В изобретении описана уплотнительная секция для погружного скважинного насосного агрегата, имеющая корпус, подсоединяемый между насосом и двигателем. Центральная радиальная опора крепит с возможностью вращения вал и формирует в корпусе верхнюю и нижнюю камеры, причем имеется проход скважинного флюида от наружной части корпуса к верхней камере. Имеются верхняя и нижняя изолирующие трубы, которые охватывают вал в верхней и нижней камерах, формируя кольцевой проход, сообщающийся со смазкой, находящейся в двигателе. Верхнюю изолирующую трубу охватывает баллон, отделяющий в верхней камере смазку от скважинного флюида. Верхний конец находящейся внутри баллона лабиринтной трубки сообщается с лабиринтным отверстием, проходящим через верхнюю изолирующую трубу, а ее нижний конец сообщается с нижней камерой.

[0001] Уплотнительная секция для погружного скважинного насосного агрегата, предназначенная для установки между насосом и двигателем насосного агрегата, содержащая

[0002] Уплотнительная секция по п.1, содержащая верхний и нижний переходники для связи с насосом и двигателем соответственно и узел упорного подшипника, установленный в корпусе под нижней камерой над нижним переходником, причем корпус включает в себя одну цилиндрическую гильзу, проходящую от нижнего переходника к верхнему переходнику.

[0003] Уплотнительная секция по п.1, в которой в боковой стенке верхней изолирующей трубы внутри баллона имеется отверстие для сообщения смазки, находящейся в кольцевом проходе, с внутренним пространством баллона, выполненное в боковой стенке верхней изолирующей трубы внутри баллона.

[0004] Уплотнительная секция по п.1, содержащая

[0005] Уплотнительная секция по п.1, содержащая верхний переходник, скрепленный с верхним краем корпуса для соединения с насосом и имеющий канал для вала, через который этот вал проходит, и фиксатор баллона, размещенный между верхним краем баллона и верхней изолирующей трубой для плотного крепления верхнего края баллона к верхнему концу верхней изолирующей трубы и плотно введенный в нижнюю часть канала для вала в верхнем переходнике.

[0006] Уплотнительная секция для погружного скважинного насосного агрегата, предназначенная для установки между насосом и двигателем насосного агрегата, содержащая

[0007] Уплотнительная секция по п.6, содержащая баллон, расположенный в верхней камере и имеющий верхний край, соединенный с верхним переходником, и нижний край, соединенный с центральной радиальной опорой, и лабиринтную трубку, имеющую верхний конец, соединенный с отверстием в верхней изолирующей трубе внутри баллона, и нижний конец, сообщающийся с нижней камерой через проходной канал в центральной радиальной опоре.

[0008] Уплотнительная секция по п.6, содержащая

[0009] Уплотнительная секция по п.6, в которой нижняя радиальная опора, центральная радиальная опора и верхняя и нижняя изолирующие трубы выполнены с возможностью введения в гильзу как единого узла.

[0010] Уплотнительная секция для погружного скважинного насосного агрегата, предназначенная для установки между насосом и двигателем насосного агрегата, содержащая

[0011] Уплотнительная секция по п.10, в которой корпус включает в себя одну гильзу.

[0012] Уплотнительная секция по п.10, в которой центральная радиальная опора целиком находится в корпусе и имеет на своей наружной поверхности уплотнение, плотно контактирующее с внутренней поверхностью корпуса.

[0013] Уплотнительная секция по п.10, в которой центральная радиальная опора имеет образованный лабиринтной трубкой канал, проходящий между верхней и нижней камерами, причем нижний конец лабиринтной трубки плотно введен в верхнюю часть канала лабиринтной трубки.

[0014] Уплотнительная секция по п.10, содержащая нижнюю радиальную опору, размещенную в корпусе, причем каждая из нижней и центральной радиальной опор имеет канал для вала, через который этот вал проходит, при этом нижняя изолирующая труба имеет нижний и верхний концы, плотно контактирующие с каналами для вала в нижней и центральной радиальных опорах, и нижняя и центральная радиальные опоры, нижняя и верхняя изолирующие трубы и баллон формируют подсборку, выполненную с возможностью введения в корпус как единого узла.

[0015] Уплотнительная секция по п.10, содержащая верхний переходник, скрепленный с верхним краем корпуса для соединения с насосом и имеющий канал для вала, через который этот вал проходит, и фиксатор баллона, предназначенный для плотного крепления верхнего края баллона к верхнему концу верхней изолирующей трубы и плотно введенный в нижнюю часть канала для вала в верхнем переходнике.

[0016] Уплотнительная секция по п.10, содержащая

Настоящее изобретение относится в общем к электрическим погружным скважинным насосам и, в частности, к уплотнительной секции, расположенной между двигателем насоса и насосом и предназначенной для выравнивания давления смазки, содержащейся в двигателе, с гидростатическим наружным давлением.

Электрические погружные насосы часто используются для откачки смеси нефти и воды из скважины. Обычно в насосный агрегат входят электродвигатель и роторный насос, который может быть центробежным или другого типа. Двигатель заполняют диэлектрической смазкой, а уплотнительная секция, установленная между двигателем и насосом, служит для выравнивания внутреннего давления смазки с гидростатическим давлением вне насосного агрегата.

Типичная уплотнительная секция, также называемая уравнителем давления, имеет цилиндрический корпус, через который проходит приводной вал, передающий вращение от двигателя к насосу. В уплотнительной секции часто помещают узел упорного подшипника для поглощения направленной вниз нагрузки, создаваемой насосом. Смазка, находящаяся в насосе, смазывает также упорный подшипник.

Для выравнивания давления смазки с давлением скважинного флюида предлагали различные средства. В уплотнительной секции может быть установлен эластичный баллон (разделительный мешок), внутреннее пространство которого сообщается со смазкой в двигателе. Канал (проход) скважинного флюида пропускает скважинный флюид в часть уплотнительной секции, находящуюся снаружи баллона. Используют также лабиринтные трубки отдельно или в отделенной от баллона камере. Вода в скважине обычно имеет большую плотность, чем нефть. Как правило, установленные лабиринтные трубки имеют расположенный вверху вход и расположенный внизу выход, так что вода, проходящая вниз через трубку, не может вытечь обратно через вверх таким образом, чтобы попасть в двигатель.

В уплотнительную секцию также входят элементы, компенсирующие расширение смазки в двигателе, возникающее при его разогреве. Обратный клапан может быть использован для отвода избыточной смазки, не допуская при этом поступления скважинного флюида.

Большинство уплотнительных секций имеют несколько камер, обычно от двух до четырех, предназначенных для размещения баллона и лабиринтных трубок. Обычно каждая камера представляет собой цилиндрическую гильзу, скрепленную с помощью резьбы у своих верхнего и нижнего краев с переходниками и опорными элементами вала. Дополнительные резьбовые гильзы увеличивают стоимость уплотнительной секции.

Преимущества предлагаемой в изобретении уплотнительной секции обеспечиваются ее несколькими особенностями. Лабиринтная трубка для отвода воздуха в процессе заполнения размещается внутри баллона. Нижний конец лабиринтной трубки связан с отдельной заполненной маслом камерой.

Уплотнительная секция имеет верхний и нижний переходники для ее скрепления с насосом и двигателем. Корпус представляет собой одну цилиндрическую гильзу, соединенную с верхним и нижним переходниками. В корпусе над нижним адаптером установлен узел упорного подшипника. Внутрь корпуса вставлены нижняя и центральная радиальные опоры, удерживающие вал в радиальном направлении. Вал охватывают изолирующие трубы, соединенные с нижней и центральной радиальными опорами и с центральной радиальной опорой и верхним переходником. Нижняя и центральная радиальные опоры, изолирующие трубы и емкость, могут быть собраны в единый узел и вставлены в корпус через один из его краев.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1A и 1Б представлено вертикальное сечение уплотнительной секции электрического погружного скважинного насосного агрегата, выполненного согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 представлено в увеличенном виде сечение верхней части уплотнительной секции с фиг. 1;

на фиг. 3 схематически представлено сечение скважины с электрическим погружным насосным агрегатом, предлагаемым в настоящем изобретении.

На фиг. 3 представлен электрический погружной скважинный насосный агрегат 11, установленный внутри обсадной трубы 13 в скважине. Насосный агрегат 11 подвешен на насосно-компрессорной колонне 15 и в данном варианте выполнения изобретения доставляет скважинный флюид вверх по колонне 15. Электрический погружной скважинный насосный агрегат 11 имеет двигатель 17, обычно представляющий собой трехфазный двигатель переменного тока. Двигатель 17 соединен с уплотнительной секцией 19, соединенной, в свою очередь, с насосом 21. Двигатель 17 заполнен смазкой, и уплотнительная секция 19 выравнивает давление смазки с гидростатическим давлением наружного скважинного флюида. Насос 21 представляет собой насос роторного типа, такой как центробежный насос с большим количеством ступеней, каждая из которых имеет рабочее колесо и диффузор. Насос 21 имеет впуск 23, через который всасывается скважинный флюид.

Как видно на фиг. 1A и 1Б, уплотнительная секция имеет нижний переходник 25 для скрепления с двигателем 17 (фиг. 3). Нижний переходник 25 обычно снабжен фланцем 27, в который входят болты, предназначенные для соединения с сопряженным фланцем двигателя 17. Верхний переходник 29 (фиг. 1A) соединяет уплотнительную секцию 19 с насосом 21 (фиг. 3). В верхнем переходнике 29 имеются резьбовые гнезда 31, в которые входят винты от нижнего переходника насоса 21. Уплотнительная секция 19 имеет корпус 33, имеющий цилиндрическую гильзу, скрепленную с верхним и нижним переходниками 25, 29 предпочтительно с помощью резьбы. Корпус 33 предпочтительно представляет собой один целиковый элемент.

Через уплотнительную секцию 19 проходит вал 35, передающий вращательное движение от двигателя 17 (фиг. 3) к насосу 21. Вал 35 имеет верхний конец 37, который при желании может быть снабжен фиксирующим элементом 39. Для передачи нагрузки фиксирующий элемент 39 сцепляется с валом (не показан) насоса 21 (фиг. 3). Вал 35 имеет нижний конец 41 со шлицами, который сцепляется с валом двигателя 17 (не показан).

Как показано на фиг. 1Б, в уплотнительной секции 19 установлен обычный упорный подшипник 42. Упорный подшипник 42 содержит вращающийся упорный элемент или бегунок 43, закрепленный на валу 35. Бегунок 43 контактирует с возможностью вращения с неподвижным упорным элементом или основанием 45, установленным на верхней стороне нижнего переходника. Бегунок 43 также контактирует с неподвижным элементом 47, воспринимающим нагрузку снизу вверх при ее возникновении. Перемещению вверх внутри корпуса 33 элемента 47, воспринимающего нагрузку снизу вверх, препятствует стопорное кольцо 48, которое может быть упругим.

В корпусе 33 установлена нижняя радиально нагруженная опора 49, причем перемещению вниз опоры препятствует стопорное кольцо 48. Нижняя радиально нагруженная опора 49 имеет вкладыш 51, контактирующий с возможностью проскальзывания с валом 35. Вкладыш 51 не уплотняет вал 35 и может иметь проходы или каналы, через которые может свободно проходить смазка двигателя. На наружной поверхности нижней радиально нагруженной опоры 49 имеются уплотнения, создающие герметичный контакт по внутреннему диаметру корпуса 33. Нижняя изолирующая труба 53 у верхнего конца вкладыша 51 герметично входит в проточку в нижней радиально нагруженной опоре 49. Нижняя изолирующая труба 53 имеет внутренний диаметр, больший, чем наружный диаметр вала 35, образуя тем самым кольцевой канал для потока смазки двигателя. Смазка двигателя может свободно перетекать между областью вокруг упорного подшипника 42 в кольцевой зазор внутри нижней изолирующей трубы 53.

Верхний конец нижней изолирующей трубы 53 входит в проточку в центральной радиально нагруженной опоре 55, образуя с ней герметичный контакт. На наружной поверхности центральной радиально нагруженной опоры 55 имеются уплотнения, обеспечивающие герметизацию по внутреннему диаметру корпуса 33. В центральной радиально нагруженной опоре также имеется вкладыш 57, скользяще контактирующий с валом 35, но не препятствующий потоку смазки. Нижняя камера 59 образована кольцевым промежутком между радиально нагруженными опорами 49 и 55 и охватывает нижнюю изолирующую трубу 53. От нижнего края центральной радиально нагруженной опоры 55 до ее верхнего края проходит канал 61.

На фиг. 1A и 1Б можно видеть, что верхняя изолирующая труба 63 своим нижним концом герметично входит над вкладышем 57 в проточку в центральной радиально нагруженной опоре 55. Верхний конец изолирующей трубы 63 проходит к верхнему переходнику 29, формируя в корпусе 33 верхнюю камеру 64. В верхней камере 64 расположен цилиндрический эластичный баллон 65. Баллон 65 имеет нижний край 67, герметично облегающий верхнюю суженную часть центральной радиально нагруженной опоры 55. У своего верхнего края баллон 65 имеет суженную часть 69, которая герметично связана с фиксатором 71 баллона, как показано на фиг. 2. Фиксатор 71 баллона представляет собой цилиндрический элемент, соединенный с помощью резьбы с верхним концом верхней изолирующей трубы 63. Верхняя часть фиксатора 71 баллона герметично входит в проточку 70, выполненную в нижней части верхнего переходника 29.

Снова обращаясь к фиг. 1A и 1Б, можно видеть, что у верхнего конца верхней изолирующей трубы 63 в ее боковой стенке имеется отверстие 72. Отверстие 72 связывает кольцевой зазор внутри верхней изолирующей трубы 63 с внутренним пространством баллона 65. Кроме того, у лабиринтной трубки 73 имеется верхний конец, соединенный с отверстием 75, расположенным вблизи отверстия 72. Отверстие 75 показано ниже отверстия 72, но оно могло бы располагаться и на одном уровне или даже выше отверстия 72. Лабиринтная трубка 73 представляет собой трубку малого диаметра, проходящую от отверстия 75 вниз вдоль боковой стороны верхней изолирующей трубы 63 и герметично входящую в верхний край канала 61 (фиг. 1Б) в центральной радиально нагруженной опоре 55. Таким образом, смазка, находящаяся в нижней камере 59, через лабиринтную трубку 73 сообщается со смазкой, находящейся в кольцевом зазоре, охватывающем вал 35 в изолирующих трубах 53 и 63.

На фиг. 2 видно, что в верхнем переходнике 29 имеется гнездо 77 для резьбовой пробки. Обычно в процессе работы в гнезде 77 находится пробка (не показана), но ее удаляют при введении масла. Радиальный канал 79 соединен с внутренним краем гнезда 77 пробки и продолжается вовнутрь в направленный по оси канал 81, через который проходит вал 35. Установленный в канале 81 вкладыш 83 находится в скользящем контакте с валом 35 и крепит его в радиальном направлении. Вкладыш 83 не препятствует потоку смазки. В отводном канале 87 в верхнем переходнике 29 установлены один или несколько обратных клапанов 85. Отводной канал 87 проходит вверх от нижнего края верхнего переходника 29 до пересечения с радиальным каналом 79, проходящим внутрь от гнезда 77 пробки. Обратный клапан 85 пропускает в верхнюю камеру 64 поток жидкости, направленный вниз, но не пропускает поток жидкости, направленный вверх. Канал 89 скважинного флюида проходит от нижнего края верхнего переходника 29 к полости 91, сформированной в верхнем краю верхнего переходника. Через впуск 23 насоса 21 (фиг. 3) полость 91 сообщается со скважинным флюидом, находящимся вне уплотнительной секции 19. Альтернативно канал 89 скважинного флюида может проходить через наружную боковую стенку верхнего переходника 29.

У верхнего конца вала 35 расположен механический уплотнительный узел 92, предназначенный для предотвращения проникновения скважинного флюида из полости 91 в двигатель 17 (фиг. 3). В данном варианте выполнения механический уплотнительный узел 92 содержит вращающийся уплотняющий элемент 93, вращающийся вместе с валом 35 и прижимаемый к неподвижному герметичному основанию 97 винтовой пружиной 95. При желании, под герметичным основанием 97 может быть установлено дополнительное уплотнение 99 вала. Показанное уплотнение 99 представляет собой обычное масляное уплотнение вала. Предпочтительно, чтобы между уплотнением 99 и уплотнительным узлом 92 находилась смазка, которая может отличаться от смазки двигателя.

При сборке уплотнительной секции 19 предварительно собирают внутренние компоненты гильзы или корпуса 33 и проталкивают их в корпус 33 с одного из концов. Например, пользователь может сначала установить в корпус 33 нижний переходник 25, упорный подшипник 42 и вал 35. Затем пользователь заранее монтирует верхнюю и нижнюю изолирующие трубы 63, 53 с элементами 49, 55 радиально нагруженных опор и баллоном 65. После чего подсборка проталкивается на вал 35 и в корпус 33. Затем на корпусе 33 закрепляется верхний переходник. При этом по мере вхождения резьбы на верхнем переходнике в резьбу внутри корпуса 33 проточка 70 скользяще надевается на ступенчатый фиксатор 71, образуя герметичное соединение.

Перед работой двигатель 17 и уплотнительную секцию 19 заполняют моторной смазкой, для чего могут быть использованы различные способы. По одному из способов двигатель 17 сначала заполняют смазкой при изготовлении или с использованием сервисного оборудования. В месте нахождения скважины уплотнительную секцию соединяют с верхним краем двигателя 17 и накачивают смазку через наливное отверстие у верхнего края двигателя (не показано). Перед накачкой смазки в двигатель 17 из гнезда 77 удаляют пробку. Оператор может накачивать смазку через наливное отверстие вверх в уплотнительную секцию 19 до тех пор, пока смазка не потечет из гнезда 77 для пробки. Во время этой операции воздух, находящийся в уплотнительной секции 19, выходит через отверстие 77.

В процессе заполнения смазка поступает вверх через пространство, окружающее упорный подшипник 42 (фиг. 1Б), и кольцевой зазор вокруг вала 35 в нижней изолирующей трубе. Смазка проходит вверх через кольцевой зазор в верхней изолирующей трубе 63 и далее вниз в баллон 65 через отверстие 72 (фиг. 1A). Смазка также поступает в нижнюю камеру 59 через лабиринтную трубку 73 и канал 61. После заполнения нижней камеры 59 и внутреннего пространства баллона 65 смазка пройдет вверх в пространство вокруг вала 35 в верхнем переходнике 29, по меньшей мере, до верхнего масляного уплотнения, если оно используется.

После заполнения пробку устанавливают в гнездо 77 и насосный агрегат 11 (фиг. 3) опускают в скважину. При опущенном в скважину насосном агрегате 11 скважинный флюид через полость 91 и канал 89 поступает в верхнюю камеру 64. Гидростатическое давление скважинного флюида через баллон 65 воздействует на смазку, находящуюся в баллоне 65 и двигателе 17. При достижении заданной глубины оператор подает напряжение на двигатель 17, и насос начинает втягивать скважинный флюид через впуск 23 и подавать его через трубопровод 15 на поверхность.

Двигатель начинает разогреваться, что вызывает расширение смазки. Благодаря этому расширению избыток смазки может через каналы 79, 87 и обратный клапан 85 выйти в верхнюю камеру 64. Смазка, как правило, имеет меньшую плотность, чем скважинный флюид, часто содержащий большую долю соленой воды, поэтому вышедшая в верхнюю камеру 64 смазка обычно проходит вверх через канал 89 в полость 91, откуда насос 21 (фиг. 3) откачивает ее на поверхность.

Со временем может происходить некоторое просачивание скважинного флюида через механическое уплотнение 92 и масляное уплотнение 99. В этом случае скважинный флюид будет под действием гравитации проходить вниз через вкладыш 83 в кольцевой зазор вокруг верхней изолирующей трубы 63. Некоторая часть скважинного флюида вытечет через отверстие 72 в баллон 65. Некоторая часть флюида пройдет вниз по лабиринтной трубке 73 в нижнюю камеру 59. Некоторая часть скважинного флюида, попавшая в баллон 65, будет собираться у нижнего края и не сможет выйти обратно через отверстие 72, расположенное у верхнего края баллона 65. Кроме того, некоторая часть флюида, которая может собраться в нижней камере 59, будет не способна пройти вверх к отверстиям 72 или 75.

Изобретение имеет существенные преимущества. Использование одной цилиндрической гильзы для корпуса снижает стоимость по сравнению с корпусами, состоящими из нескольких гильз. Поскольку нижняя и центральная радиально нагруженные опоры вдвигаются в корпус, уплотнительная секция может иметь больший объем для расширения масла, чем известная из уровня техники секция, имеющая единую протяженность. Лабиринтная трубка позволяет отводить захваченный воздух и создает дополнительный барьер для скважинного флюида в случае его протечки. Масляное уплотнение служит резервным уплотнением, уменьшающим поступление скважинного флюида в контакт со смазкой. Процесс заполнения и сервисное обслуживание более просты.

Хотя изобретение проиллюстрировано только на одном примере его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что оно не ограничено только им и возможны различные изменения без выхода за рамки изобретения.