ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НАСОСНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ПЕРЕКАЧКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ИЗ ПОДЗЕМНОЙ СКВАЖИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2015 года по МПК F04D13/10 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к погружному электрическому центробежному насосу и конкретнее к заправке насоса моторным маслом с поверхности во время его работы в скважине.

Предпосылки изобретения

Различные добываемые текучие среды перекачивают из подземных вмещающих пород. Различные типы погружных насосных систем можно размещать в залежах текучей среды под землей для перекачки необходимых текучих сред на поверхность земли.

Например, при добыче нефти и других полезных текучих сред из эксплуатационных скважин общеизвестно создание погружной насосной системы для подъема текучих сред, собранных в скважине. Текучие среды добычи, например нефть, входят в ствол скважины, пробуренный в эксплуатационный пласт. Текучие среды, содержащиеся в пласте, собираются в стволе скважины и поднимаются погружной насосной системой на место сбора на поверхности земли или над ней.

Обычная погружная насосная система содержит несколько компонентов, таких как погружной электродвигатель, приводящий в действие погружной насос. Система дополнительно может содержать различные компоненты, такие как соединительное устройство, используемое для соединения погружной насосной системы с системой развертывания. Обычные системы развертывания включают в себя эксплуатационную насосно-компрессорную трубу, кабель и гибкую насосно-компрессорную трубу. Кроме того, электропитание подается на погружной электродвигатель силовым кабелем, проходящим через систему развертывания или по ней.

Часто, подземная среда (особенно скважинная текучая среда) и текучие среды, которые закачивают с поверхности в ствол скважины (такие как текучие среды кислотной обработки), содержат коррозионные составы, которые могут включать в себя CO₂, H₂S и соленую воду. Данные коррозионные вещества могут быть разрушительными для компонентов погружных насосных систем, особенно для внутренних компонентов электродвигателя, таких как медные обмотки и бронзовые подшипники. Более того, вне зависимости от коррозионности текучей среды, если текучая среда входит в двигатель и смешивается с моторным маслом, текучая среда может понизить диэлектрические свойства моторного масла и изоляционных материалов компонентов двигателя. Соответственно, крайне необходимо изолировать данные внешние текучие среды от внутренней текучей среды двигателя и компонентов двигателя.

Погружные электродвигатели сложно защитить от коррозионных веществ и внешних текучих сред вследствие технических требований, обеспечивающих использование в подземной внешней среде. Обычный погружной двигатель внутри заполнен текучей средой, такой как диэлектрическое масло, осуществляющее охлаждение и смазку двигателя во время работы. При работе двигателя образуется тепло, которое нагревает внутреннюю текучую среду двигателя, вызывая расширение масла. Наоборот, двигатель охлаждается и текучая среда двигателя сокращается, когда погружная насосная система не используется. Для решения данной проблемы используют защитное устройство двигателя.

Многочисленные типы защитных устройств двигателя, обеспечивающие расширение и сокращение текучей среды внутри двигателя, разработаны и используются для изоляции погружных двигателей. Различные эластомерные баллоны, одиночно или в комбинации с лабиринтными секциями используются как барьер между скважинной текучей средой и текучей средой двигателя. Например, используют ряд последовательных расширяющихся эластомерных мешков или баллонов для предотвращения смешивания текучей среды ствола скважины с текучей средой двигателя с обеспечением расширения и сокращения текучей среды двигателя.

В данной последней конструкции защитное устройство двигателя включает в себя пару камер, каждая из которых имеет эластомерный баллон. Первый баллон расположен в первой камере и включает в себя внутренний объем, гидравлически связанный с двигателем. Данная гидравлическая связь обеспечивает приток моторного масла в эластомерный баллон во время расширения и выход из эластомерного баллона обратно к двигателю во время сокращения.

Вторая камера также имеет расширяющийся баллон, заполненный моторным маслом, гидравлически связанный с первой камерой, но внешний по отношению к первому эластомерному баллону. Вторая камера имеет выпуск или открывается в окружающую среду ствола скважины. Такая компоновка обеспечивает прохождение текучей среды между вторым эластомерным баллоном и примыкающей камерой, когда первый эластомерный баллон расширяется или сокращается. При этом одновременно обеспечивается прохождение текучей среды ствола скважины во вторую камеру, внешнюю по отношению ко второму эластомерному баллону, для обеспечения выравнивания давления, когда второй баллон расширяется и сокращается.

