ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ПОГРУЖНОГО МАСЛОЗАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК F04D13/10 H02K5/132 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть применено в установках для гидравлической защиты (гидрозащиты) погружных маслозаполненных электродвигателей для электроцентробежных насосов, используемых для добычи пластовой жидкости из скважин (скважинных насосов).

Известен протектор гидрозащиты, содержащий вал, упорный и радиальный подшипники и, по меньшей мере, одну ступень, в состав которой входят цилиндрический корпус, коаксиально установленная внутри него окружающая вал трубка, первый и второй ниппели, по меньшей мере одна демпфирующая втулка, торцевое уплотнение и кольцевой поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в кольцевой камере, образованной в пространстве между цилиндрическим корпусом и трубкой, разделяя при этом данную кольцевую камеру на два участка, заполненные, соответственно, диэлектрической и поступающей из затрубного пространства пластовой жидкостями. К торцу кольцевого поршня, контактирующему с пластовой жидкостью, прикреплены два выступающих за контуры кольцевого поршня защитных кольцевых элемента, прилегающие соответственно к внутренней поверхности корпуса и к внешней поверхности трубки. Пространство между защитными кольцевыми элементами и поверхностью тех элементов протектора, к которым они прилегают, заполнено защитной смазкой (по патенту RU2353812, кл. F04D 13/10, опубл. 27.04.09).

Недостатком известного технического решения является низкая надежность в результате сложности синхронизации движения кольцевого поршня и дополнительного поршня. В случае заклинивания одного из указанных поршней происходит остановка движения всей демпфирующей системы.

В качестве прототипа первого и второго объекта из группы предложенных технических решений может быть принят протектор для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащий корпус, вал с нижним и верхним торцевыми уплотнениями, опоры вала, ниппели, узел пяты, верхнюю и нижнюю головки с фланцами для соединения, соответственно, с насосом и электродвигателем. При этом протектор содержит рабочее колесо центробежного насоса, смонтированное на валу между торцевым уплотнением и фланцем для соединения с насосом. Внутренний диаметр диска рабочего колеса, обращенного к торцевому уплотнению, выполнен больше диаметра вала. Наружный его диаметр выполнен меньше наружного диаметра противоположно расположенного диска рабочего колеса, а по его внутреннему диаметру осуществляется центрирование рабочего колеса относительно вала (по патенту RU 2520128, кл. F04D 13/10, H02K 5/124, опубл. 20.06.14).

Недостатком известного технического решения является недостаточная надежность конструкции, возможность попадания механических примесей в зону над торцевым уплотнением.

В качестве прототипа третьего объекта из группы предложенных технических решений может быть принят протектор гидрозащиты электродвигателя скважинного насоса содержащий вал, упорный и радиальный подшипники и, по меньшей мере, одну ступень, в состав которой входят цилиндрический корпус, коаксиально установленная внутри него окружающая вал трубка, первый и второй ниппели, по меньшей мере, одна демпфирующая втулка, торцевое уплотнение и кольцевой поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в кольцевой камере, образованной в пространстве между цилиндрическим корпусом и трубкой, разделяя при этом данную кольцевую камеру на два участка, заполненные соответственно диэлектрической и поступающей из затрубного пространства пластовой жидкостями. Входящий в состав протектора подвижный механический модуль, разделяющий диэлектрическую и поступающую из затрубного пространства пластовую жидкости, представляет собой кольцевой поршень (по патенту US6307290, кл. H02K 5/132, F04D 13/08, опубл. 23.10.01).

Недостатком известного технического решения является то, что в процессе эксплуатации на ограничивающих кольцевую камеру внутренней стенке цилиндрического корпуса и внешней стенке гильзы образуются солеотложения (продукты реакции стенок кольцевой камеры и химически активной пластовой жидкости). Подобные образования существенно препятствуют движению кольцевого поршня в пределах соответствующего участка кольцевой камеры, вплоть до полного заклинивания поршня и, следовательно, выхода протектора из строя. Указанные процессы вызывают повышенный износ внутренней поверхности корпуса и внешней поверхности гильзы вследствие трения, возникающего между ними, и, как следствие, снижение надежности работы протектора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение материалоемкости и повышение надежности устройства за счет:

- сепарации механических примесей;

- обеспечения гарантированного перепада давления на компенсирующем элементе;

- предотвращения постоянного контакта пластовой жидкости, содержащей растворенный газ, с камерой компенсирующего элемента;

- предотвращения проникновения пластовой жидкости в камеру с диэлектрической жидкостью;

- предотвращения солеотложения и износа трущихся поверхностей камеры.

Техническим результатом, который достигается в результате решения указанной выше задачи, является снижение материалоемкости и повышение надежности устройства.

Для первого объекта из заявленной группы изобретений поставленная цель достигается тем, что устройство гидравлической защиты электродвигателя скважинного насоса содержит вал, головку, упорный и радиальный подшипники, по меньшей мере один компенсирующий модуль, в состав которого входят цилиндрический корпус, головка, ниппель, торцевое уплотнение и компенсирующий элемент, причем в головке размещен узел динамического лабиринта, включающий динамическую втулку, которая герметично установлена на валу, и втулку лабиринта, неподвижно установленную в головке, с радиальным зазором по отношению к валу и динамической втулке.

Кроме того, динамическая втулка может быть изготовлена в виде колокола, диаметр которого в верхней части меньше, чем в нижней.

Кроме того, динамическая втулка может иметь лопасти.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде диафрагмы.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде поршня.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде сильфона.

Динамический лабиринт, размещенный в головке, служит для сепарации механических примесей в затрубное пространство и образует газовую область, разделяющую смешанную среду с масляной средой. Динамический лабиринт имеет меньшие габаритные размеры в сравнении с гравитационным лабиринтом, использующимся в конструкциях серийных гидрозащит.

Для второго объекта из заявленной группы изобретений поставленная цель достигается тем, что устройство гидравлической защиты электродвигателя скважинного насоса содержит вал, головку, упорный и радиальный подшипники, по меньшей мере один компенсирующий модуль, в состав которого входят цилиндрический корпус, головка, ниппель, торцевое уплотнение и компенсирующий элемент, причем на валу в головке или ниппеле установлено насосное устройство, в состав которого входит, по меньшей мере, одно лопастное колесо, гидравлически связанное с торцевым уплотнением, в головке гидрозащиты или в ниппеле изготовлены напорные каналы, гидравлически соединяющие периферийную часть рабочего колеса с компенсирующим устройством.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде диафрагмы.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде поршня.

Кроме того, компенсирующий элемент может быть выполнен в виде сильфона.

Кроме того, в состав насосного устройства может входить, по меньшей мере, один направляющий аппарат.

Кроме того, диаметр лопастного колеса может составлять не менее 70% от внутреннего диаметра корпуса.

Насосное устройство позволяет создать перепад давления для принудительного движения компенсирующего элемента.

Если в состав насосного устройства входит направляющий аппарат, это позволит увеличить давление за счет использования динамического напора рабочего колеса и тем самым увеличить перепад давления на торцевом уплотнении.

Для наиболее эффективной работы насосного устройства, диаметр лопастного колеса должен составлять не менее 70% от внутреннего диаметра корпуса.

Для третьего объекта из заявленной группы изобретений поставленная цель достигается тем, что устройство гидравлической защиты электродвигателя скважинного насоса содержит вал, головку, упорный и радиальный подшипники и, по меньшей мере одну поршневую камеру, в состав которой входят цилиндрический корпус, коаксиально установленная внутри него втулка направляющая, верхний и нижний ниппели, торцевое уплотнение и кольцевой поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в поршневой камере, образованной в пространстве между цилиндрическим корпусом и втулкой направляющей, разделяя при этом кольцевую камеру на два участка, заполненные диэлектрической средой, один из участков гидравлически связан с двигателем, согласно изобретению, добавлен модуль защиты поршня, который состоит из корпуса, ниппеля, и защитного кожуха, причем кожух гидравлически связан с участком кольцевой камеры который не связан с двигателем.

Кроме того, защитный кожух может быть выполнен в виде диафрагмы.

Кроме того, в корпусе модуля защиты поршня может быть выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие.

Модуль защиты поршня позволяет дополнительно защитить корпус компенсирующего модуля от контакта с пластовой жидкостью и предотвратить солеотложения, устраняя возможность заклинивания поршня.

Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено:

фиг. 1 - устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя с динамическим лабиринтом и насосным устройством, продольный разрез;

фиг. 2 - модуль защиты поршня в виде диафрагмы, продольный разрез.

Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя скважинного насоса (фиг. 1) содержит вал 1, головку 2, упорный 3 и радиальный 4 подшипники и поршневую камеру, в состав которой входят цилиндрический корпус 5, коаксиально установленная внутри него втулка направляющая 6, верхний 7 и нижний 8 ниппели, демпфирующая втулка 9, торцевое уплотнение 10 и кольцевой поршень 11, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндрической камере 12, образованной в пространстве между цилиндрическим корпусом 5 и втулкой направляющей 6. Кольцевой поршень 11 разделяет кольцевую камеру 12 на два участка, заполненные соответственно диэлектрической и смешанной средой. В головке 2 гидравлической защиты размещено насосное устройство 13, гидравлически связанное с надпоршневым пространством посредством каналов в ниппеле верхнем 7, узел динамического лабиринта, включающий втулку динамическую 14, жестко установленную на валу 1, и опора 15, включающая в себя втулку лабиринта 16. Насосное устройство 13 может быть выполнено в виде рабочего колеса. Полость, образованная между кольцевым поршнем 11 и ниппелем верхним 7, соединена с областью торцевого уплотнения 10 и насосного устройства 13 напорными каналами 17 и соединяется со скважинным пространством выводными каналами 18.

Модуль защиты поршня (фиг. 2) состоит из корпуса 19, диафрагмы 20, закрепленной на нижнем 21 и верхнем 22 ниппелях и торцевого уплотнения 23. Канал 24 связывает внутреннюю полость диафрагмы 20 с надпоршневым пространством.

Устройство гидравлической защиты электродвигателя работает следующим образом.

При включении электродвигателя (или увеличении числа оборотов) находящаяся в его внутренней полости диэлектрическая жидкость нагревается и начинает постепенно расширяться (увеличивается ее рабочий объем), и, следовательно, возрастает давление диэлектрической жидкости во внутренней полости электродвигателя и гидравлически сообщенной с ним полостью кольцевой камеры 12. Для того чтобы указанное давление не стало причиной открытия торцевого уплотнения 10, необходимо демпфировать изменения давления в заполняющей электродвигатель диэлектрической жидкости. С этой целью кольцевой поршень 11 установлен с возможностью возвратно-поступательного движения в кольцевой камере 12.

При рабочем режиме двигателя допустимый объем утечки масла, вышедший из торцевого уплотнения 10, поступает в зону насосного устройства 13, выполненного в виде колеса рабочего, и далее в цилиндрическую камеру, заполненную масляной средой, при этом кольцевой поршень 11 перемещается в сторону участка, заполненного диэлектрической средой, давление выравнивается. Исходя из равенства давлений в камерах с масляной и диэлектрической средой, кольцевой поршень 11 будет совершать колебательные движения около положения равновесия, тем самым компенсируя объемные температурные расширения диэлектрической среды гидрозащиты. Насосное устройство 13, выполненное в виде колеса рабочего, запирает масляную среду под колесом и не дает возможности ухода масляной среды из этой зоны, одновременно делая невозможным поступление пластовой жидкости из затрубного пространства.

При вращении вала 1 насоса начинает вращаться и динамический лабиринт, частью которого является втулка динамическая 14, жестко связанная с валом 1. При этом механические примеси, попавшие в зону втулки верхней 14, отбрасываются на периферию и выводятся в затрубное пространство через каналы 18. Газ, растворенный в пластовой жидкости, поступает к центральной области узла динамического лабиринта, и по валу поднимается вверх. Так как втулка динамическая 14 жестко связана с валом 1 и имеет уплотнительное кольцо (на изображениях не показано), газ попадает в замкнутое пространство, ограниченное втулкой динамической 14 и втулкой лабиринта 16, образуя при этом область скопления газа - газовую пробку. Происходит разделение пластовой жидкости и масла (диэлектрической жидкости) ограничительной полостью втулки лабиринта и образованной газовой пробкой.

Предлагаемая конструкция обеспечивает ступенчатую защиту от попадания жидкости в полость электродвигателя, включающую:

- торцевое уплотнение, препятствующее проникновению пластовой жидкости внутрь двигателя;

- динамический лабиринт, сепарирующий механические примеси и образующий газовую защитную область;

- рабочее колесо, выполняющее роль динамического уплотнения;

- модуль защиты поршня защищает компенсирующий модуль от контакта с пластовой жидкостью и предотвращает солеотложение.

Таким образом, решения, используемые в изобретении, повышают надежность работы погружного маслозаполненного электродвигателя.

Группа изобретений относится к области нефтедобычи и может быть применена в установках для гидрозащиты погружных маслозаполненных электродвигателей центробежных насосов, используемых для добычи пластовой жидкости из скважин. Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя для скважинного насоса содержит вал, головку, упорный и радиальный подшипники, по меньшей мере один компенсирующий модуль. В состав модуля входят цилиндрический корпус, головка, ниппель, торцевое уплотнение и компенсирующий элемент. В головке размещен узел динамического лабиринта, включающий динамическую втулку, которая герметично установлена на валу, и втулку лабиринта, неподвижно установленную в головке, с радиальным зазором по отношению к валу и динамической втулке. Группа изобретений направлена на снижение материалоемкости и повышение надежности устройства. Изобретения позволяют предотвратить постоянный контакт содержащей растворенный газ пластовой жидкости с камерой компенсирующего элемента; предотвратить проникновение пластовой жидкости в камеру с диэлектрической жидкостью; предотвратить солеотложение и износ трущихся поверхностей камеры. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя скважинного насоса, содержащее вал, головку, упорный и радиальный подшипники, по меньшей мере один компенсирующий модуль, в состав которого входят цилиндрический корпус, головка, ниппель, торцевое уплотнение и компенсирующий элемент, отличающееся тем, что в головке размещен узел динамического лабиринта, включающий динамическую втулку, которая герметично установлена на валу, и втулку лабиринта, неподвижно установленную в головке, с радиальным зазором по отношению к валу и динамической втулке.

2. Устройство гидравлической защиты по п. 1, отличающееся тем, что динамическая втулка изготовлена в виде колокола, диаметр которого в верхней части меньше, чем в нижней.

3. Устройство гидравлической защиты по п. 1, отличающееся тем, что динамическая втулка имеет лопасти.

4. Устройство гидравлической защиты по п. 1, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде диафрагмы.

5. Устройство гидравлической защиты по п. 1, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде поршня.

6. Устройство гидравлической защиты по п. 1, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде сильфона.

7. Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя скважинного насоса, содержащее вал, головку, упорный и радиальный подшипники, по меньшей мере один компенсирующий модуль, в состав которого входят цилиндрический корпус, головка, ниппель, торцевое уплотнение и компенсирующий элемент, отличающееся тем, что на валу в головке или ниппеле установлено насосное устройство, в состав которого входит, по меньшей мере, одно лопастное колесо, гидравлически связанное с торцевым уплотнением, в головке гидрозащиты или в ниппеле изготовлены напорные каналы, гидравлически соединяющие периферийную часть рабочего колеса с компенсирующим устройством.

8. Устройство гидравлической защиты по п. 7, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде диафрагмы.

9. Устройство гидравлической защиты по п. 7, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде поршня.

10. Устройство гидравлической защиты по п. 7, отличающееся тем, что компенсирующий элемент выполнен в виде сильфона.

11. Устройство гидравлической защиты по п. 7, отличающееся тем, что в состав насосного устройства входит, по меньшей мере, один направляющий аппарат.

12. Устройство гидравлической защиты по п. 7, отличающееся тем, что диаметр лопастного колеса составляет не менее 70% от внутреннего диаметра корпуса.

13. Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя скважинного насоса, содержащее вал, головку, упорный и радиальный подшипники и по меньшей мере одну поршневую камеру, в состав которой входят цилиндрический корпус, коаксиально установленная внутри него втулка направляющая, верхний и нижний ниппели, торцевое уплотнение и кольцевой поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в поршневой камере, образованной в пространстве между цилиндрическим корпусом и втулкой направляющей, разделяя при этом кольцевую камеру на два участка, один из участков гидравлически связан с двигателем, отличающееся тем, что добавлен модуль защиты поршня, который состоит из корпуса, ниппеля, и защитного кожуха, причем кожух гидравлически связан с участком кольцевой камеры который не связан с двигателем.

14. Устройство гидравлической защиты по п. 13, отличающееся тем, что защитный кожух выполнен в виде диафрагмы.

15. Устройство гидравлической защиты по п. 13, отличающееся тем, что в корпусе модуля защиты поршня выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие.