для уменьшения износа съемным образом соединен либо с секцией 54 вала, либо с секцией 56 вала с помощью шпонки 128 и пары пружинных запорных колец 130. Шпонка 128 препятствует вращательному перемещению протектора 62 для уменьшения износа относительно секции вала, а пружинные запорные кольца 130 ограничивают аксиальное перемещение протектора 62 для уменьшения износа по секции вала. Дополнительно, каждый радиально-упорный подшипник 60 может содержать самосмазывающую втулку 132. Втулки 132 могут использоваться по всему движущему узлу 42, включая внутреннюю часть подшипников ротора секции 48 электродвигателя, для снижения износа подшипников в условии недостаточной смазки и старения масла. Самосмазывающая втулка 132 может быть разработана так, чтобы наезжать на цапфы из твердого сплава. Примеры соответствующих материалов втулок включают втулки из листового металла с полимерным покрытием, типа втулок из листового металла с полимерным покрытием Glacier Hi-eX® или DP4®.
Альтернативный вариант осуществления коренных подшипников 60 и заменяемых протекторов 62 для уменьшения износа иллюстрируется на фиг.9 и 10. В этом варианте осуществления каждый протектор 62 для уменьшения износа помещен на секцию 54 или 56 вала с использованием кольца 134 допустимого отклонения. Кольцо 134 допустимого отклонения обеспечивает возможность прессовой посадкой заменяемого протектора 62 для уменьшения износа на валу в местоположении, удаленном от концов вала, без необходимости в прессовой посадке протектора 62 для уменьшения износа по всей длине вала между концом вала и требуемым местоположением подшипника. Как лучше всего показано на фиг.10, каждое кольцо 134 допустимого отклонения можно формировать в виде тонкой соединительной втулки, имеющей рифление 136, которое обеспечивает возможность создания прессовой посадки между двумя цилиндрическими частями.
Движущий узел 42 также содержит один или несколько подшипников 64 ротора, которые вращательным образом удерживаются на месте для предотвращения быстрого вращения подшипника вместе с секцией 54 вала электродвигателя. В этом варианте осуществления, как иллюстрируется на фиг.11 и 12, каждый подшипник 64 ротора содержит подпружиненную шпонку 138, расположенную по внешней поверхности 140 подшипника 64 ротора. Подпружиненная шпонка 138 смещается в радиальном направлении наружу для зацепления с окружающей структурой типа внутренней поверхности слоистой структуры статора внутри секции 48 электродвигателя. Шпонка 138 смещается наружу пружиной 142, сжатой между углублением 144, образованным сквозь внешнюю поверхность 140, и углублением 146, образованным во внутренней части шпонки 138. Подшипник 64 ротора также может содержать самосмазывающую втулку 148, установленную по радиально внутренней стороне подшипника, то есть по секции 54 вала.
Как иллюстрируется на фиг.12, самосмазывающая втулка 148 может быть разработана для посадки с натягом при размещении самосмазывающей втулки внутри окружающего корпуса 150 подшипника. Проблема, связанная с такими посадками с натягом, состоит в том, что когда втулку вжимают в корпус подшипника, имеющий шпоночную канавку, подшипник деформируется из окружности, поскольку канавка снижает жесткость подшипника в этом месте относительно остальной не снабженной шпонкой секции. Соответственно, для выравнивания деформации и сохранения округлости в пределах требуемых допусков к корпусу подшипника 150 добавлены дополнительные шпоночные канавки или пазы 152. Например, пазы 152 могут быть расположены во взаимодействии с существующими шпоночными канавками, чтобы формировать разрывы, расположенные на равных расстояниях друг от друга вокруг корпуса подшипника.
Как иллюстрируется на фиг.13, секция 48 электродвигателя также может содержать чувствительный элемент 66 для считывания по меньшей мере одного связанного со скважиной параметра, типа температуры, давления, вибрации и/или скорости потока. Чувствительным элементом 66 может быть многоцелевое измерительное устройство, предназначенное для считывания множества параметров. В этом варианте осуществления чувствительный элемент 66 заполнен воздухом атмосферного давления и изолирован от давления моторного масла и давления в скважине, например, посредством нерезьбовой перемычки 156, к которой прикреплены электрические и измерительные компоненты 158 чувствительного элемента. Перемычка 156 предназначена для монтажа в секции 48 электродвигателя без вращения, чтобы избегать перекручивания электропроводки. Также, перемычку 156 устанавливают между подмоторной плитой 160 и внешним кожухом 162 чувствительного элемента. Кожух 162 не прикреплен к компонентам 158 чувствительного элемента, но проходит по внешней части перемычки 156 для прикрепления к следующей смежной секции внешнего кожуха 46, например, посредством резьбового соединения 164.
Как обсуждалось выше, конструкция движущего узла 42 в виде единого устройства с объединенными секцией электродвигателя и предохранительной секцией обеспечивает возможность предварительного заполнения узла внутренней текучей средой, не беспокоясь о потере текучей среды позднее. Вследствие потенциальной высоты движущего узла 42, такое предварительное заполнение движущего узла можно облегчить при заполнении узла, расположенного под углом. Например, движущий узел может быть установлен под углом, обозначенным ссылочной позицией 166, составляющим менее 45 градусов от горизонтали. Соответственно, множество связанных отверстий 168 для заливки масла также расположены под углом относительно оси 58 для лучшего выпуска пузырьков во время заполнения движущего узла 42 маслом. Связанные отверстия для заливки масла можно формировать под углом сквозь множество структур движущего узла, включая, например, головную часть 170 электродвигателя, корпус 172 сальникового уплотнения, раму 174 мягкого резервуара и головную часть 176 предохранительного устройства. Угол связанных отверстий для заливки масла можно выбрать так, чтобы он в общем соответствовал требуемому углу 166, таким образом облегчая выпуск пузырьков.
Накапливаемый газ может создавать проблемы, если позволить ему накапливаться поблизости от внутренних компонентов, типа сальниковых уплотнений вала, подшипников, областей чередующегося поглощения и выделения газа камер предохранительного устройства или других восприимчивых компонентов. Пузырьки, захваченные во вращающихся компонентах, таких как сальниковые уплотнения вала и подшипники, могут вызывать повреждения из-за исключения смазки маслом. Дополнительно, пузырьки, захваченные в области чередующегося поглощения и выделения газа камеры предохранительного устройства могут втягиваться вниз во вращающиеся компоненты под камерой, когда секция электродвигателя выключена. Повреждение обычно происходит после перезапуска секции электродвигателя или движущего узла 42.
Накопление газа может происходить по ряду причин. Например, накопление может происходить в результате того, что воздух остается в узле вследствие неполного заполнения смазочным маслом; в результате проникновения воздуха в смазочное масло во время заполнения; выделения газов, растворенных в смазочном масле, при повышении температуры или падении давления, из-за рассеянных газов в стволе скважины, которые выделяются при повышении температуры или падении давления, или из-за газов, образующихся при химических реакциях в оборудовании. Если такие газы нарастают вокруг восприимчивых компонентов во время работы, для электрической погружной насосной системы 22 может потребоваться преждевременное обслуживание или замена.
Как иллюстрируется на фиг.15 и 16, внутри внешнего кожуха 46 расположен пузырьковый сборник 180. В пузырьковом сборнике 180 используется каркас 182, который создает специально предназначенный объем 184, расположенный внутри. Специально предназначенный объем 184 имеет достаточный размер для сбора газа, который иначе может мешать работе внутренних компонентов во время нормальной работы электрической погружной насосной системы 22.
В иллюстрируемом варианте осуществления пузырьковый сборник 180 расположен выше компонента 186, который подлежит защите от накапливаемого газа. Компонент 186 может содержать ряд компонентов. Например, компонент 186 может быть вращающимся компонентом, типа сальникового уплотнения вала или подшипника 60. В таком варианте осуществления специально предназначенный объем 184 обеспечен выше вращающегося компонента, а каркас 182 можно, например, формировать из того же кожуха, который вмещает вращающийся компонент. В другом варианте осуществления компонент 186 может содержать лабиринтную камеру, а специально предназначенный объем 184 расположен выше, например, неподвижной трубы лабиринтной камеры. Специально предназначенный объем 184 используется как пузырьковый сборник для собирания пузырьков, которые иначе могут всасываться вниз в камеру упорного подшипника или головную часть электродвигателя и вызывать повреждение вращающихся компонентов. В другом примере компонент 186 может содержать камеру мягкого резервуара, а специально предназначенный объем 184 расположен выше камеры мягкого резервуара. Например, мягкий резервуар 188 предохранительного устройства и камера мягкого резервуара иллюстрированы на фиг.15. В этом варианте осуществления специально предназначенный объем 184 пузырькового сборника 180 служит для предотвращения всасывания пузырьков вниз через секцию предохранительного устройства.
В пузырьковый сборник 180 также может быть встроена система 190 клапанов, чтобы выпускать накопленные пузырьки из пузырькового сборника, не теряя при этом моторное масло и не впуская флюид из ствола скважины. Система 190 клапанов показана на фиг.15 пунктирными линиями. Система 190 клапанов может быть сконструирована в ряде форм в зависимости от конкретного применения. Например, система может содержать поплавковый клапан и предохранительный клапан, которые выпускают пузырьки в ствол скважины, когда давление в пузырьковом сборнике превышает давление из ствола скважины на величину, определяемую границей безопасности. В другом варианте осуществления система 190 клапанов может использовать фазовый датчик и/или датчик давления с целью определения соответствующих моментов времени для выпуска газа.
Как показано на фиг.16, иллюстрируемый вариант осуществления пузырькового сборника 180 изображает пузырьковый сборник, расположенный вокруг вала, типа секции 54 вала или секции 56 вала. В этом варианте осуществления каркас 182 дополнительно содержит опорную плиту 192, через которую проходят вал и окружающая вал труба 194. Опорная плита 192 содержит множество вентиляционных отверстий 196, через которые пузырьки газа проходят из компонента 186 в специально предназначенный объем 184, где газ содержится на расстоянии от компонентов, которые иначе могут быть повреждены. Система пузырькового сборника может быть встроена в ряд погружных узлов, типа погружных электродвигателей, предохранительных устройств погружных электродвигателей или объединенных компонентов, типа движущего узла 42.
Хотя выше были подробно описаны только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны множество видоизменений без существенного отхода от положений этого изобретения. Соответственно, такие видоизменения предназначены для включения в объем данного изобретения, как определено в формуле изобретения.
1. Система для добычи нефти, содержащая погружной насос и движущий узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства электродвигателя для герметизации секции электродвигателя от окружающей текучей среды и аккомодации теплового расширения внутренней смазочной жидкости во время добычи нефти и являющийся единым устройством, имеющим продольную ось и множество сообщенных отверстий для заливки масла, отличающаяся тем, что отверстия для заливки масла расположены под углом относительно указанной продольной оси таким образом, что угол отверстий соответствует углу установки движущего узла относительно вертикали в процессе его заполнения маслом.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что секция электродвигателя содержит вал секции электродвигателя, а секция предохранительного устройства электродвигателя содержит вал секции предохранительного устройства электродвигателя, и указанные валы соединены друг с другом.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя соединены посредством резьбового соединения.
4. Система по п.2, отличающаяся тем, что вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя соединены посредством посадки с натягом.
5. Система по п.2, отличающаяся тем, что вал секции электродвигателя и вал секции предохранительного устройства электродвигателя соединены посредством поперечного болта.
6. Система по п.1, отличающаяся тем, что движущий узел содержит электрическое кабельное соединение, имеющее смещаемое пружиной оконечное устройство, способное перемещаться между герметизированным положением и открытым положением.
7. Система по п.1, отличающаяся тем, что секция предохранительного устройства содержит головную часть предохранительного устройства, имеющую поперечное выпускное отверстие для песка.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что секция предохранительного устройства дополнительно содержит подшипник и колпак, предохраняющий подшипник от песка.
9. Система по п.1, отличающаяся тем, что движущий узел содержит, по меньшей мере, один коренной подшипник, имеющий заменяемый протектор для уменьшения износа.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что заменяемый протектор для уменьшения износа соединен с валом с помощью шпонки и стопора.
11. Система по п.9, отличающаяся тем, что заменяемый протектор для уменьшения износа соединен с валом с помощью кольца допустимого отклонения.
12. Система по п.1, отличающаяся тем, что движущий узел содержит множество подшипников, имеющих самосмазывающиеся втулки.
13. Система по п.1, отличающаяся тем, что секция электродвигателя содержит подшипник ротора, имеющий подпружиненную шпонку.
14. Система по п.1, отличающаяся тем, что секция электродвигателя содержит встроенный чувствительный элемент для считывания, по меньшей мере, одного скважинного параметра.
15. Способ формирования движущего узла для погружной насосной системы, содержащий соединение вала секции электродвигателя к валу секции предохранительного устройства для образования соединения и предварительное заполнение секции электродвигателя и секции предохранительного устройства смазочной жидкостью, отличающийся тем, что осуществляют размещение герметизированного корпуса вокруг соединения для образования объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства и формирование головной части секции предохранительного устройства с боковыми выпускными отверстиями для песка, расположенными выше подшипника секции предохранительного устройства.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит перемещение объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства к требуемому местоположению ствола скважины.
17. Способ по п.15, отличающийся тем, что для соединения вала секции электродвигателя к валу секции предохранительного устройства используют соединительную муфту с резьбовым сочленением.
18. Способ по п.15, отличающийся тем, что при размещении герметизированного корпуса выполняют зацепление с помощью резьбы кожуха секции электродвигателя с кожухом секции предохранительного устройства.
19. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают секцию электродвигателя оконечным устройством, способным смещаться пружиной к герметизированному положению и к открытому положению при размещении кабельного соединителя.
20. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит обеспечение объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства коренным подшипником, имеющим заменяемый протектор для уменьшения износа.
21. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно включает использование подшипника с самосмазывающейся втулкой.
22. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит включение встроенного чувствительного элемента в секцию электродвигателя.
23. Способ по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит формирование сообщенных отверстий для заливки масла, расположенных под углом относительно оси объединенных секции электродвигателя и секции предохранительного устройства.
24. Способ предохранения погружного электродвигателя, содержащий изготовление движущего узла для погружной насосной системы с секцией электродвигателя и секцией предохранительного устройства и доставку движущего узла к скважине добычи нефти в виде единого узла, отличающийся тем, что осуществляют размещение чувствительного элемента в секции электродвигателя.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют предварительное заполнение движущего узла смазочным маслом до доставки движущего узла к эксплуатационной скважине.
26. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют соединение по оси вала секции электродвигателя с валом секции предохранительного устройства.
27. Способ по п.26, отличающийся тем, что при указанном соединении валов используют единственный вал.
28. Способ по п.26, отличающийся тем, что при указанном соединении валов используют соединительную муфту для создания постоянного соединения между валом секции электродвигателя и валом секции предохранительного устройства.
29. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют формирование выпускного отверстия для песка в головной части секции предохранительного устройства.
30. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно используют коренные подшипники, имеющие заменяемые протекторы для уменьшения износа в движущем узле.
31. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно используют коренные подшипники, имеющие самосмазывающиеся втулки в движущем узле.
32. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно используют подшипники ротора, имеющие подпружиненные шпонки.
33. Способ по п.24, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют формирование сообщенных отверстий, расположенных под углом относительно оси движущего узла для обеспечения заполнения движущего узла смазочным маслом при его установке под требуемым углом.
34. Система для добычи нефти, содержащая секцию электродвигателя, имеющую электрическое кабельное соединение, отличающаяся тем, что электрическое кабельное соединение имеет оконечное устройство, способное перемещаться между герметизированным положением и открытым положением, обеспечивающим связь по текучей среде между границей раздела соединения и внутренним объемом секции электродвигателя.
35. Система по п.34, отличающаяся тем, что дополнительно содержит пружину для смещения оконечного устройства в герметизированное положение.
36. Система по п.35, отличающаяся тем, что дополнительно содержит диэлектрическую прокладку для ограничения чрезмерной утечки электрического тока.
37. Система по п.34, отличающаяся тем, что дополнительно содержит секцию предохранительного устройства, постоянно соединенную с секцией электродвигателя.
38. Система для добычи нефти, содержащая движущий узел для приведения в действие погружного насоса, имеющий коренной подшипник, расположенный вокруг ведущего вала, отличающаяся тем, что коренной подшипник содержит заменяемую соединительную втулку, закрепленную на ведущем валу по прессовой посадке посредством кольца допустимого отклонения в виде тонкой соединительной втулки, имеющей рифление.
39. Система по п.38, отличающаяся тем, что она содержит множество коренных подшипников, каждый из которых имеет заменяемый протектор для уменьшения износа.
40. Система по п.38, отличающаяся тем, что движущий узел содержит секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства, собранные в виде единого узла.
41. Система для добычи нефти, содержащая электрическую погружную насосную систему, имеющую секцию электродвигателя и секцию предохранительного устройства, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из секции электродвигателя и секции предохранительного устройства содержит пузырьковый сборник, содержащий каркас, имеющий специально предназначенный объем для сбора выделяемых газов.
42. Система по п.41, отличающаяся тем, что секция электродвигателя и секция предохранительного устройства изготовлены в виде единого узла.
43. Система по п.41, отличающаяся тем, что пузырьковый сборник расположен в секции предохранительного устройства.
44. Система по п.41, отличающаяся тем, что каркас расположен выше мягкого резервуара предохранительного устройства.
45. Система по п.41, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему предохранительного клапана в сообщении со специально предназначенным объемом для выпуска газа из пузырькового сборника.
46. Способ защиты компонентов электрической погружной насосной системы от накапливаемого газа, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одной из секции электродвигателя и секции предохранительного устройства электрической погружной насосной системы располагают пузырьковый сборник с каркасом, имеющим специально предназначенный объем, достаточный для сбора газа, который в противном случае препятствует смазке внутренних компонентов.
47. Способ по п.46, отличающийся тем, что располагают пузырьковый сборник над компонентом, чувствительным к повреждению внешним воздействием накапливаемым газом.
48. Способ по п.46, отличающийся тем, что используют пузырьковый сборник с каркасом, имеющим множество вентиляционных отверстий для протекания газа в специально предназначенный объем.
49. Способ по п.47, отличающийся тем, что используют пузырьковый сборник, расположенный вокруг вращающегося вала.
