Погружной насосный агрегат с системой принудительного охлаждения приводного электродвигателя

Погружной насосный агрегат с системой принудительного охлаждения приводного электродвигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтедобывающей технике, а именно к конструкции погружных насосных агрегатов с системами охлаждения погружных маслозаполненных электродвигателей.

Эффективное охлаждение электродвигателей погружных насосных агрегатов при эксплуатации на нефтедобывающих скважинах снижает вероятность отказа электродвигателя и соответственно увеличивает межремонтный период работы насосного агрегата. Вероятность отказа насосного агрегата по причине неэффективного охлаждения особенно высока при выводе скважины на стационарный режим работы. Причиной такого отказа является, в частности, пробой изоляции обмоток статора двигателя из-за его перегрева [Автореферат диссертации. Исследование нестационарной работы системы "Пласт-скважина-УЭЦН". Шмидт С.А. Самарский государственный технический университет, Самара, 2000 (УДК 51.001.57:622.276)].

Известен герметичный насос, содержащий рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя с автономным контуром охлаждения, имеющим вспомогательное колесо для осуществления циркуляции охлаждающей жидкости и размещенное на другом конце вала электродвигателя [Синев Н.М. и др. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок. Москва, Атомиздат, 1967, с.224, рис.822]. Недостаток этой конструкции - большие габариты автономной системы охлаждения, исключающие возможность использовать эту конструкцию в глубоких скважинах. Электродвигатель погружного насоса имеет ограниченные радиальные габариты и может иметь высокие мощности (до сотен киловатт) с соответствующим высоким тепловыделением. Выполнение развитой теплопередающей поверхности для создания эффективной системы теплообмена по указанным выше причинам затруднено.

Известен погружной насосный агрегат с маслозаполненным электродвигателем, содержащий статор, ротор с пустотелым валом, основание с маслозаполненной полостью, пяту с радиальными отверстиями, установленную на валу [Ивановский В.Н. и др. Оборудование для добычи нефти и газа. Часть 1. Москва, Нефть и газ, 2002, с.457-458]. Масло внутри двигателя циркулирует из маслозаполненной полости по внутреннему отверстию в валу через отверстия в пяте и, проходя через канал, образованный соответствующими поверхностями статора и ротора, попадает обратно в маслозаполненную полость. Тепло, в конечном счете, передается внешней пластовой жидкости, окружающей электродвигатель, передача тепла в радиальном направлении к охлаждающей пластовой жидкости происходит через поверхности с малой активной площадью. Такая схема охлаждения недостаточно эффективна, хотя бы потому, что существенно увеличить площадь поверхности статора, контактирующей с маслом, нельзя.

Известен погружной насосный агрегат, содержащий приводной электродвигательный и насосный узел [SU 311046 А (СКБ Скважинных электронасосов для водоподъема), 09.08.1971]. Полая приемная сетка насоса выполнена в виде радиатора, сообщающегося одним концом с верхней частью внутренней полости электродвигателя, а другим с нижней частью внутренней полости электродвигателя, причем в указанной полости циркулирует жидкость. Помимо охлаждения двигателя через корпус в такой конструкции дополнительное охлаждение обеспечивается посредством непрерывной циркуляции жидкости во внутренней полости двигателя с последующим ее охлаждением в указанной приемной сетке насоса откачиваемой жидкостью, протекающей через сетку. Недостатком этого электронасоса является малый коэффициент теплопередачи от двигателя к циркулирующей в его полости жидкости. Вследствие этого такая конструкция неэффективна в условиях высокого тепловыделения при использовании высокооборотных электродвигателей достаточно высокой мощности (десятки кВт и более). В этой ситуации возникает перегрев обмотки статора, нарушение (пробой) изоляции электродвигателя.

Для обеспечения оптимального температурного режима работы двигателя при выводе скважины на стационарный режим используют кожухи принудительного охлаждения двигателя. Размещение приводного электродвигателя внутри кожуха принудительного охлаждения обеспечивает увеличение скорости движения откачиваемой жидкости и соответственно повышает интенсивность охлаждения электродвигателя.

Ближайшим аналогом изобретения является погружной электронасос [RU 2136970 С1 (АНК Башнефть), 10.09.1999], содержащий приводной погружной электродвигатель, охлаждаемый перекачиваемой жидкостью, насосный узел, кожух принудительного охлаждения (охладительная емкость) с отверстиями на его боковых и торцевых поверхностях, электродвигатель размещен внутри кожуха. При эксплуатации электронасоса откачиваемая жидкость через входные отверстия кожуха принудительного охлаждения поднимается к верхней части кожуха, омывает поверхность электродвигателя и охлаждает его. Одна из основных причин перегрева ПЭД и выхода его из строя в такой конструкции (при наличии газосепаратора на входе насоса) крайне неэффективная работа системы охлаждения при выводе скважины на режим. Экспериментально показано, что при наличии на входе насоса модуля газосепаратора нарушается нормальный режим циркуляции скважинной жидкости в кожухе и нет притока откачиваемой жидкости во входные отверстия кожуха.

Задача настоящего изобретения - обеспечить эффективное функционирование системы охлаждения двигателя при пуске насоса с модулем газосепаратора, а именно не допустить перегрева двигателя в условиях недостаточного притока охлаждающей жидкости в кожух, например при выводе скважин на стационарный режим эксплуатации при наличии "тяжелой" жидкости глушения в скважине.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном насосном агрегате, содержащем насос и приводной электродвигатель, размещенный в кожухе принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности, установлен центробежный газосепаратор, включающий вал с последовательно расположенными на валу шнековым узлом, центробежным сепарирующим узлом и дополнительным шнековым узлом, канал для отвода отсепарированной жидкости и канал для отвода газожидкостной смеси, причем входная часть канала для отвода газожидкостной смеси образована полостью с дополнительным шнековым узлом, кожух принудительного обтекания охватывает, по меньшей мере, часть внешних поверхностей электродвигателя и газосепаратора, боковые отверстия кожуха выполнены в его нижней части, конструкция кожуха выполнена с возможностью обеспечения протока жидкости, откачиваемой из межтрубного пространства, через вышеуказанные боковые отверстия кожуха, по каналу, сформированному внутренней поверхностью кожуха и соответствующими внешними поверхностями электродвигателя и газосепаратора, к входным отверстиям газосепаратора. Погружной насосный агрегат может иметь двигатель с теплообменником, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, а отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания находятся ниже уровня внешней поверхности теплообменника. Газосепаратор может содержать гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке может выполняться, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания может жестко скрепляться с верхней частью гильзы-вставки, погружной насосный агрегат может включать двигатель, содержащий теплообменник, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания могут находиться ниже уровня внешней поверхности теплообменника, газоспепаратор может содержать гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания жестко скреплен с верхней частью гильзы-вставки.

На фиг.1. показан газосепаратор без кожуха и гильзы-вставки.

На фиг.2 - конструкция нижней части насосного агрегата (с кожухом).

Насосный агрегат с кожухом имеет следующий состав. Центробежный газосепаратор 17 с входными отверстиями 6, содержит последовательно расположенные на валу 16 шнековый узел (нагнетательный блок) 4, сепарирующий узел (цилиндрический барабан с радиальными лопатками) 1, дополнительный шнековый узел 13. В нижней части газосепаратора расположен опорный узел вала 5, а в верхней части канал для отвода отсепарированной жидкости 14 и канал для отвода отсепарированной газожидкостной смеси 15, вход которого сформирован полостью с дополнительным шнековым узлом 13. В составе газосепаратора есть гильза-вставка 2 с входным отверстием 3. Кожух 7 закреплен своими верхними краями на гильзе-вставке 2. Он охватывает часть поверхности газосепаратора и электродвигателя 8 с токовводным узлом 9, а также внешнюю поверхность теплообменника двигателя 10. Входные отверстия 11 кожуха 7 для входа потока пластовой жидкости 12 выполнены на его боковой поверхности.

Погружной насосный агрегат работает следующим образом: поток откачиваемой жидкости 12 поступает через боковые отверстия 6 в каналы, образованные соответствующими поверхностями газосепаратора 17, двигателя 8 и кожуха 7. Благодаря наличию кожуха скорость обтекания жидкости увеличивается в несколько раз, например с 30 см/с до 1 м/с. Жидкость обтекает и охлаждает внешнюю поверхность теплообменника двигателя 10, далее ее поток проходит через отверстие 3 гильзы вставки 2 и поступает через входные отверстия газосепаратора 6 к нагнетателю шнекового типа 4. Здесь давление газожидкостной смеси повышается, после чего она подается в центрифугу - устройство сепарации в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками 1, где происходит разделение ее в поле центробежных сил на газовую и жидкую фазы. Далее смесь поступает на полость 19 с дополнительной шнековой ступенью 13, которая образует входную часть канала 15. В нерасчетном режиме (пластовая жидкость практически не содержит газа), например в ситуации вывода скважины на режим, шнековая ступень 13 предотвращает нежелательный эффект проникновения пластовой жидкости из межтрубного пространства в канал для отвода газожидкостный смеси 15. Отсепарированная жидкость направляется в канал для отвода жидкости 14 и поступает в следующий модуль насоса. Более легкий газ (если он есть в скважинной жидкости) поднимается через канал 15 и выходит в затрубное пространство.

Указанная конструкция позволяет обеспечивать эффективную работу кожуха принудительного охлаждения в момент вывода скважины на режим.

1. Погружной насосный агрегат, содержащий насос и приводной электродвигатель, размещенный в кожухе принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности, отличающийся тем, что содержит центробежный газосепаратор, включающий вал с последовательно расположенными на валу шнековым узлом, центробежным сепарирующим узлом и дополнительным шнековым узлом, канал для отвода отсепарированной жидкости и канал для отвода газожидкостной смеси, причем входная часть канала для отвода газожидкостной смеси образована полостью с дополнительным шнековым узлом, кожух принудительного обтекания охватывает, по меньшей мере, часть внешних поверхностей электродвигателя и газосепаратора, боковые отверстия кожуха выполнены в его нижней части, конструкция кожуха выполнена с возможностью обеспечения протока жидкости, откачиваемой из межтрубного пространства, через вышеуказанные боковые отверстия кожуха по каналу, сформированному внутренней поверхностью кожуха и соответствующими внешними поверхностями электродвигателя и газосепаратора, к входным отверстиям газосепаратора.

2. Погружной насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что двигатель содержит теплообменник, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, а отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания находятся ниже уровня внешней поверхности теплообменника.

3. Погружной насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что газосепаратор содержит гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания жестко скреплен с верхней частью гильзы-вставки.

4. Погружной насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что двигатель содержит теплообменник, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания находятся ниже уровня внешней поверхности теплообменника, а газосепаратор содержит гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания жестко скреплен с верхней частью гильзы-вставки.