WO2021021001A1 - Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления - Google Patents

Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления Download PDF

Info

Publication number
WO2021021001A1
WO2021021001A1 PCT/RU2020/000395 RU2020000395W WO2021021001A1 WO 2021021001 A1 WO2021021001 A1 WO 2021021001A1 RU 2020000395 W RU2020000395 W RU 2020000395W WO 2021021001 A1 WO2021021001 A1 WO 2021021001A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electric motor
spring
cavity
bellows
positive pressure
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/000395
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Данила Николаевич МАРТЮШЕВ
Наталья Анатольевна ЛЫКОВА
Тимофей Ринатович МОТЫГУЛЛИН
Степан Константинович КОЗЛОВ
Дмитрий Алексеевич ШЕВЦОВ
Максим Олегович ПЕРЕЛЬМАН
Евгений Вячеславович ПОШВИН
Original Assignee
Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Новомет-Пермь" filed Critical Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority to EP20847971.7A priority Critical patent/EP3936728A4/en
Priority to US17/607,668 priority patent/US11898426B2/en
Publication of WO2021021001A1 publication Critical patent/WO2021021001A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/08—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use
    • F04D13/086—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use the pump and drive motor are both submerged
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/128—Adaptation of pump systems with down-hole electric drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/08—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use
    • F04D13/10—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use adapted for use in mining bore holes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/12—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas
    • H02K5/132—Submersible electric motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/57—Seals