Обычное защитное устройство лабиринтного типа использует разницу удельной плотности скважинной текучей среды и текучей среды двигателя для разделения текучих сред. Например, типичное лабиринтное устройство может использовать камеру, имеющую первый проход к текучей среде двигателя и второй проход к нежелательной текучей среде, такой как текучие среды в стволе скважины. Первый и второй проходы, в общем, сориентированы на противоположные стороны камеры для поддержания вертикального разделения текучей среды.

В другом защитном устройстве используются металлические сильфоны для создания перемещающегося барьера между текучей средой внутри двигателя и коррозионными скважинными текучими средами. Металлические сильфоны расширяются и сокращаются для компенсации изменений давления и объема между текучей средой внутри двигателя и текучей средой ствола скважины.

Каждый вид защитного устройства может иметь односторонний обратный клапан, связанный с ним, обеспечивающий выпуск любой излишней текучей среды двигателя, если/когда возможности защитного устройства превышены.

Таким образом, существует необходимость предотвращения вредных воздействий загрязнения моторного масла, использующегося в погружном электрическом насосе. Настоящая заявка раскрывает конструкции и/или способы, созданные для решения указанных проблем.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создан погружной электрический центробежный насос, размещенный в скважине и содержащий секцию двигателя, секцию насоса и секцию защитного устройства, при этом секция двигателя имеет внутренний объем двигателя, содержащий моторное масло, и соединен с источником электропитания на поверхности, емкость моторного масла, размещеную на поверхности вне скважины, и трубопровод, гидравлически соединяющий емкость моторного масла с внутренним объемом двигателя, содержащим моторное масло.

Секция двигателя может быть расположена под секцией насоса и секция защитного устройства размещена между секцией насоса и секцией двигателя.

Система может содержать гидравлическое соединительное устройство, размещенное на основании защитного устройства и соединяющееся с трубопроводом для обеспечения гидравлической связи между трубопроводом и внутренним объемом защитного устройства, содержащим текучую среду двигателя.

Система может содержать гидравлическое соединительное устройство, размещенное в секции двигателя и соединяющееся с трубопроводом для обеспечения гидравлической связи между трубопроводом и внутренним объемом двигателя.

Гидравлическое соединительное устройство может быть быстроразъемным соединительным устройством.

Защитное устройство может быть защитным устройством лабиринтного типа или защитным устройством типа мешка или защитным устройством типа металлического сильфона.

Гидравлическое соединительное устройство может содержать односторонний обратный клапан, обеспечивающий прохождение потока только в секцию защитного устройства или в секцию двигателя.

Система может содержать нагнетательный насос, расположенный на поверхности, гидравлически соединенный с емкостью моторного масла и трубопроводом и способный перекачивать моторное масло из емкости моторного масла по трубопроводу, создавая избыточное давление в секции двигателя.

Система может содержать оборудование устья скважины на поверхности.

Система может содержать датчик, соединенный рядом с секцией двигателя и способный определять по меньшей мере одно из следующего: вибрация, температура и давление.

Система может содержать эксплуатационную насосно-компрессорную трубу, соединенную с секцией насоса погружного электрического центробежного насоса и проходящую к оборудованию устья скважины.

Согласно изобретению создан способ перекачки текучей среды из подземной скважины, содержащий следующие стадии:

размещение в скважине погружного электрического центробежного насоса, содержащего секцию двигателя, секцию защитного устройства и секцию насоса;

размещение емкости моторного масла на поверхности;

гидравлическое соединение емкости моторного масла с внутренним объемом погружного электрического центробежного насоса, содержащим моторное масло; и

перекачку моторного масла из емкости моторного масла на поверхности по трубопроводу в погружной электрический центробежный насос при его размещении в скважине.

Способ может содержать соединение нагнетательного насоса с емкостью моторного масла на поверхности и трубопроводом и управление работой нагнетательного насоса для перекачки моторного масла из емкости моторного масла по трубопроводу в погружной электрический центробежный насос, создавая избыточное давление в секции двигателя.

Способ может содержать соединение емкости моторного масла с внутренним объемом блока насоса.

Способ может содержать соединение емкости моторного масла с внутренним объемом секции защитного устройства.

Способ может содержать перекачку моторного масла в погружной электрический центробежный насос во время работы двигателя погружного электрического центробежного насоса.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено краткое описание чертежей настоящей заявки, не ограничивающих настоящее изобретение.

Фиг. 1 изображает вариант осуществления системы установки погружного электрического центробежного насоса.

Подробное описание изобретения

В следующем описании раскрыт ряд вариантов осуществления для обеспечения понимания настоящего изобретения. Описание вариантов осуществления изобретения никоим образом не направлено на ограничение объема настоящих или будущих пунктов формулы изобретения.

Термины "над" и "под"; "верх" и "низ"; "верхний" и "нижний"; "вверх" и "вниз" и другие аналогичные термины, указывающие относительные положения над или под заданной точкой или элементом, используют в данном описании для более ясного описания некоторых вариантов осуществления. Вместе с тем, применительно к оборудованию и способам для использования в наклонно-направленных или горизонтальных скважинах, такими терминами можно указывать направление слева направо, справа налево или диагональное взаимное расположение.

Преимуществом настоящего образца является увеличение срока эксплуатации погружного электрического центробежного насоса посредством закачки диэлектрического масла в погружной электрический центробежный насос (например, в секцию защитного устройства или секцию двигателя) с поверхности в различные моменты времени, например во время работы двигателя, при его пуске или после остановки. Моторное масло подают с поверхности под давлением, превышающим давление в стволе скважины, для создания избыточного давления от закачанного моторного масла в секции двигателя. Одной из основных причин неисправностей в системах погружного электрического центробежного насоса является насыщение защитного устройства скважинными текучими средами, результатом чего является загрязнение двигателя и дальнейшее электрическое короткое замыкание. Данную ситуацию провоцируют частые пуски и остановки двигателя системы. Частые пуски и остановки двигателя обуславливают расширение и сжатие масла вследствие изменений температуры. Когда объем масла сжимается, скважинные текучие среды стремятся обходить защитное устройство, например лабиринтное устройство.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, емкость моторного масла, расположенная на поверхности, должна заправлять защитное устройство через капиллярную трубку (например, трубопровод текучей среды) для содействия предотвращению проникновения скважинной текучей среды в защитное устройство и/или двигатель.

Предпочтительным аспектом данной конструкции является то, что необходимы только некоторые изменения в защитном устройстве и конструкции насоса для достижения преимуществ, отмеченных в данном документе.

На фиг.1 показан вариант осуществления системы погружного электроцентробежного насоса. Оборудование 1 устья скважины размещено на поверхности. Емкость 6 моторного масла размещена на поверхности и может находиться вблизи оборудования 1 устья скважины. Трубопровод 2 соединен с емкостью 6 масла. Нагнетательный насос 4 соединен с трубопроводом 2. Нагнетательный насос 4 выполнен с возможностью перекачки моторного масла из емкости 6 масла через трубопровод 2 в скважину. Трубопровод 2 проходит в скважину. Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 3 проходит от оборудования 1 устья скважины в скважину. Скважина может быть оборудована обсадной колонной 5.

Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 3 соединена с погружным электрическим центробежным насосом 18. Насос 18 содержит секцию 9 насоса, секцию 11 защитного устройства и секцию 14 двигателя. Секция 14 двигателя содержит моторное масло,скважинные текучие среды стремятся обходить защитное устройство, например лабиринтное устройство.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, емкость моторного масла, расположенная на поверхности, должна заправлять защитное устройство через капиллярную трубку (например, трубопровод текучей среды) для содействия предотвращению проникновения скважинной текучей среды в защитное устройство и/или двигатель.

Предпочтительным аспектом данной конструкции является то, что необходимы только некоторые изменения в защитном устройстве и конструкции насоса для достижения преимуществ, отмеченных в данном документе.

На фиг.1 показан вариант осуществления системы погружного электроцентробежного насоса. Оборудование 1 устья скважины размещено на поверхности. Емкость 6 моторного масла размещена на поверхности и может находиться вблизи оборудования 1 устья скважины. Трубопровод 2 соединен с емкостью 6 масла. Нагнетательный насос 4 соединен с трубопроводом 2. Нагнетательный насос 4 выполнен с возможностью перекачки моторного масла из емкости 6 масла через трубопровод 2 в скважину. Трубопровод 2 проходит в скважину. Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 3 проходит от оборудования 1 устья скважины в скважину. Скважина может быть оборудована обсадной колонной 5.

Эксплуатационная насосно-компрессорная труба 3 соединена с погружным электрическим центробежным насосом 18. Насос 18 содержит секцию 9 насоса, секцию 11 защитного устройства и секцию 14 двигателя. Секция 14 двигателя содержит моторное масло. Секция 9 насоса может включать в себя приемное устройство 10 или соединяться с ним. Секция 9 насоса может включать в себя выпуск 8 или соединяться с ним. Секция 9 насоса, в общем, представляет собой насос центробежного типа, включающий в себя последовательно соединенные диффузоры и рабочие колеса. Диффузоры и рабочие колеса вращаются относительно друг друга валом, то есть приводным валом, механически соединенным с секцией 14 двигателя. Подходящие насосы имеются в продаже и поставляются фирмой Schlumberger™.

Секция 11 защитного устройства подсоединена, в общем, под секцией 9 насоса и создает разделение между моторным маслом в секции двигателя и скважинной текучей средой из секции 9 насоса и т.д. Секция 11 защитного устройства может быть защитным устройством лабиринтного типа, защитным устройством типа мешка и/или защитным устройством типа металлического сильфона.

Защитные устройства представлены на рынке и поставляется фирмой Schlumberger™ в каждом из данных исполнений. Секция 11 защитного устройства может включать в себя или соединяться с модифицированным основанием, имеющим гидравлическое соединительное устройство 13, соединенное с трубопроводом 2.

Гидравлическое соединительное устройство может включать в себя быстроразъемное соединительное устройство Swagelok™.

Быстроразъемные соединительные устройства Swagelok™ представлены на рынке. Секция 11 защитного устройства имеет внутренний объем, содержащий моторное масло. Гидравлическое соединительное устройство 13 может включать в себя односторонний обратный клапан, обеспечивающий поток только в секцию 11 защитного устройства. Внутренний объем, содержащий моторное масло, отделен от объема, содержащего текучие среды, иные чем моторное масло, то есть скважинную текучую среду или другие текучие среды, не являющиеся моторным маслом. Как отмечено выше, отделение моторного масла от не являющихся моторным маслом текучих сред можно поддерживать с помощью лабиринтного устройства, устройства типа мешка и/или устройства с металлическим сильфоном.

Модифицированнная головка 12 защитного устройства может быть использована и может включать в себя обратный клапан и/или фильтр сетчатого типа.

Во время расширения моторного масла в секции 14 двигателя объем моторного масла в секции 11 защитного устройства аналогично расширяется и секция 11 компенсирует данное расширение и, в свою очередь, выталкивает некоторое количество скважинной текучей среды из секции 11. Как можно понять применительно к лабиринтному устройству, дополнительный объем моторного масла может проходить в секцию 11 для сдерживания скважинной текучей среды. Также в сочетании с металлическим сильфоном и/или устройством типа мешка обратный клапан (клапаны) может обеспечивать стравливание излишнего объема моторного масла при достижении заполнения емкости металлического сильфона или мешка. В любой ситуации предпочтительна подача дополнительного моторного масла в секцию 14 двигателя и/или секцию 11 защитного устройства, содержащего моторное масло, во время эксплуатации и/или работы насоса и двигателя. Это можно выполнять подачей моторного масла через трубопровод 2 под давлением, создающим избыточное давление. Данное добавление моторного масла должно уменьшать риск проникновения загрязняющих веществ в моторное масло в секции 11 во время расширения/сокращения моторного масла в секции 14 двигателя.

Секция 14 двигателя подсоединена под секцией 11 защитного устройства. Секция 14 двигателя включает в себя трубчатый корпус с размещенными в нем катушками ротора и статора. Приводной вал проходит через двигатель и механически соединен с секцией 9 насоса. Приводной вал проходит через секцию 11 защитного устройства. Секция 14 двигателя электрически соединена с источником питания, например, на поверхности. Секция 14 двигателя может быть электрически соединена с помощью электрического кабеля. Двигатели данного типа представлены на рынке и поставляются фирмой Schlumberger™. Секция 14 двигателя может включать в себя гидравлическое соединительное устройство, соединенное с трубопроводом 2 и соединяющее трубопровод 2 с внутренней частью секции 14 двигателя, содержащей моторное масло. Гидравлическое соединительное устройство может включать в себя быстроразъемное соединительное устройство Swagelok™. Гидравлическое соединительное устройство может также включать в себя односторонний обратный клапан, обеспечивающий прохождение моторного масла только из трубопровода 2 в секцию 14 двигателя.

Данное описание обеспечивает понимание специалистом в данной области техники различных вариантов осуществления изобретения. Данное описание никоим образом не направлено на ограничение объема настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к электрическим насосным системам с погружными электрическими центробежными насосами для перекачивания сред из скважин. Система содержит центробежный насос (18), размещенный в скважине, емкость (6) моторного масла, размещенную на поверхности вне скважины, и трубопровод (2). Насос (18) содержит секцию (14) двигателя, секцию (9) насоса и секцию (11) защитного устройства. Секция (11) размещена между секцией (9) и секцией (14). Секция (11) имеет внутренний объем, содержащий моторное масло, и объем, подверженный воздействию текучей среды, отличной от моторного масла. Секция (14) имеет внутренний объем, содержащий моторное масло, и соединена с источником электропитания на поверхности. Трубопровод (2) гидравлически соединяет емкость (6) с основанием секции (11) для подачи в нее масла в месторасположении выше, чем секция (14) двигателя. Масло находится под положительным давлением посредством давления, прикладываемого трубопроводом (2). Группа изобретений направлена на предотвращение вредного воздействия загрязнения моторного масла. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрическая насосная система, содержащая погружной электрический центробежный насос, размещенный в скважине и содержащий секцию двигателя, секцию насоса, расположенную над секцией двигателя, и секцию защитного устройства, размещенную между секцией насоса и секцией двигателя, при этом секция защитного устройства имеет внутренний объем, содержащий моторное масло, и объем, подверженный действию текучей среды, отличной от моторного масла,
при этом секция двигателя имеет внутренний объем двигателя, содержащий моторное масло, и соединена с источником электропитания на поверхности,
емкость моторного масла, размещенную на поверхности вне скважины, и трубопровод, соединенный с основанием секции защитного устройства и гидравлически соединяющий емкость моторного масла с секцией защитного устройства для подачи моторного масла к секции защитного устройства в местоположении выше, чем секция двигателя, причем моторное масло находится под положительным давлением, посредством давления, прикладываемого трубопроводом.

2. Система по п. 1, которая содержит гидравлическое соединительное устройство, размещенное на основании защитного устройства и соединяющееся с трубопроводом для обеспечения гидравлической связи между трубопроводом и внутренним объемом защитного устройства, содержащим текучую среду двигателя.

3. Система по п. 1, которая содержит гидравлическое соединительное устройство, размещенное в секции двигателя и соединяющееся с трубопроводом для обеспечения гидравлической связи между трубопроводом и внутренним объемом двигателя.

4. Система по п. 2, в которой гидравлическое соединительное устройство является быстроразъемным соединительным устройством.

5. Система по п. 3, в которой гидравлическое соединительное устройство является быстроразъемным соединительным устройством.

6. Система по п. 1, в которой защитное устройство является защитным устройством лабиринтного типа.

7. Система по п. 1, в которой защитное устройство является защитным устройством типа мешка.

8. Система по п. 1, в которой защитное устройство является защитным устройством типа металлического сильфона.

9. Система по п. 3, в которой гидравлическое соединительное устройство содержит односторонний обратный клапан, обеспечивающий прохождение потока только в секцию защитного устройства.

10. Система по п. 4, в которой гидравлическое соединительное устройство содержит односторонний обратный клапан, обеспечивающий прохождение потока только в секцию двигателя.

11. Система по п. 1, содержащая нагнетательный насос, расположенный на поверхности, гидравлически соединенный с емкостью моторного масла и трубопроводом и способный перекачивать моторное масло из емкости моторного масла по трубопроводу, создавая избыточное давление в секции двигателя.

12. Система по п. 1, содержащая оборудование устья скважины на поверхности.

13. Система по п. 1, содержащая датчик, соединенный рядом с секцией двигателя и способный определять по меньшей мере одно из следующего: вибрация, температура и давление.

14. Система по п. 1, содержащая эксплуатационную насосно-компрессорную трубу, соединенную с секцией насоса погружного электрического центробежного насоса и проходящую к оборудованию устья скважины.

15. Способ перекачки текучей среды из подземной скважины, содержащий следующие стадии:
размещение в скважине погружного электрического центробежного насоса, содержащего секцию двигателя, секцию насоса, расположенную над секцией двигателя, и секцию защитного устройства, функционально соединяющую секцию двигателя с секцией насоса посредством своего расположения между секцией двигателя и секцией насоса,
размещение емкости моторного масла на поверхности;
гидравлическое соединение емкости моторного масла с внутренним объемом погружного электрического центробежного насоса, содержащим моторное масло, посредством соединения трубопровода с основанием секции защитного устройства; и
перекачка моторного масла из емкости моторного масла на поверхности по трубопроводу в секцию защитного устройства погружного электрического центробежного насоса при его размещении в скважине.

16. Способ по п. 15, содержащий соединение нагнетательного насоса с емкостью моторного масла на поверхности и трубопроводом и управление работой нагнетательного насоса для перекачки моторного масла из емкости моторного масла по трубопроводу в секцию защитного устройства погружного электрического центробежного насоса, создавая избыточное давление в секции двигателя.

17. Способ по п. 15, содержащий соединение емкости моторного масла с внутренним объемом секции насоса.

18. Способ по п. 15, содержащий соединение емкости моторного масла с внутренним объемом секции защитного устройства.

19. Способ по п. 15, содержащий перекачку моторного масла в погружной электрический центробежный насос во время работы двигателя погружного электрического центробежного насоса.