ТРАНСПОРТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 2017 года по МПК E21B43/12 E21B43/38 H02K5/12 

Настоящее изобретение относится к транспортному устройству для скважины для транспортировки среды из скважины.

Транспортные устройства для скважины известны из предшествующего уровня техники в различных конфигурациях. Такие транспортные устройства используются в скважинах и, в частности, употребляются для нефтедобычи. Транспортные устройства для скважины опускаются по направлению и вблизи основания скважины в стволе скважины и прокачивают среду, которая должна быть транспортирована на поверхность через линию, направленную через ствол скважины. Насос, используемый здесь, обычно приводится в действие электрическим приводом. Это создает проблему герметизации вала, который соединяет электропривод с насосом. Поскольку транспортное устройство для скважины, обычно, располагается на очень большой глубине, герметизация должна быть обеспечена на длительный период времени, так как замена уплотнителя требует очень больших усилий и, в частности, также приводит к потере продукции. Поэтому, до сих пор, в известном уровне техники для выполнения уплотнения на валу используются несколько последовательно соединенных уплотнительных прокладок. Если одна из уплотнительных прокладок выходит из строя, последующая уплотнительная прокладка осуществляет герметизацию. Таким образом, в наборах используются до семи уплотнительных прокладок. Эта система в основном оказалась полезной, но использование множества последовательно соединенных уплотнительных прокладок приводит к относительно большой общей длине, и особенно также требуется относительно длинный вал для соединения электропривода с насосом.

США 2011/0194949 А1 раскрывает альтернативное решение, использующее механическое уплотнение в качестве блока уплотнения. С помощью пружинного элемента и сильфона вращающееся уплотнительное кольцо прижато здесь вплотную к седлу. Кроме того, для достижения постоянного давления контакта между уплотнительными элементами предусмотрена втулка, которая регулируется в осевом направлении вала. Из-за этой регулировки указанное механическое уплотнение является высокоизнашивающимся объектом, так что долгосрочная служба до пяти желаемых операторами лет не может быть достигнута.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание транспортного устройства для скважины, которое наравне с простотой конструкции и легкостью изготовления при низких затратах обеспечивает надежное уплотнение вала в стволе скважины и обеспечивает здесь очень долгий срок службы в несколько лет.

Эта задача достигается с помощью транспортного устройства для скважины с признаками п. 1. Зависимые пункты показывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Для сравнения, транспортное устройство для скважины, согласно изобретению, для транспортировки среды из ствола скважины с признаками п. 1, имеет преимущество в том, что для механического блока уплотнения может быть обеспечен очень длительный срок службы в несколько лет, так что применение в глубокой буровой скважине является с уверенностью возможным. Транспортное устройство для скважины, согласно изобретению, дополнительно демонстрирует очень компактную структуру и требует лишь минимальных линий соединения между транспортным устройством для скважины и поверхностью земли. Для этого изобретение предлагает механический блок уплотнения с механическим уплотнением, которое осуществляет уплотнение на валу, соединяющем привод и блок насоса. Привод является, предпочтительно, электроприводом. В соответствии с изобретением предусмотрено автономное средство подачи, которое обеспечивает механическое уплотнение барьерной средой для блокирования и/или смазки уплотнительного зазора между вращающимся и неподвижным уплотнительным кольцом механического уплотнения. Автономное средство подачи интегрировано здесь вместе с насосом, механическим блоком уплотнения, валом и приводом в компактном блоке транспортировки, причем блок транспортировки полностью погружен в ствол скважины. Следовательно, никаких линий доставки для питания автономного средства подачи и механического уплотнения, соответственно, от поверхности земли не требуется. Следовательно, в качестве соединения с поверхностью земли, транспортное устройство для скважины, согласно изобретению, просто содержит линию насоса, через которую среда, которая должна быть транспортирована, перекачивается к поверхности земли, и линию питания, которая снабжает электропривод электрической мощностью, когда используется электропривод. Следовательно, благодаря автономному средству подачи, встроенному в транспортное устройство для скважины, может быть обеспечена подача текучей среды механического уплотнения и, в частности барьерной среды для механического уплотнения, так что во время работы между вращающимся уплотнительным кольцом и неподвижным уплотнительным кольцом может постоянно поддерживаться уплотнительный зазор, который герметизирован посредством барьерной среды. Следовательно, благодаря настоящему изобретению возможно впервые использовать механический узел уплотнения в глубокой скважине, который может автономно обеспечить работу в течение нескольких лет.

Предпочтительно, средство подачи транспортного устройства для скважины расположено на конце компактного блока транспортировки. Таким образом, обеспечивается, в частности, короткое расстояние между приводом и насосом, и тем самым также короткая длина вала, соединяющего насос и привод. Предпочтительно, средство подачи расположено здесь на свободном конце блока транспортировки. Свободный конец является здесь, предпочтительно, концом блока транспортировки, который расположен в самой нижней точке в стволе скважины.

Кроме того, предпочтительно, привод расположен в осевом направлении блока транспортировки между средством подачи и механическим узлом уплотнения. Такая конструкция делает возможным расположение насоса над приводом, так что, в частности, траектория транспортировки среды, которая должна быть транспортирована через транспортное устройство для скважины в линию транспортировки, может быть очень короткой.

Предпочтительно, автономный блок подачи содержит первую камеру для получения барьерной среды, вторую камеру, которая заполняется средой, и сильфон, который отделяет первую камеру от второй камеры непроницаемым для среды способом. Вторая камера соединена здесь с внешней стороной транспортного устройства для скважины, так что давление, которое соответствует давлению среды, которая должна быть транспортирована в стволе скважины, (давлению окружающей среды) преобладает во второй камере. Вторая камера предпочтительно заполнена средой, которая должна быть транспортирована. Альтернативно, вторая камера заполняется вязкой средой, которая является более вязкой, чем среда, которая должна быть транспортирована, например, смазкой.

Особенно предпочтительно, автономный блок подачи содержит поршневой элемент, который расположен на сильфоне так, что сильфон и поршневой элемент образуют чашеобразный узел. Первая камера расположена здесь во внутренней части чашеобразного элемента. Вторая камера предусмотрена между внешней стороной чашеобразного узла и корпусом блока подачи. Корпус, предпочтительно, содержит отверстие, через которое устанавливается соединение с внешней стороной транспортного устройства для скважины, так что давление во второй камере соответствует внешнему давлению в стволе скважины и среда, содержащаяся в стволе скважины, содержится во второй камере. Использование поршневого элемента в автономном средстве подачи создает возможность устанавливать определенное давление в первой камере, содержащей барьерную среду, причем указанное давление всегда выше, чем давление во второй камере, т.е. давление в стволе скважины. Механическое уплотнение, таким образом, постоянно действует при более высоком давлении, чем давление в скважине, обеспечивая надежную герметизацию.

Чтобы обеспечить более высокое давление в первой камере, чем во второй камере в любой момент времени, автономный блок подачи дополнительно содержит элемент смещения, который постоянно смещает барьерную среду в первой камере. Элемент смещения является, предпочтительно, пружиной, в частности спиральной пружиной. Элемент смещения, в частности, предпочтительно, действует на поршень, так что повреждение сильфона может быть надежно предотвращено.

Предпочтительно, привод является электроприводом.

Линия соединения между средством подачи и механическим блоком уплотнения простирается через электропривод для обеспечения, в частности, компактной конструкции. Альтернативно, линия соединения может быть проложена также как байпас около электропривода.

Предпочтительно, автономное средство подачи дополнительно содержит третью камеру, причем третья камера герметизирована полностью непроницаемым для среды способом. Третья камера, предпочтительно, заполнена несжимаемой средой и, особенно предпочтительно, маслом.

Кроме того, предпочтительно, давление в третьей камере равно или больше, чем давление в первой и/или второй камере. Третья камера, предпочтительно, расположена на внешней стороне сильфона автономного средства подачи, в результате чего сильфон стабилизирован.

В соответствии с еще одной предпочтительной конфигурацией настоящего изобретения транспортное устройство для скважины дополнительно содержит сепаратор для отделения газообразных составляющих из среды, которая должна быть передана. Сепаратор здесь также встроен в компактный блок транспортировки. Предпочтительно, сепаратор непосредственно расположен спереди от насоса.

Транспортное устройство для скважины, согласно изобретению, предпочтительно, используется для добычи нефти. Транспортное устройство для скважины, согласно изобретению, может, в частности, также быть использовано на очень больших глубинах и может иметь срок службы пять или более лет. Даже более длительный срок службы может быть гарантирован, когда скользящие поверхности уплотнительных колец, предпочтительно, имеют алмазное покрытие.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны теперь подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение транспортного устройства для скважины в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2 представляет собой схематический, частично разрезанный вид автономного средства подачи и механического блока уплотнения устройства фиг. 1; и

Фиг. 3 представляет собой схематический, частично разрезанный вид транспортного устройства для скважины с автономным средством подачи в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.

Транспортное устройство 1 для скважины, в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения описано подробно ниже со ссылкой на фиг. 1 и 2.

Транспортное устройство 1 для скважины расположено в стволе скважины 8, чтобы транспортировать среду 9, расположенную в стволе скважины 8.

Как можно видеть на фиг. 1, транспортное устройство 1 для скважины содержит электропривод 2, который приводит в действие насос 3 через вал 4. Отсек двигателя, в котором расположен двигатель М электропривода, герметизирован с помощью механического блока 5 уплотнения на валу 4. Кроме того, транспортное устройство 1 для скважины содержит автономное средство 6 подачи, которое поставляет механическому уплотнению 50 механического блока уплотнения 5 барьерную среду.

Механическое уплотнение содержит вращающееся уплотнительное кольцо 51 и неподвижное уплотнительное кольцо 52 с уплотнительным зазором 53, образованным между двумя уплотнительными кольцами. Автономное средство 6 подачи соединяется здесь через линию 12 соединения с механическим уплотнением 50 для подачи барьерной текучей среды к механическому уплотнению 50. Здесь линия 12 соединения проходит через электропривод 2 (см. Фиг. 1).

Транспортное устройство 1 для скважины дополнительно содержит сепаратор 10, который расположен спереди от насоса 3 и встроен в транспортное устройство для скважины.

Кроме того, сепаратор 10 содержит множество впускных отверстий 11, через которые среда 9, которая должна быть транспортирована, проходит в сепаратор 10, так что газообразные составляющие, возможно, содержащиеся в среде 9, которая должна быть транспортирована, могут быть отделены. Среда 9 освобождается от газообразных составляющих и передается затем посредством насоса 3 в линию 7 транспортировки, ведущую к поверхности земли.

Автономное средство 6 подачи, электропривод 2, насос 3, вал 4 и механический блок 5 уплотнения образуют компактный блок транспортировки, который является полностью погружным в стволе скважины. Компоненты компактного блока транспортировки расположены здесь последовательно в осевом направлении Х-Х.

Фиг. 2 показывает автономное средство подачи 6 подробно. Автономное средство 6 подачи расположено здесь на свободном конце транспортного устройства 1 для скважины. Средство 6 подачи, насос 3, электропривод 2, вал 4 и механический блок 5 уплотнения образуют компактный блок транспортировки, который является полностью погружным в стволе скважины 8.

Автономное средство 6 подачи содержит первую камеру 61, вторую камеру 62 и сильфон 67. Кроме того, автономное средство 6 подачи содержит поршень 64 и элемент 65 смещения, который в этом варианте осуществления представляет собой пружину. Кроме того, в корпусе 60 средства 6 подачи предусмотрено соединительное отверстие 66, так что устанавливается соединение между второй камерой 62 и стволом скважины, в котором расположена среда 9, которая должна быть транспортирована. Следовательно, во второй камере 62 преобладает такое же давление, как в стволе скважины 8.

Сильфон 67 отделяет первую камеру 61 от второй камеры 62 непроницаемым для среды способом. Поршень 64 расположен здесь на открытом конце сильфона 67 так, что сильфон 67 вместе с поршнем 64 образует чашеобразный узел, который расположен на внутренней стороне корпуса 60 автономного средства 6 подачи. Первая камера 61 соединена через отверстие 13 в корпусе 60 с линией 12 соединения, которая ведет к механическому уплотнению 50.

Элемент 65 смещения удерживается с одного конца на внутренней стороне корпуса 60 и с другого конца на поршне 64. Элемент 65 смещения, таким образом, оказывает усилие F смещения на поршень 64. Первое давление Р1 в первой камере 61, таким образом, постоянно больше, чем второе давление Р2 во второй камере 62. Это обеспечивает избыточное давление на механическое уплотнение 50, так что невозможно, чтобы среда проходила с внешней стороны через уплотнительный зазор 53 механического уплотнения 50. Следовательно, с помощью барьерной среды из первой камеры 61 может быть достигнут максимальный срок службы механического уплотнения 50.

Первая камера 61 выполнена здесь таким образом, что барьерной среды, содержащейся в ней, достаточно для работы в течение нескольких лет. Следовательно, утечка через уплотнительный зазор 53 наружу (стрелка L) может быть компенсирована в течение нескольких лет.

Фиг. 3 показывает транспортное устройство 1 для скважины в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, причем идентичные или функционально идентичные части обозначены теми же ссылочными позициями, как в первом варианте осуществления. Как можно видеть на фиг. 3, автономное средство 6 подачи по второму варианту осуществления содержит третью камеру 63, в дополнение к первой камере 61 и второй камере 62. Третья камера 63 герметизирована здесь полностью непроницаемым для среды способом. Третья камера 63 образована как снаружи первой камеры 61, так и снаружи второй камеры 62. Как можно видеть на фиг. 3, первый сильфон 67 расположен на первой стороне поршня 64 и второй сильфон 68 - на второй стороне поршня 64, противоположной первой стороне так, чтобы образовать первую и вторую камеры. Третья камера 63 здесь заполнена средой, предпочтительно маслом, и третье давление Р3 в третьей камере 63 больше, чем первое давление Р1 в первой камере 61 и больше, чем второе давление Р2 во второй камере 62. Чтобы обеспечить подвижность поршня 64, поршень содержит множество проходных отверстий 64а. Кроме того, для поддержания барьерной среды в первой камере 61 под давлением предусмотрен элемент 65 смещения. Альтернативно, второй сильфон 68 также может быть выполнен как элемент смещения. При такой конструкции как первый сильфон 67, так и второй сильфон 68 могут, таким образом, поддерживаться средой, содержащейся в третьей камере 63. Кроме того, для сильфонов 67, 68 достигается дополнительная функция демпфирования со средой, содержащейся в третьей камере 63. Следовательно, в частности, также изменения давления внутри ствола скважины не могут повредить автономное средство 6 подачи.

Следовательно, транспортное устройство 1 для скважины, согласно изобретению, как описано в вариантах осуществления, содержит встроенное автономное средство 6 подачи, такое, что механическое уплотнение 60 может работать без каких-либо повреждений в течение нескольких лет. Не существует каких бы то ни было проблем уплотнения, а автономное средство 6 подачи также гарантирует, что никакая среда, которая должна быть транспортирована, или т.п., не сможет проникнуть в отсек двигателя электропривода 2, который, как правило, заполнен диэлектриком. Следовательно, электропривод может также продолжать работать в течение нескольких лет. В результате транспортное устройство 1 для скважины может оставаться в скважине 8 в течение нескольких лет и выполнять функции транспортировки.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 транспортное устройство для скважины

2 электропривод

3 насос

4 вал

5 механический блок уплотнения

6 автономное средство подачи

7 линия транспортировки

8 ствол скважины

9 среда, которая должна быть транспортирована

10 сепаратор

11 приточные отверстия

12 линия соединения

13 отверстие

50 механическое уплотнение

51 вращающееся уплотнительное кольцо

52 неподвижное уплотнительное кольцо

53 зазор уплотнения

60 корпус

61 первая камера

62 вторая камера

63 третья камера

64 поршень

64a проходные отверстия

65 элемент смещения

66 отверстие соединения

67 первый сильфон

68 второй сильфон

F сила упругости

L утечка

M двигатель

P1 первое давление

P2 второе давление

P3 третье давление

X-X осевое направление

Изобретение относится к нефтедобыче и предназначено для транспортировки среды на поверхность через ствол скважины. Технический результат – повышение надежности работы устройства. Устройство содержит привод, насос, вал, соединяющий привод с насосом, механический блок уплотнения. Этот блок содержит, в свою очередь, механическое уплотнение с уплотнительным кольцом, имеющим возможность вращения, и неподвижным уплотнительным кольцом. Механическое уплонение имеет возможность уплотнения вала. Имеется автономное средство подачи, которое обеспечивает механическое уплотнение барьерной средой. Автономное средство подачи, привод, насос, вал и механический блок уплотнения образуют компактный блок транспортировки, который является полностью погружным в стволе скважины. Автономное средство подачи содержит первую камеру для приема барьерной среды, вторую камеру. Это средство соединено с наружной стороной транспортного устройства для скважины так, что давление, соответствующее давлению среды, которая должна быть транспортирована, преобладает во второй камере. Первую камеру герметично отделяет от второй камеры сильфон. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Транспортное устройство для скважины для транспортировки среды (9) из скважины (8), содержащее:

- привод (2);

- насос (3);

- вал (4), соединяющий привод (2) с насосом (3);

- механический блок (5) уплотнения, содержащий механическое уплотнение (50) с вращающимся уплотнительным кольцом (51) и неподвижным уплотнительным кольцом (52), причем механическое уплотнение (50) уплотняется на валу (4); и

- автономное средство (6) подачи, которое обеспечивает механическое уплотнение (50) барьерной средой, при этом автономное средство (6) подачи, привод (2), насос (3), вал (4) и механический блок (5) уплотнения образуют компактный блок транспортировки, который является полностью погружным в стволе скважины, при этом автономное средство (6) подачи содержит первую камеру (61) для приема барьерной среды, вторую камеру (62), соединено с наружной стороной транспортного устройства для скважины так, что давление, соответствующее давлению среды, которая должна быть транспортирована, преобладает во второй камере (62), и сильфон (67), который отделяет первую камеру от второй камеры (62) непроницаемым для среды способом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономное средство (6) подачи расположено на конце компактного блока транспортировки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что привод (2) размещен в осевом направлении (Х-Х) транспортного устройства для скважины между автономным средством (6) подачи и механическим блоком (5) уплотнения.

4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее поршневой элемент (64), расположенный на сильфоне (67) так, что сильфон (67) и поршневой элемент (64) образуют чашеобразный узел и первую камеру (61), расположенную во внутренней части чашеобразного узла, и вторую камеру (62) между наружной стороной чашеобразного узла и корпусом (60) автономного средства (6) подачи.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономное средство (6) подачи дополнительно содержит элемент (64) смещения для постоянного смещения барьерной среды в первой камере (61).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что привод (2) является электрическим приводом.

7. Устройство по п.6, дополнительно содержащее линию (12) соединения, соединяющую автономное средство (6) подачи с механическим узлом (5) уплотнения, причем линия (12) соединения проходит через электропривод (2).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономное средство (6) подачи дополнительно содержит третью камеру (63), причем третья камера (63) герметизирована непроницаемым для среды способом по отношению к первой и второй камере (61, 62).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что третье давление (Р3) в третьей камере (63) равно или больше, чем первое давление (Р1) в первой камере (61) и равно или больше, чем второе давление (Р2) во второй камере (62) и/или эта третья камера (63) окружает первую камеру (61) и/или вторую камеру (62).

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее сепаратор (10) для отделения газообразных составляющих из среды (9), которая должна быть транспортирована, причем сепаратор (10) встроен в компактный блок транспортировки.