Definitions

  • the invention relates to the oil industry and can be used in installations of electric centrifugal pumps (ESP) for downhole oil production.
  • ESP electric centrifugal pumps
  • the disadvantage of this SEM is the need to use a special reservoir for the barrier fluid.
  • the restriction on the density of the barrier liquid excludes the use of, for example, demulsifiers with a density lower than the density of water to reduce the risk of asphaltene precipitation.
  • the use of a positive pressure load in the system makes the operation of a submersible motor in horizontal wells unacceptable, and the use of a spring located in the well fluid environment between the outer and inner bellows may be accompanied by a change in the properties of the spring due to the effect of the well fluid, for example, corrosion metal, and, as a consequence, loss of elasticity, which will adversely affect the process of maintaining positive pressure.
  • the closest to the claimed invention in terms of a set of features is a submersible electric motor with a system for maintaining a constant positive pressure, containing a housing, a shaft rotating inside the housing, transmitting rotational power from the electric motor section to the pump section, an end seal radially surrounding the shaft and holding the dielectric fluid inside the electric motor, a unit compensation of the volume of a dielectric fluid with a system for maintaining constant positive pressure placed in it, including an assembly of metal bellows that provides positive pressure inside the electric motor relative to the pressure of the well fluid flowing around it, and at least one stop for the bellows movement, while the system for maintaining positive pressure is equipped with a spring located inside a metal bellows in a stressed (compressed) state, the shaft is surrounded two or more sequentially located mechanical seals with the formation of a cavity between them [US Pat.
  • the lower end of the stretched spring is rigidly attached to the partition over the formation fluid, and the upper end, attached to the bellows, moves in the axial direction and stretches the bellows.
  • the bellows assembly includes two types of bellows, which differ in radial dimension.
  • the disadvantages of the prototype is the presence of fixed stops limiting the movement of the bellows during the expansion of the bellows assembly.
  • the pressure drop across the bellows assembly may exceed the initial design pressure, and with further expansion of the dielectric fluid filling the electric motor, the pressure drop between the bellows cavity and the well fluid under conditions of limiting the axial size of the bellows will increase to a value exceeding the maximum possible pressure drop in terms of strength characteristics, which can lead to deformation and rupture of the bellows, and, as a consequence, entail the ingress of wellbore fluid into the SEM cavity.
  • the inner cavity of the spring communicates with the downhole space, so it can be exposed to the wellbore fluid and changes in the properties of the spring, for example, metal corrosion, and as a result of loss of elasticity, which will adversely affect the process of maintaining positive pressure.
  • the tasks to be solved by the present invention are: preventing the ingress of wellbore fluid into the cavity of the submersible electric motor throughout the entire period of operation, ensuring control over the system for maintaining positive pressure, increasing the reliability of the submersible electric motor and increasing the mean time to failure.
  • the volume compensation unit is equipped with a spring / bellows position sensor, the cavity between the end seals is filled with a barrier liquid that prevents the formation
  • a coaxial guide rod can be installed inside the compensation unit.
  • a metal bellows can be installed in each cavity between the mechanical seals.
  • the protective fluid which fills the elastic element, protects the surface of the metal bellows from the upward flow of the wellbore fluid, since when the protective fluid contacts the wellbore fluid, the surface of the metal bellows does not corrode and does not form deposits.
  • FIG. 1 shows the inventive submersible electric motor with a system for maintaining a constant positive pressure
  • FIG. 2 - a fragment of the lower part of the SEM with an elastic element.
  • Submersible electric motor 2 with a system for maintaining constant positive pressure is equipped with a protector 1 on top, and a compensation unit 3 is attached to it from below (Fig. 1).
  • Protector 1 contains shaft 4, base 5, head 6, upper and lower mechanical seals 7.
  • Around the shaft 4 between the lower and upper mechanical seals 7 is formed cavity 8.
  • Cavity 8 can be filled with both a dielectric liquid and a barrier liquid designed to reduce the likelihood of deposits on the outer surface of the upper mechanical seal 7, which can lead to premature failure of this seal.
  • a demulsifier can be used, which prevents the precipitation of asphaltenes when the dielectric fluid of the electric motor contacts the well fluid, as well as a fluid with a density higher than the density of the well fluid, which will not allow the latter, even if it penetrates through the upper mechanical seal into cavity 8, to fall under the action of gravity into the underlying cavity of the SEM 2.
  • the cavity of the motor 2 is filled with a dielectric liquid and is hydraulically connected to the compensation unit 3.
  • a system for maintaining a constant positive pressure including a metal bellows 10 with a bottom 9 at the movable lower end and a spring 11, which is installed inside it in a stretched condition and is oriented along the axis of the shaft 4.
  • the lower end of the spring 11 is connected to the movable bottom 9 of the metal bellows 10 and is capable of axial movement, and the upper end is rigidly fixed from the side of the electric motor.
  • j bellows 10 and spring 1 1 are in a stressed (stretched) state, this makes it possible to create excess pressure in the cavity of the motor 2 with a dielectric fluid.
  • two or more metal bellows 10 can be sequentially installed, each of which must be equipped with a spring to create positive pressure in case any of the bellows fails or loses its tightness ...
  • a sensor 12 designed to determine the position of the spring / bellows and connected to the ground equipment for transmitting readings.
  • the sensor 12 for determining the position of the bellows 10 can be used any sensor that responds to the force of tension of the spring, for example, an inductive sensor or a strain gauge.
  • An inductive sensor can be a coil located around the core, the role of such a coil can be played by a spring 1 1, the inductance of which changes depending on the degree of its expansion / contraction.
  • an elastic element 13 in the form of a diaphragm, filled with a protective liquid 14, for example, a demulsifier (Fig. 2), can be additionally placed.
  • the protective fluid 14 protects the metal bellows 10 from penetration into it from the bottom of the wellbore fluid 15 and subsequent deposition on its outer surface of inclusions contained in the wellbore fluid, for example, in the form of asphaltenes.
  • another liquid with a density lower than the density of the well fluid can be used as a protective fluid 14, in which case the heavier well fluid located below will not be able to rise to the surface of the metal bellows 10 in case of damage to the elastic element 13.
  • a guide rod 16 can be installed coaxially, which prevents bending deformations of the metal bellows 10.
  • the number of mechanical seals 7 installed on the shaft 4 can be more than two, which will lead to the formation of additional cavities 8 between them.
  • To compensate for the change in the volume of fluid in the protector 1 between each pair of end seals 7 can be installed metal bellows 16 hydraulically connected to the cavity 8 (figure 1).
  • the inventive submersible electric motor with a constant positive pressure maintenance system operates as follows.
  • the temperature of the electric motor 2 begins to increase and the dielectric liquid in its cavity expands.
  • the compensation unit 3 located in the lower part of the electric motor 2, compensates for the temperature changes in the volume of the dielectric fluid in the cavity of the electric motor 2 by expanding or contracting the bellows 10 and at the same time ensures equalization of the pressure between the dielectric fluid inside and the well fluid flowing around the electric motor outside. In this case, due to the initially stressed state of the bellows, at any position inside the cavity of the electric motor 2, excessive pressure is created, due to which the formation fluid does not penetrate into the cavity of the electric motor 2.
  • the value of the overpressure is monitored based on the readings of the sensor 12, which transmits information about the position of the bellows 10 and the spring 1 1 to the surface, for example, through a telemetry system.
  • the creation of excess pressure inside the entire cavity of the submersible motor 2 and, accordingly, on the inner side of the mechanical seal 7 forces the fluid flow to move in only one direction: from the cavity of the electric motor 2 into the well fluid, excluding the possibility of counterflow of the well fluid into the cavity of the electric motor.
  • the senor 12 determines the position of the bellows 10 and the spring 1 1 and transmits the readings to the surface, for example, through a telemetry system, thereby making it possible to determine the state of operability of the system for maintaining positive pressure on the surface.
  • the initial position of the bellows 10 and the spring 1 1 are set so that the system for maintaining a constant positive pressure at a temperature of the motor winding of 180 ° C provides an overpressure of 2 atm.
  • the value of the initial tension of the spring 1 1 and the volume of dielectric liquid required to fill the cavity of the motor 2 are determined by calculation, taking into account possible leaks so that this volume of dielectric liquid is sufficient for the entire specified period of operation of the ESP. For this first of all, it is necessary to set the predicted operating time of the installation and the SEM 2. By selecting the stiffness and geometric dimensions of the springs 1 1, they achieve an accurate setting of the set value of the excess pressure inside the compensation unit 3.
  • the amount of possible leaks through the mechanical seals 7 is also taken into account based on the study (or calculation ) the change in the leak rate over time from the pressure drop in the positive pressure maintenance system.
  • the total integral value of leaks through the mechanical seal when the pressure drop changes from 2 to 1 atm will be 3 liters, and the volume of the dielectric liquid inside the SEM at the final compressed position of the spring is 5 liters. Then the total volume of the dielectric liquid for filling the cavity of the SEM 2 should be 8 liters. Based on the initial volume of 8 liters and the position of the bellows, the geometric dimensions and rigidity of the spring are determined so that at the initial moment a pressure of 2 atm is created in the positive pressure system.
  • the presence of a spring inside the cavity of the submersible motor provides a constant positive pressure inside the cavity with respect to the pressure of the well fluid, thus preventing the ingress of well fluid into the cavity of the submersible motor throughout the entire period of operation. Placing the spring inside the dielectric fluid prevents corrosion and wear due to lack of contact with corrosive wellbore fluid.
  • the presence of a sensor for determining the position of the bellows provides operational control over the operation of the positive pressure maintenance system. As a result, the average operating time and the reliability of the submersible electric motor, and, consequently, the entire ESP unit as a whole, increase.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Изобретение относится к установкам электроцентробежных насосов 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. 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 сильфона с возможностью осевого перемещения. Вал окружен последовательно расположенными торцевыми уплотнениями с образованием полости, заполненной барьерной жидкостью. Узел компенсации объема снабжен датчиком положения пружины/сильфона. Изобретение предотвращает попадания скважинной жидкости внутрь полости электродвигателя на протяжении всего периода эксплуатации, обеспечивает контроль системы поддержания положительного давления, повышает надежность электродвигателя при увеличении средней наработки до отказа.

Description

ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
С СИСТЕМОЙ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯННОГО ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
5 ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
К) 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 15 большую, чем плотность воды, расположенные один внутри другого металлические сильфоны, между которыми размещен тяжёлый груз или пружина, обеспечивающие создание положительного давления внутри полости ПЭД [US9631725В2].
Недостатком данного ПЭД является необходимость применения 20 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 25 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 путём преобразования давления в электрический сигнал [US9528368B2; GB2534707; AU2014309299; N02016031 1 ].
Недостатками ПЭД с указанной системой является недостаточная^ надёжность 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, при этом система поддержания положительного давления оснащена пружиной, расположенной внутри металлического сильфона в напряженном (сжатом) состоянии, вал окружен двумя и более последовательно расположенными торцевыми уплотнениями с образованием полости между ними [Пат. US9528357B2 или СА2389419С ! или GB2379094B]. Нижний конец растянутой пружины жестко крепится к перегородке над пластовой жидкостью, а верхний конец, прикрепленный к сильфону, двигается в осевом направлении и растягивает сильфон. В сборку сильфонов включены два типа сильфонов, которые различаются по радиальному размеру.
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 расчётное давление, и при дальнейшем расширении диэлектрической жидкости, заполняющей электродвигатель, перепад давления между полостью сильфона и скважинной жидкостью в условиях ограничения осевого размера сильфона возрастёт 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. Кроме того, внутренняя полость пружины сообщается с внутрискважинным пространством, поэтому она может быть подвержена воздействию скважинной жидкости и изменению свойств пружины, например, коррозии металла, и как следствие потери упругости, что отрицательно скажется на процессе поддержания положительного давления.
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. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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 надёжности 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, 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 напряжённом состоянии, расположенную внутри него, согласно изобретению, пружина расположена в растянутом состоянии внутри полости с диэлектрической жидкостью, верхний конец пружины закреплён жёстко со стороны электродвигателя, а нижний конец пружины прикреплён к дну металлического сильфона с возможностью осевого перемещения; узел компенсации объёма снабжен датчиком положения пружины/сильфона, полость между торцевыми уплотнениями заполнена барьерной жидкостью, предотвращающей образование отложений при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью. В нижней части электродвигателя может быть размещен эластичный элемент, заполненный защитной жидкостью, предотвращающей образование отложений на поверхности металлических сильфонов при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью.
С целью повышения надежности работы сильфонов внутри узла компенсации может быть установлен коаксиально направляющий шток.
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.
Защитная жидкость, которая заполняет эластичный элемент, защищает поверхность металлического сильфона от восходящего потока скважинной жидкости, так как при контактировании защитной жидкости со скважинной жидкостью поверхность металлического сильфона не подвергается коррозии и на ней не образуются отложения.
В узле компенсации объёма для улучшения надежности предпочтительно последовательно устанавливать два или более металлических сильфона с пружиной в каждом из них.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
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.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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 её 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 в растянутом состоянии 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 со стороны электродвигателя. Металлический ^
j сильфон 10 и пружина 1 1 находятся в напряженном (растянутом) состоянии, это обеспечивает возможность создания в полости ПЭД 2 с диэлектрической жидкостью избыточного давления. Для повышения надёжности 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 1 1 , индуктивность которой меняется в зависимости от степени её 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 тяжёлая скважинная жидкость, находящаяся снизу, не сможет подняться к поверхности металлического сильфона 10 в случае повреждения эластичного элемента 13.
Внутри узла компенсации объёма 3 в области металлического сильфона 10 может быть установлен коаксиально направляющий шток 16, который предотвращает изгибные деформации металлического сильфона 10.
Для повышения надёжности 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 объёма 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 её 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 объёма диэлектрической жидкости в полости электродвигателя 2 путём расширения или сжатия сильфонов 10 и обеспечивает при этом выравнивание давления между диэлектрической жидкостью внутри и скважинной жидкостью, обтекающей электродвигатель снаружи. При этом ввиду изначально напряженного состояния сильфона при любом его положении внутри полости электродвигателя 2 создаётся избыточное давление, из-за чего пластовая жидкость не проникает в полость электродвигателя 2. Наличие коаксиально установленного направляющего штока 16 внутри узла компенсации 3, исключающего изгиб сильфонов 10, обеспечивает движение сильфонов строго в осевом направлении, тем самым повышая надёжность 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 1 1 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 1 1 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 1 1 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 1 1 устанавливают таким образом, чтобы система поддержания постоянного положительного давления при температуре обмотки электродвигателя 180°С обеспечивала избыточное давление 2 атм. Величину первоначального растяжения пружины 1 1 и объём диэлектрической жидкости, необходимый для заполнения полости ПЭД 2, определяют расчетным путем с учетом возможных утечек таким образом, чтобы этого объёма диэлектрической жидкости хватило на весь заданный период эксплуатации УЭЦН. Для этого прежде всего необходимо задаться прогнозируемым сроком работы установки и ПЭД 2. Путём подбора жёсткости и геометрических размеров пружины 1 1 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 объём диэлектрической жидкости внутри ПЭД при конечном сжатом положении пружины составляет 5 л. Тогда суммарный объём диэлектрической жидкости для заполнения полости ПЭД 2 должен составлять 8 л. Исходя из начального объёма 8 л и положения сильфонов определяют геометрические размеры и жёсткость 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 её 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 надёжность погружного электродвигателя, а, следовательно, и всей УЭЦН в целом.

Claims

Формула изобретения
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 напряжённом состоянии, расположенную внутри него, отличающийся тем, что пружина расположена в растянутом состоянии внутри полости с диэлектрической жидкостью, верхний конец пружины закреплён жёстко со стороны электродвигателя, а нижний конец пружины прикреплён к дну металлического сильфона с возможностью осевого перемещения, узел компенсации объёма снабжен датчиком положения пружины/сильфона, полость между торцевыми уплотнениями заполнена барьерной жидкостью, предотвращающей образование отложений при контакте диэлектрической жидкости электродвигателя со скважинной жидкостью.
2. Погружной электродвигатель по п. 1 , отличающийся тем, что 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.
3. Погружной электродвигатель по п. 1 , отличающийся тем, что внутри узла компенсации объёма установлен коаксиально направляющий шток.
4. Погружной электродвигатель по п. 1 , отличающийся тем, что между торцовыми уплотнениями установлен металлический сильфон, гидравлически связанный с полостью между ними.
5. Погружной электродвигатель по п. 1 , отличающийся тем, что в узле компенсации объёма установлено два или более металлических сильфона, каждый из которых оснащен пружиной.
PCT/RU2020/000395 2019-08-01 2020-07-27 Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления WO2021021001A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20847971.7A EP3936728A4 (en) 2019-08-01 2020-07-27 SUBMERSIBLE MOTOR WITH A CONSTANT PRESSURE MAINTENANCE SYSTEM
US17/607,668 US11898426B2 (en) 2019-08-01 2020-07-27 Submersible electric motor with a system for maintaining a constant positive pressure

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019124783 2019-08-01
RU2019124783A RU2731446C1 (ru) 2019-08-01 2019-08-01 Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021021001A1 true WO2021021001A1 (ru) 2021-02-04

Family

ID=72421633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/000395 WO2021021001A1 (ru) 2019-08-01 2020-07-27 Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11898426B2 (ru)
EP (1) EP3936728A4 (ru)
RU (1) RU2731446C1 (ru)
WO (1) WO2021021001A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230184069A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-15 Saudi Arabian Oil Company Electrical submersible pump lubricant and coolant

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2379094B (en) 2001-06-18 2005-07-27 Schlumberger Holdings Submersible pumping systems
RU68801U1 (ru) * 2007-06-27 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лысьвенский завод нефтяного машиностроения" Устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя
US20150052989A1 (en) * 2013-08-20 2015-02-26 Baker Hughes Incorporated Metal Bellows Condition Monitoring System
US9631725B2 (en) 2014-05-08 2017-04-25 Baker Hughes Incorporated ESP mechanical seal lubrication
WO2018111596A1 (en) * 2016-12-16 2018-06-21 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Electrically powered motor lubricant pressure compensator for submersible pump motor

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3301063A (en) * 1964-12-10 1967-01-31 Schlumberger Well Surv Corp Pressure recorder
US3756085A (en) * 1972-01-03 1973-09-04 Bailey Meter Co Differential pressure transmitter overrange protection
US3916130A (en) * 1974-03-29 1975-10-28 Houdaille Industries Inc Pressure switch for a sump pump
US3947709A (en) * 1974-06-20 1976-03-30 Ethyl Corporation Protector for submersible electric motors
US4421999A (en) * 1981-03-02 1983-12-20 Hughes Tool Company Submersible pump seal section with multiple bellows
FR2602551A3 (fr) * 1986-08-07 1988-02-12 Souplesse Fonct Syst Dispositif pour la lubrification des moteurs de pompes sous-marines
US5796197A (en) * 1996-12-09 1998-08-18 Franklin Electric Co., Inc. Submersible motor sealing system
US7654315B2 (en) * 2005-09-30 2010-02-02 Schlumberger Technology Corporation Apparatus, pumping system incorporating same, and methods of protecting pump components
WO2014151967A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Fmc Technologies, Inc. Submersible well fluid system
US9534480B2 (en) * 2013-10-24 2017-01-03 Baker Hughes Incorporated Pressure compensation for a backup well pump
US10480298B2 (en) * 2013-11-08 2019-11-19 Ge Oil & Gas Esp, Inc. Bidirectional piston seals with pressure compensation
US20150132158A1 (en) * 2013-11-08 2015-05-14 Ge Oil & Gas Esp, Inc. Electric submersible motor oil expansion compensator
US9689529B2 (en) * 2014-05-08 2017-06-27 Baker Hughes Incorporated Oil injection unit
US10323641B2 (en) * 2014-05-23 2019-06-18 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Below motor equalizer of electrical submersible pump and method for filling
US9970272B2 (en) * 2014-06-06 2018-05-15 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Oil pressure regulator for electrical submersible pump motor
US9995118B2 (en) * 2014-07-16 2018-06-12 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Below motor equalizer of electrical submersible pump and method for connecting
RU2701655C2 (ru) * 2014-08-29 2019-09-30 ДжиИ ОЙЛ ЭНД ГЭС ЭСП, ИНК. Расширительная камера для текучей среды с защищенным сильфоном
US10125759B2 (en) * 2015-04-23 2018-11-13 Baker Highes, A Ge Company, Llc Flexible hose for bellows pressure equalizer of electrical submersible well pump
KR102616463B1 (ko) * 2015-12-18 2023-12-26 그라코 미네소타 인크. 벨로우즈 설치 및 보유 방법
GB2591950B (en) * 2018-09-20 2023-01-11 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Isolated chamber for mechanical face seal leakage in submersible well pump assembly

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2379094B (en) 2001-06-18 2005-07-27 Schlumberger Holdings Submersible pumping systems
CA2389419C (en) 2001-06-18 2008-02-26 Schlumberger Canada Limited Protector for electrical submersible pumps
US9528357B2 (en) 2001-06-18 2016-12-27 Schlumberger Technology Corporation Protector for electrical submersible pumps
RU68801U1 (ru) * 2007-06-27 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "Лысьвенский завод нефтяного машиностроения" Устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя
US20150052989A1 (en) * 2013-08-20 2015-02-26 Baker Hughes Incorporated Metal Bellows Condition Monitoring System
NO20160311A1 (en) 2013-08-20 2016-02-24 Baker Hughes A Ge Co Llc Metal bellows condition monitoring system
AU2014309299A1 (en) 2013-08-20 2016-02-25 Baker Hughes Incorporated Metal bellows condition monitoring system
GB2534707A (en) 2013-08-20 2016-08-03 Baker Hughes Inc Metal bellows condition monitoring system
US9528368B2 (en) 2013-08-20 2016-12-27 Baker Hughes Incorporated Metal bellows condition monitoring system
US9631725B2 (en) 2014-05-08 2017-04-25 Baker Hughes Incorporated ESP mechanical seal lubrication
WO2018111596A1 (en) * 2016-12-16 2018-06-21 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Electrically powered motor lubricant pressure compensator for submersible pump motor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3936728A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230184069A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-15 Saudi Arabian Oil Company Electrical submersible pump lubricant and coolant
US11952874B2 (en) 2021-12-14 2024-04-09 Saudi Arabian Oil Company Electrical submersible pump lubricant and coolant

Also Published As

Publication number Publication date
US20230193730A1 (en) 2023-06-22
EP3936728A1 (en) 2022-01-12
EP3936728A4 (en) 2022-09-21
US11898426B2 (en) 2024-02-13
RU2731446C1 (ru) 2020-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8739897B2 (en) Pressure compensation and rotary seal system for measurement while drilling instrumentation
EP1257728B1 (en) Artificial lift apparatus with automated monitoring of fluid height in the borehole
CA2749586C (en) System and method for a combined submersible motor and protector
EP2607614B1 (en) An annular barrier with an expansion detection device
US9689529B2 (en) Oil injection unit
US6766703B1 (en) Apparatus and method for enhancing remote sensor performance and utility
US20170261120A1 (en) Pressure Compensated Flow Tube for Deep Set Tubular Isolation Valve
EP3397034B1 (en) Subsea arrangement and method for detecting a malfunction of a subsea arrangement
RU2731446C1 (ru) Погружной электродвигатель с системой поддержания постоянного положительного давления
EP4051863A1 (en) Systems and methods for initiating an emergency disconnect sequence
EP3874185A1 (en) Apparatus, system and method for monitoring sealing devices
CN110234836B (zh) 带罩电潜泵
EP3743592A1 (en) Elastomer characterization
US11326425B2 (en) Pressure protection system for lift gas injection
AU2011285918B2 (en) Safety switch for well operations
GB2546100A (en) Wellhead control system
EP3522688B1 (en) System and method for estimating remaining useful life of pressure compensator
WO2016053588A1 (en) Low angle electric submersible pump with gravity sealing
RU6650U1 (ru) Погружной заполненный жидкостью электродвигатель
CA2452696C (en) Universal pressure protector for a polish rod
EP2986805B1 (en) Optical fibre installation in flexible riser
RU2235905C1 (ru) Скважинная штанговая насосная установка
WO2000046485A2 (en) Apparatus and method for enhancing remote sensor performance
AU2015205834A1 (en) Casing valve
US20140360732A1 (en) Bottle Chamber Gas Lift Systems, Apparatuses, and Methods Thereof

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20847971

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020847971

Country of ref document: EP

Effective date: 20211005

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE