Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления
Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти. Погружной электродвигатель содержит корпус, вращающийся внутри корпуса вал, передающий мощность вращения от секции электродвигателя к секции насоса, торцовое уплотнение, радиально окружающее вал для удерживания диэлектрической жидкости внутри электродвигателя, и узел компенсации объема диэлектрической жидкости с размещенной в нем системой поддержания постоянного положительного давления, включающей металлический сильфон. Система поддержания постоянного положительного давления оснащена пружиной, установленной внутри металлического сильфона в напряженном состоянии. Вал окружен, как минимум, двумя последовательно расположенными торцевыми уплотнениями с образованием полости между ними. Узел компенсации объема снабжен датчиком положения пружины/сильфона. Технический результат достигается в предотвращении попадания скважинной жидкости внутрь полости погружного электродвигателя на протяжении всего периода эксплуатации, обеспечении контроля за системой поддержания положительного давления, повышении надежности погружного электродвигателя и увеличении средней наработки до отказа. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти.
Известен погружной электродвигатель (ПЭД) установки электроцентробежного насоса с гидрозащитой, имеющий систему поддержания постоянного положительного давления и содержащий внешний корпус, вал, уплотнение, радиально окружающее вал, установленный над уплотнением резервуар с барьерной жидкостью, имеющей плотность большую, чем плотность воды, расположенные один внутри другого металлические сильфоны, между которыми размещен тяжелый груз или пружина, обеспечивающие создание положительного давления внутри полости ПЭД [US 9631725 В2].
Недостатком данного ПЭД является необходимость применения специального резервуара для барьерной жидкости. К тому же ограничение по плотности барьерной жидкости исключает возможность применения, например, деэмульгаторов с плотностью меньше плотности воды для уменьшения риска выпадения асфальтенов. Использование в системе создания положительного давления груза делает неприемлемым эксплуатацию ПЭД в горизонтальных скважинах, а применение пружины, расположенной в среде скважинной жидкости между наружным и внутренним сильфонами, может сопровождаться из-за воздействия скважинной жидкости изменением свойств пружины, например, коррозией металла, и как следствие потерей упругости, что отрицательно скажется на процессе поддержания положительного давления.
Известны погружные электродвигатели с системой поддержания постоянного положительного давления, в гидрозащите которых размещена система для контроля условий работы металлических сильфонов, содержащая один или несколько датчиков давления, определяющих дифференциальное давление на металлическом сильфоне путем преобразования давления в электрический сигнал [US 9528368B2; GB 2534707; AU 2014309299; NO 20160311].
Недостатками ПЭД с указанной системой является недостаточная надежность датчика дифференциального давления, в случае отказа которого теряется возможность регулирования величины давления в рамках, обеспечивающих герметичность соединения ПЭД, что приведет к попаданию скважинной жидкости в полость ПЭД.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления, содержащий корпус, вращающийся внутри корпуса вал, передающий мощность вращения от секции электродвигателя к секции насоса, торцовое уплотнение, радиально окружающее вал и удерживающее диэлектрическую жидкость внутри электродвигателя, узел компенсации объема диэлектрической жидкости с размещенной в нем системой поддержания постоянного положительного давления, включающий сборку металлических сильфонов, обеспечивающую положительное давление внутри электродвигателя относительно давления обтекающей его скважинной жидкости, и, по крайней мере, один ограничитель перемещения сильфона. В сборку сильфонов включены два типа сильфонов, которые различаются по радиальному размеру [Пат. US 9528357B2 или СА2389419С или GB2379094B].
Недостатками прототипа является наличие неподвижных ограничителей, лимитирующих перемещение сильфонов во время расширения сильфонного узла. Когда сильфон достигает своего максимального положения и опирается в ограничитель, перепад давления на сильфонном узле может превысить изначальное расчетное давление, и при дальнейшем расширении диэлектрической жидкости, заполняющей электродвигатель, перепад давления между полостью сильфона и скважинной жидкостью в условиях ограничения осевого размера сильфона возрастет до значения, превышающего максимально возможный перепад давления по прочностным характеристикам, что может привести к деформации и разрыву сильфона, и, как следствие, повлечь за собой попадание скважинной жидкости внутрь полости ПЭД.
Другим недостатком данной конструкции является отсутствие системы контроля положения сильфона, что ограничивает возможность регулировки параметров установки и ПЭД на поверхности с целью оптимизации работы системы или получения исчерпывающей информации о причине отказа.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: предотвращение попадания скважинной жидкости внутрь полости погружного электродвигателя на протяжении всего периода эксплуатации, обеспечение контроля за системой поддержания положительного давления, повышение надежности погружного электродвигателя и увеличение средней наработки до отказа.
Указанный результат достигается тем, что в погружном электродвигателе с системой поддержания постоянного положительного давления, содержащем внешний корпус, вращающийся внутри корпуса вал, передающий мощность вращения от секции электродвигателя к секции насоса, торцовое уплотнение, радиально окружающее вал для удерживания диэлектрической жидкости внутри электродвигателя, узел компенсации объема диэлектрической жидкости с размещенной в нем системой поддержания постоянного положительного давления, включающей металлический сильфон, согласно изобретению, система поддержания постоянного положительного давления оснащена пружиной, установленной внутри металлического сильфона в напряженном состоянии, вал окружен, как минимум двумя последовательно расположенными торцевыми уплотнениями с образованием полости между ними, а узел компенсации объема снабжен датчиком положения пружины/сильфона.
С целью повышения надежности работы сильфонов внутри узла компенсации может быть установлен коаксиально направляющий шток.
Для предотвращения образования отложений при контакте диэлектрической жидкости, находящейся внутри электродвигателя, со скважинной жидкостью полость между торцовыми уплотнениями может быть заполнена барьерной жидкостью.
В вариантах исполнения, когда торцовых уплотнений три и более, они соответственно образуют две и более полости, тогда в каждой полости между торцовыми уплотнениями может быть установлен металлический сильфон.
Кроме того, в нижней части электродвигателя с целью защиты поверхности металлического сильфона от восходящего потока скважинной жидкости может быть размещен эластичный элемент, заполненный защитной жидкостью, при контактировании которой со скважинной жидкостью поверхность металлического сильфона не подвергается коррозии и на ней не образуются отложения.
В узле компенсации объема для улучшения надежности предпочтительно последовательно устанавливать два или более металлических сильфона с пружиной в каждом из них.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен заявляемый погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления, на фиг. 2 - фрагмент нижней части ПЭД с эластичным элементом.
Погружной электродвигатель 2 с системой поддержания постоянного положительного давления снабжен сверху протектором 1, а снизу к нему прикреплен узел компенсации 3 (фиг. 1). Протектор 1 содержит вал 4, основание 5, головку 6, верхнее и нижнее торцовые уплотнения 7. Вокруг вала 4 между нижним и верхним торцовыми уплотнениями 7 образована полость 8. Полость 8 может быть заполнена как диэлектрической жидкостью, так и барьерной жидкостью, предназначенными для снижения вероятности образования на внешней поверхности верхнего торцового уплотнения 7 отложений, которые могут привести к преждевременному выходу из строя данного уплотнения. В качестве барьерной жидкости может быть использован деэмульгатор, предотвращающий выпадение асфальтенов при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью, а также жидкость, имеющая плотность выше плотности скважинной жидкости, что не позволит последней даже в случае ее проникновения через верхнее торцовое уплотнение в полость 8 попасть под действием силы тяжести в нижерасположенную полость ПЭД 2.
Полость ПЭД 2 заполнена диэлектрической жидкостью и соединена гидравлически с узлом компенсации 3. Внутри узла компенсации 3 в окружении диэлектрической жидкости размещена система поддержания постоянного положительного давления, включающая металлический сильфон 10 с дном 9 на подвижном нижнем конце и пружиной 11, которая установлена внутри него и ориентирована вдоль оси вала 4. Нижний конец пружины 11 соединен с подвижным дном 9 металлического сильфона 10 и способен к осевому перемещению, а верхний конец закреплен жестко. Металлический сильфон 10 и пружина 11 находятся в напряженном (растянутом) состоянии, это обеспечивает возможность создания в полости ПЭД 2 с диэлектрической жидкостью избыточного давления. Для повышения надежности узла компенсации 3 и оперативного контроля величины давления внутри него может быть последовательно установлено два или более металлических сильфона 10, каждый из которых должен быть оснащен пружиной для создания положительного давления на случай, если какой-нибудь из сильфонов выйдет из строя или потеряет герметичность.
Внутри узла компенсации 3 расположен датчик 12, предназначенный для определения положения пружины/сильфона и связанный с наземным оборудованием для передачи показаний. В качестве датчика 12 определения положения сильфона 10 может использоваться любой датчик, реагирующий на силу растяжения пружины, например, индуктивный датчик либо тензодатчик. Индуктивный датчик может представлять собой катушку, расположенную вокруг сердечника, роль такой катушки может выполнять пружина 11, индуктивность которой меняется в зависимости от степени ее растяжения/сжатия.
В нижней части ПЭД 2 может быть дополнительно размещен эластичный элемент 13 в виде диафрагмы, заполненный защитной жидкостью 14, например, деэмульгатором (фиг. 2). Защитная жидкость 14 предохраняет металлический сильфон 10 от проникновения в него снизу скважинной жидкости 15 и последующего отложения на его наружной поверхности включений, содержащихся в скважинной жидкости, например, в виде асфальтенов. Наряду с деэмульгатором в качестве защитной жидкости 14 может использоваться иная жидкость с плотностью ниже плотности скважинной жидкости, в этом случае более тяжелая скважинная жидкость, находящаяся снизу, не сможет подняться к поверхности металлического сильфона 10 в случае повреждения эластичного элемента 13.
Внутри узла компенсации объема 3 в области металлического сильфона 10 может быть установлен коаксиально направляющий шток 16, который предотвращает изгибные деформации металлического сильфона 10.
Для повышения надежности протектора 1 количество установленных на валу 4 торцовых уплотнений 7 может быть больше двух, что приведет к образованию дополнительных полостей 8 между ними. Для компенсации изменения объема жидкости в протекторе 1 между каждой парой торцовых уплотнений 7 может быть установлен металлический сильфон 16, гидравлически связанный с полостью 8 (фиг. 1).
Заявляемый погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления работает следующим образом.
При спуске установки в скважину и во время ее работы температура электродвигателя 2 начинает повышаться и происходит расширение находящейся в его полости диэлектрической жидкости. Узел компенсации 3, расположенный в нижней части электродвигателя 2, компенсирует температурные изменения объема диэлектрической жидкости в полости электродвигателя 2 путем расширения или сжатия сильфонов 10 и обеспечивает при этом выравнивание давления между диэлектрической жидкостью внутри и скважинной жидкостью, обтекающей электродвигатель снаружи. Наличие коаксиально установленного направляющего штока 16 внутри узла компенсации 3, исключающего изгиб сильфонов 10, обеспечивает движение сильфонов строго в осевом направлении, тем самым повышая надежность узла компенсации. Торцовые уплотнения 7, перекрывающие кольцевое пространство вокруг вала 4 в верхней части протектора 1, препятствуют прохождению скважинной жидкости из затрубного пространства, защищая таким образом внутреннюю полость ПЭД 2 от попадания скважинной жидкости.
Тем не менее в процессе работы установки и электродвигателя 2 возможно попадание в торцовое уплотнение 7 включений скважинной жидкости, в том числе твердых частиц, находящихся в скважинной жидкости во взвешенном состоянии. Из-за этого со временем торцовое уплотнение 7 истирается и теряет свою уплотнительную способность. Вероятность попадания частиц в торцовое уплотнение 7 возрастает во время остановок УЭЦН, когда происходит изменение давления внутри полости ПЭД 2. В это время металлический сильфон 10 и пружина 11 системы поддержания постоянного положительного давления в узле компенсации 3, находясь в напряженном состоянии, создают в полости электродвигателя 2 избыточное постоянное давление. Величина избыточного давления контролируется на основе показаний датчика 12, который передает сведения о положение сильфона 10 и пружины 11 на поверхность, например, через телеметрическую систему. Создание избыточного давления внутри всей полости ПЭД 2 и, соответственно, с внутренней стороны торцового уплотнения 7 вынуждает поток жидкости двигаться только в одном направлении: из полости электродвигателя 2 в скважинную жидкость, исключая при этом возможность противотока скважинной жидкости в полость электродвигателя.
В процессе работы датчик 12 определяет положение сильфона 10 и пружины 11 и передает показания на поверхность, например, через телеметрическую систему, тем самым позволяя определить состояние работоспособности системы поддержания положительного давления на поверхности.
В качестве примера рассмотрим вариант исполнения настоящего изобретения, когда начальное положение сильфона 10 и пружины 11 устанавливают таким образом, чтобы система поддержания постоянного положительного давления при температуре обмотки электродвигателя 180°С обеспечивала избыточное давление 2 атм. Величину первоначального растяжения пружины 11 и объем диэлектрической жидкости, необходимый для заполнения полости ПЭД 2, определяют расчетным путем с учетом возможных утечек таким образом, чтобы этого объема диэлектрической жидкости хватило на весь заданный период эксплуатации УЭЦН. Для этого прежде всего необходимо задаться прогнозируемым сроком работы установки и ПЭД 2. Путем подбора жесткости и геометрических размеров пружины 11 добиваются точной установки заданного значения избыточного давления внутри узла компенсации 3. При этом также учитывают величину возможных утечек через торцовые уплотнения 7 на основании изучения (или расчета) изменения величины утечки во времени от величины перепада давления в системе поддержания положительного давления. Допустим, что суммарная интегральная величина утечек через торцовое уплотнение при изменении перепада давления с величины от 2 до 1 атм составит 3 л, а объем диэлектрической жидкости внутри ПЭД при конечном сжатом положении пружины составляет 5 л. Тогда суммарный объем диэлектрической жидкости для заполнения полости ПЭД 2 должен составлять 8 л. Исходя из начального объема 8 л и положения сильфонов определяют геометрические размеры и жесткость пружины так, чтобы в начальный момент в системе положительного давления создавалось давление 2 атм.
Наличие пружины внутри полости погружного электродвигателя обеспечивает постоянное положительное давление внутри полости по отношению к давлению скважинной жидкости, таким образом предотвращая попадание скважинной жидкости внутрь полости погружного электродвигателя на протяжении всего периода эксплуатации. Размещение пружины внутри диэлектрической жидкости предотвращает ее коррозию и износ ввиду отсутствия контакта с коррозионно-активной скважинной жидкостью. Наличие датчика определения положения сильфона обеспечивает оперативный контроль за работой системы поддержания положительного давления. Как следствие, повышается средняя продолжительность работы и надежность погружного электродвигателя, а, следовательно, и всей УЭЦН в целом.
1. Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления, содержащий корпус, вал, вращающийся внутри корпуса и передающий мощность вращения от секции электродвигателя к секции насоса, два и более последовательно установленных торцовых уплотнения с образованием полости между ними или одно торцевое уплотнение, радиально окружающие вал для удерживания диэлектрической жидкости внутри электродвигателя, узел компенсации объема диэлектрической жидкости с размещенной в нем системой поддержания постоянного положительного давления, включающей, по крайней мере, один металлический сильфон и пружину в напряженном состоянии, расположенную внутри него, отличающийся тем, что пружина расположена в растянутом состоянии внутри полости с диэлектрической жидкостью, верхний конец пружины закреплен жестко со стороны электродвигателя, а нижний конец пружины прикреплен к дну металлического сильфона с возможностью осевого перемещения, узел компенсации объема снабжен датчиком положения пружины/сильфона, полость между торцевыми уплотнениями заполнена барьерной жидкостью, предотвращающей образование отложений при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью, при этом в нижней части электродвигателя размещен эластичный элемент, заполненный защитной жидкостью, предотвращающей образование отложений на поверхности металлических сильфонов при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью.
2. Погружной электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутри узла компенсации объема установлен коаксиально направляющий шток.
3. Погружной электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что между торцовыми уплотнениями установлен металлический сильфон, гидравлически связанный с полостью между ними.
4. Погружной электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в узле компенсации объема установлено два или более металлических сильфона, каждый из которых оснащен пружиной.
