Устройство для защиты насосной системы и насосная система, включающая такое устройство

Устройство для защиты насосной системы и насосная система, включающая такое устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится в основном к области разведки нефтяных месторождений, добычи из них и испытаний на них, а более конкретно, к защите насосных компонентов, используемых на таких месторождениях.

Для искусственного подъема текучей среды из скважины или пласта используют электрические погружные насосы (ЭПН). ЭПН в типичном случае содержит электрический погружной двигатель, уплотнительную секцию (иногда называемую в данной области техники протектором), которая функционирует, выравнивая давление между пространством внутри системы и пространством снаружи системы, а также действует как резервуар для компенсации внутреннего расширения нефти из-за двигателя, и насос, имеющий одну или более насосных ступеней внутри кожуха. Протектор может быть выполнен из металла в форме сильфонного устройства или из эластомера, и в этом случае протектор иногда называют протекторным мешком.

Из областей подземных окружающих сред откачивают множество текучих сред. Для откачивания желательных текучих сред на поверхность Земли, в залежах добываемых текучих сред можно располагать погружные насосные системы разных типов. Например, известно, что при добыче нефти и других полезных текучих сред из продуктивных скважин в общем случае используют погружную насосную систему для подъема текучих сред, собранных в скважине. Добываемые текучие среды (например, нефть) попадают в ствол скважины, пробуренный рядом с продуктивной свитой пластов. Текучие среды, содержащиеся в свите пластов, собираются в стволе скважины и поднимаются посредством погружной насосной системы в место сбора на поверхности Земли или над ней.

Помимо двигателей, насосных секций и уплотнений, типичная погружная система может также содержать множество дополнительных компонентов, таких как соединитель, используемый для соединения погружной насосной системы с развертываемой системой. Обычные развертываемые системы включают в себя насосно-компрессорные трубы, кабели и трубы, сворачиваемые в бухты. Кроме того, на погружной электрический двигатель подается электропитание по силовому кабелю, который проходит через развертываемую систему или вдоль нее.

Часто подземная окружающая среда (в частности, скважинная текучая среда) и текучие среды, которые нагнетаются с поверхности в ствол скважины (например, для проведения кислотных обработок), содержат химические соединения, вызывающие коррозию, которые могут включать диоксид углерода, сероводород и пластовую воду. Отметим, также, что независимо от того, является ли текучая среда вызывающей коррозию, если эта текучая среда попадает в двигатель и смешивается с моторным маслом, то эта текучая среда ухудшает электрические свойства моторного масла и изоляционных материалов компонентов двигателя. Соответственно, весьма желательно поддерживать эти внешние текучие среды отделенными от внутренней текучей среды двигателя и компонентов двигателя.

Погружные электрические двигатели трудно защитить от веществ, вызывающих коррозию, и внешних текучих сред из-за конструктивных требований к этим двигателям, обуславливающих использование в подземной окружающей среде. Типичный погружной двигатель заполнен внутри текучей средой, такой как масло для двигателя, что облегчает охлаждение и смазку этого двигателя во время работы. Однако, когда двигатель работает, вырабатывается тепло, которое, в свою очередь, нагревает внутреннюю текучую среду двигателя, вызывая расширение масла. И, наоборот, двигатель охлаждается, а текучая среда двигателя сжимается, когда погружная насосная система не используется.

Во многих приложениях, погружные электрические двигатели подвергаются значительным изменениям температуры из-за воздействия подземной окружающей среды, нагнетаемых текучих сред и других внутренних и внешних факторов. Эти изменения температуры могут вызывать нежелательное расширение и сжатие текучих сред, а также повреждение компонентов двигателей. Например, высокие температуры, обычные для подземных окружающих сред, могут вызывать избыточное расширение текучей среды двигателя и вызывать утечку и другие механические повреждения компонентов двигателей. Эти высокие температуры также могут разрушать или ослаблять уплотнения, изоляционные материалы и другие компоненты погружной насосной системы. Аналогичным образом, нежелательное расширение текучей среды и повреждение двигателя могут также быть результатом нагнетания высокотемпературных текучих сред, таких как водяной пар, в погружную насосную систему.

Соответственно, для погружного двигателя этого типа было бы выгодно иметь систему расширения текучей среды двигателя, способную вмещать расширяющуюся и сжимающуюся текучую среду двигателя. Необходимо обеспечивать возможность выравнивания или, по меньшей мере, по существу, выравнивания внутреннего давления двигателя с давлением окружающей среды, поддерживаемым в стволе скважины. В результате, становится трудно предотвращать поступление внешних текучих сред в текучую среду двигателя и внутренние компоненты двигателя.

Разработаны разные типы протекторов двигателей, используемые при изоляции погружных двигателей с одновременным обеспечением расширения и сжатия внутренней текучей среды двигателя. В качестве барьера между скважинной текучей средой и текучей средой двигателя уже используют множество эластомерных баллонов в отдельности или в сочетании с лабиринтными секциями. Например, для предотвращения смешивания текучей среды ствола скважины с текучей средой двигателя уже используют последовательно расположенные расширяемые эластомерные мешки или баллоны с одновременным обеспечением расширения и сжатия внутренней текучей среды двигателя. В протекторе другого типа используется сильфон, например, цельный (состоящий из одной части) кольцевой сильфон.

Известно устройство для защиты насосной системы, содержащее протектор, включающий материал, обеспечивающий расширение и сжатие внутренней текучей среды и являющийся барьером между текучими средами снаружи протектора и внутренней текучей средой, и имеющий первый и второй концы, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью соединения протектора с другими компонентами насосной системы (см., например, патент США 6688860 от 10.02.2004).

Однако данное устройство не обеспечивает возможность легкой очистки протектора для его повторного использования и, следовательно, его надежности и длительного срока службы.

Целью настоящего изобретения является увеличение надежности и срока службы протекторов двигателей насосной системы.

Согласно изобретению создано устройство для защиты насосной системы, содержащее протектор, включающий материал, обеспечивающий расширение и сжатие внутренней текучей среды и являющийся барьером между текучими средами снаружи протектора и внутренней текучей средой, и имеющий первый и второй концы, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью соединения протектора с другими компонентами насосной системы, отличающееся тем, что протектор содержит узел из по меньшей мере двух частей, соединенных друг с другом посредством соединительного средства, приспособленного обеспечивать выборочное соединение и отсоединение по меньшей мере двух частей.

Протектор может быть частью погружной насосной системы.

Протектор может содержать, по меньшей мере, один сильфон.

Упомянутый узел может быть выбран из узла, содержащего внутренний и внешний сильфоны, узла, содержащего один внешний сильфон и по меньшей мере два внутренних сильфона, расположенных последовательно и имеющих, каждый, меньшую длину, чем внешний сильфон, и узла, содержащего один внутренний сильфон и по меньшей мере два внешних, более коротких сильфона, расположенных последовательно.

Устройство может содержать материалы, способные выдерживать температуры, давления и изменения температуры и давления, и органические и неорганические композиции и их смеси.

Материалы могут быть выбраны из металлов, полимерных материалов, выбранных из природных и синтетических полимеров, комбинаций и композитов металлов и полимерных материалов, смесей природных и синтетических полимеров, и полимерных материалов и металлов, предусматривающих наличие слоистых структур и покрытий, в которых отдельные слои и покрытия являются одинаковыми или разными по составу и толщине.

Материал может содержать металл, выбранный из металлов, химически совместимых с ожидаемыми окружающими условиями, термообработанных металлов, коррозионно-стойких металлов, высокопрочных металлов и металлов, характеризующихся по меньшей мере двумя из этих свойств.

Второй конец протектора может быть выполнен с возможностью соединения протектора с уплотнением двигателя.

Согласно изобретению создана насосная система, содержащая по меньшей мере один двигатель насоса и устройство для защиты насосной системы, содержащее протектор для двигателя насоса, имеющий материал, обеспечивающий расширение и сжатие внутренней текучей среды и являющийся барьером между текучими средами снаружи протектора и внутренней текучей средой, и имеющий первый и второй концы, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью соединения протектора с другим компонентом насосной системы, отличающаяся тем, что протектор содержит составной сильфон и соединительное средство для соединения отдельных частей сильфона, приспособленное обеспечивать выборочное соединение и отсоединение частей сильфона для обеспечения очистки составного сильфона.

Протектор может содержать узел, содержащий множество сильфонов. Узел сильфонов может быть выбран из узла, содержащего внутренний и внешний сильфоны, узла, содержащего один внешний сильфон и по меньшей мере два внутренних сильфона, расположенных последовательно и имеющих, каждый, меньшую длину, чем внешний сильфон, и узла, содержащего один внутренний сильфон и по меньшей мере внешних, более коротких сильфона, расположенных последовательно.

Система может дополнительно содержать по меньшей мере два одинаковых или разных устройства, применяемых совместно и расположенных последовательно или параллельно.

Различные аспекты настоящего изобретения станут яснее после рассмотрения краткого описания чертежей, подробного описания изобретения и нижеследующей формулы изобретения.

Способ, посредством которого можно получить решения задач, поставленных при создании изобретения и другие желаемые характеристики, поясняется в нижеследующем описании и на прилагаемых чертежах, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет вид спереди известного электрического погружного насоса, расположенного внутри ствола скважины;

фиг.2 - схематическое сечение вдоль продольной оси протекторного устройства, состоящего из двух частей в соответствии с изобретением;

фиг.3 - схематическое сечение на виде сбоку вдоль продольной оси системы согласно изобретению, имеющей установленные в ней два протекторных устройства, каждое из которых состоит из двух частей согласно фиг.2;

фиг.4 - более подробное сечение части системы согласно фиг.3.

Прилагаемые чертежи выполнены не в масштабе и иллюстрируют лишь типичные варианты осуществления этого изобретения, так что их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, поскольку для изобретения допустимы другие, столь же эффективные варианты осуществления.

В нижеследующем описании приводятся многочисленные подробности, чтобы обеспечить понимание настоящего изобретения. Вместе с тем, специалисты в данной области техники поймут, что настоящее изобретение может быть воплощено на практике без этих подробностей и что на основании описываемых вариантов осуществления возможны многочисленные вариации и модификации.

Все фразы, варианты словообразования, словосочетания и многословные выражения, употребляемые в данной заявке, в частности в нижеследующей формуле изобретения, определенно не ограничиваются существительными и глаголами. Очевидно, что их смысловые значения не выражаются исключительно существительными, глаголами или одиночными словами. Языки предусматривают множество путей выражения содержания. Существование изобретательских замыслов и способы, которыми эти замыслы выражают, изменяются в зависимости от языковых культур. Например, многие сложные структуры, лексически реализованные в германских языках, зачастую выражаются в форме сочетаний «прилагательное-существительное», сочетаний «существительное-предлог-существительное» или вариантов словообразования в романских языках. Возможность внесения фраз, вариантов словообразования и словосочетаний в формулу изобретения существенна для высококачественных патентов, давая возможность сокращать выражения до их концептуального содержания, а все возможные концептуальные комбинации слов, которые совместимы с таким содержанием (либо в рамках языка, либо в рамках взаимосвязей между языками), следует считать включенными в состав употребляемых фраз.

В изобретении описаны устройства, системы, включающие такие устройства, и способы использования таких устройств и систем в приложениях к нефтяным месторождениям, включая процедуры разведки, испытания, бурения и добычи. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «нефтяное месторождение» охватывает приложения на суше (на поверхности и под поверхностью) и под морским дном. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «нефтяное месторождение» включает в себя углеводсодержащие нефтяные и газовые пласты и свиты или части свит, в которых ожидаются углеводородсодержащие нефть и газ, но, в конечном счете, может оказаться лишь вода, соляной раствор или какая-либо другая композиция. Типичным будет применение устройств и систем согласно изобретению в приложениях, связанных со стволами скважин, например, в контексте закачивания текучих сред в стволы скважин или выкачивания из них.

Различные варианты осуществления устройств согласно настоящему изобретению можно применять в системах и способах защиты двигателя насоса, подвергающегося воздействию подземной окружающей среды, например - в погружной насосной системе. Устройства согласно изобретению в этих вариантах осуществления можно назвать протекторами двигателей. Устройства согласно изобретению можно использовать для защиты двигателей и других компонентов в любом сочетании. В некоторых вариантах осуществления устройств их корпус содержит узел из двух или более частей, который можно разбирать и чистить без больших затруднений по сравнению с обычным цельным сильфонным устройством. Некоторые составные сильфонные узлы согласно изобретению можно разбирать и чистить проще, чем цельный сильфон. Например, составной сильфон можно очищать с помощью пароочистителя, поставляемого промышленностью, или другими способами, включая, но не в ограничительном смысле, химическую очистку и ультразвуковую очистку, с целью значительного удешевления процессов, очистки сильфонов. Когда речь будет заходить об устройствах согласно настоящему изобретению, содержащих узел из двух или более частей или компонентов, эти части или компоненты могут быть расположены любым множеством способов в рамках притязаний изобретения, например, это могут быть следующие элементы: концентричные сильфоны (содержащие внутренний и внешний сильфоны); один внешний сильфон и два внутренних сильфона, расположенные последовательно, каждый из которых имеет меньшую длину, чем внешний сильфон; один внешний сильфон и три более коротких внутренних сильфона, расположенные последовательно, и т.п. В сочетании с устройствами согласно изобретению можно использовать обычные устройства, например, располагаемые последовательно или параллельно. Можно также использовать одинаковые или разные устройства согласно изобретению, располагаемые последовательно или параллельно.

Устройство согласно изобретению может содержать материалы, способные выдерживать температуры, давления и изменения температуры и давления, а также органические и неорганические композиции и их смеси, ожидаемые или не ожидаемые в стволе скважины. «Ствол скважины» может принадлежать скважине любого типа, включая, но не в ограничительном смысле, продуктивную скважину, непродуктивную скважину, нагнетательную скважину, скважину для поглощения текучей среды, экспериментальную скважину, разведочно-эксплуатационную скважину и т.п. Стволы скважин могут быть вертикальными, горизонтальными, наклоненными под некоторым углом между вертикалью и горизонталью, или их комбинациями, например, ствол может принадлежать вертикальной скважине с не вертикальной составной частью. Подходящие материалы для упомянутого корпуса и концов устройств согласно изобретению включают в себя металлы, полимерные материалы, выбранные из природных и синтетических полимеров, комбинации и композиты металлов и полимерных материалов, а также варианты полимеров и металлов, предусматривающие наличие слоистых структур и покрытий, в которых отдельные слои и покрытия могут быть одинаковыми или разными по составу и толщине. Если используется полимерный материал, то этот полимерный материал может быть композиционным полимерным материалом, таким, но не в ограничительном смысле, как полимерные материалы, имеющие наполнители, пластификаторы и заключенные в них волокна. Устройства в рамках притязаний изобретения включают в себя те устройства, которые могут представлять или не представлять собой единое целое с двигателем. Использование металлических сильфонов расширяет рабочие пределы температуры по сравнению с аналогичными пределами протекторов типа полимерных мешков при экстремальных температурах. В случае загазованных скважин металлические устройства могут предотвращать миграцию газа через эти устройства и удаление моторного масла. В стволах скважин с жесткими внешними условиями, т.е. при наличии высокой температуры и H₂S, а также высокого содержания газообразных углеводородов, можно применять металлы, стойкие к H₂S и непроницаемые для газа.

Таким образом, устройства и системы согласно настоящему изобретению могут оказаться полезными, в частности, на операциях нагнетания пара, например, в проектах, предусматривающих гравитационные режимы пластов, реализуемые с помощью водяного пара (ГРПРПВП). Как известно, обычная добыча нефти в Канаде приходит в упадок, но добыча нефти из битуминозных песков и других источников тяжелой нефти посредством ГРПРПВП растет. В процессе применения ГРПРПВП бурят две параллельные горизонтальные скважины, нагнетают водяной пар в верхнюю скважину, которая находится приблизительно в 5-ти метрах над стволом нижней, продуктивной скважины. Нагнетаемый пар поднимается в свите пластов и нагревает нефть, имеющую удельный вес менее 10° АНИ (Американского нефтяного института), которая стекает вниз в ствол продуктивной скважины за счет гравитационного режима пласта. Раньше для получения скважин с ГРПРПВП использовали газлифт, однако газлифт требует больших затрат электроэнергии (для сжатия), а из-за горизонтальных стволов скважин могут возникнуть проблемы с неустойчивостью. Управление добычей осуществляют, используя электрические погружные насосы (ЭПН). Добываемая эмульсия подается в обрабатывающую установку. За счет использования ЭПН, можно уменьшить давление на приеме насоса, а значит, и динамическое забойное давление. Более низкое пластовое давление способствует оптимизации охвата водяным паром и использования пласта. ЭПН может быть, например, насосом, который известен под торговым названием "Hotline" 550, поставляется фирмой Schlumberger, Хьюстон, штат Техас, США, и рассчитан на 218°С (425°F). Производительность насосов в настоящее время находится в диапазоне примерно 300-1000 м³/сутки или 1900-6300 баррелей в сутки. Насосы устанавливаются в горизонтальной части ствола скважины и подвергаются воздействию быстрого роста температуры. Температура на поверхности может быть очень низкой. Скважины дают приблизительно 1% песка. В ЭПН может использоваться привод с переменной скоростью. Существующие сложные проблемы включают в себя высокую температуру в пласте, песок, циклы температуры, установку в горизонтальном стволе скважины и поддержание чистоты моторного масла. Несмотря на использование усовершенствованной изоляции, полностью стальных статоров, высокотемпературного диэлектрического моторного охлаждающего масла, эластомеров, способных выдерживать температуру до 550°С, высокотемпературных мелких скважины и металлических сильфонов, имеющих уплотнительные и сильфонные секции, о чем говорится в принадлежащем обладателю прав на данную заявку патенте США №6688860, поиск усовершенствований все же продолжается. Одной областью, в которой необходимы усовершенствования, является потребность в своевременной и экономичной очистке протектора двигателя. Устройства и системы согласно настоящему изобретению посвящены удовлетворению этой потребности.

На фиг.1 проиллюстрирована возможная насосная система 10, такая, как погружная насосная система. Насосная система 10 может содержать множество компонентов в зависимости от конкретного приложения или окружающей среды, в которой она используется. В типичном случае, система 10 имеет, по меньшей мере, один погружной насос 12, двигатель 14 и протектор 16 двигателя. Двигатель 14 может представлять собой электрический двигатель или другой двигатель, который требует компенсации объема, например, на основании теплового расширения и/или сжатия внутренней текучей среды. Погружной насос 12 может относиться к множеству типов, например, может быть центробежным насосом, осевым насосом или представлять собой их комбинацию. Система 10 также может содержать коробку передач, как известно в данной области техники.

Насосная система 10 в иллюстрируемом варианте осуществления предназначена для развертывания в скважине 18 в пределах геологической формации 20, содержащей желательные добываемые текучие среды, такие как нефть. В типичном приложении ствол 22 скважины бурят и обсаживают обсадной колонной 24 ствола скважины. Обсадная колонна 24 в типичном случае имеет множество отверстий 26 (например, перфорационных отверстий), сквозь которые добываемые текучие среды могут течь в ствол 22 скважины. Хотя на фиг.1 иллюстрируется система в вертикальной ориентации, это сделано просто для удобства. Как пояснялось ранее, при добыче с помощью ГРПРПВП, секцию ствола скважины можно было бы изобразить как горизонтальную.

Насосную систему 10 развертывают в стволе 22 скважины с помощью развертывающей системы 28, которая может иметь множество форм и конфигураций. Например, развертывающая система может содержать трубу 30, соединяемую с насосом 12 посредством соединителя 32. Электропитание на погружной двигатель 14 подается по силовому кабелю 34. В свою очередь, двигатель 14 сообщает мощность центробежному насосу 12, который тащит добываемую текучую среду сквозь всасывающее отверстие 36 насоса и перекачивает эту добываемую текучую среду на поверхность по трубе 30.

Следует отметить, что проиллюстрированная погружная насосная система 10 является просто возможным вариантом осуществления. В систему можно ввести другие компоненты, и можно воплотить другие развертывающие системы. Кроме того, добываемые текучие среды можно перекачивать на поверхность по трубе 30 или по кольцевому пространству, образованному между развертывающей системой 28 и обсадной колонной 24 ствола скважины. В любой из этих конфигураций погружной насосной системы 10 желательно достичь максимальной защиты и максимального срока службы текучей среды двигателя, самого двигателя 14 и протектора 16 двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

В вариантах осуществления настоящего изобретения система 10 может иметь многочисленные секции протектора 16 двигателя, расположенные вокруг двигателя 14. Как показано на чертеже, система 10 содержит насос 12, двигатель 14 и различные компоненты защиты двигателя, расположенные в кожухе. Насос 12 подсоединен с возможностью вращения к двигателю 14 посредством вала, который проходит в продольном направлении сквозь корпус (например, сквозь одну или нескольких секций кожуха, соединенных друг с другом). Система 10 и вал могут иметь многочисленные секции, которые могут быть взаимно соединены посредством муфт и фланцев. Например, вал может иметь муфты и промежуточную секцию вала, вала между насосом 12 и двигателем 14.

В обычных сильфонных протекторах, как правило, используется кольцевой сильфон (или, в некоторых случаях, два слоя сильфонов либо в альтернативном варианте, малый сильфон внутри большого сильфона). На одном конце кольцевого сильфона большой и малый сильфоны могут быть приварены к концевой пластине, а в противном случае могут оставаться незакрепленными. На другом конце оба сильфона - большой и малый - могут быть приварены к фланцу для установки сильфона на другую часть протектора во время сборки, например, на уплотнительную секцию протектора. Во фланце имеются несколько отверстий для гидравлического сообщения. Соответственно, если некоторый шлам из ствола скважины попадает в такой цельный сильфон, то очистка его может оказаться очень трудной.

В некоторых вариантах систем согласно изобретению применяется составной сильфон (например, сильфон, состоящий из двух частей, или сильфон, выполненный как единое целое с другим компонентом), который можно демонтировать и очищать, вследствие чего процесс очистки может оказаться гораздо проще и экономичнее. Кроме того, можно значительно повысить качество очистки сильфонов, обеспечивая надежную работу сильфонов в стволе скважины.

Настоящее изобретение охватывает различные способы использования составных сильфонов в протекторном узле. Например, сильфоны могут быть выполнены цельными, состоящими из одной части, либо составными, состоящими из двух или более частей, в зависимости от фактических затрат и производственных мощностей.

Фиг.2 иллюстрирует в сечении систему 50 согласно варианту осуществления, имеющий сильфон, состоящий из двух частей. Одна часть является внешним сильфоном 51, а другая часть является внутренним сильфоном 53. Оба сильфона имеют верхние и нижние фланцы, которые можно соединить друг с другом для формирования кольцевого сильфона. Внешний сильфон 51 приварен к верхнему фланцу 55 и нижнему фланцу 59, а внутренний сильфон 53 приварен к верхнему фланцу 57 и нижнему фланцу 61. В некоторых вариантах осуществления, подобно варианту осуществления, показанному на фиг.2, уплотнительные кольца 63 и 65 обеспечивают уплотнения между фланцами каждой пары, соединяемыми друг с другом. Нижний фланец 61 внутреннего сильфона 53 имеет один или несколько каналов 67 гидравлического сообщения, и этот фланец 61 может служить в качестве охватываемой части, устанавливаемой в охватывающее посадочное место корпуса 17 уплотнения протектора (фиг.4). Таким образом, сильфонный узел можно устанавливать в корпус 17 уплотнения протектора. Болты 69, 71, 73 и 75 поддерживают фланцы соединенными друг с другом, а отверстие для вала двигателя обозначено позицией 77.

Фиг.3 иллюстрирует в сечении систему 100 согласно варианту осуществления изобретения, а фиг.4 более подробно иллюстрирует установку сильфона, состоящего из двух частей. Изображены насос 12 и двигатель 14, причем протектор в этом варианте осуществления принимает вид нескольких сильфонных секций 16а и 16b, каждая из которых имеет конструкцию с внутренним и внешним сильфонами как в варианте 50 осуществления согласно фиг.2. Изображены уплотнительная секция 15 для сильфонной секции 16а и уплотнительная секция 17 для сильфонной секции 16b, а также текучая среда 54 для двигателя, например масло для двигателя. В этом варианте осуществления предусмотрена третья уплотнительная секция 19. Изображен вал 11 насоса. Отметим, что конструкция, подробно показанная на фиг.4, обеспечивает разборку, которая проще, чем разборка ранее известных устройств и систем, за счет наличия нескольких частей: внешний сильфон 51 можно отсоединять от внутреннего сильфона 53 путем простого вывинчивания болтов 69, 71, 73 и 75.

Работа сильфонного узла, изображенного на фиг.2, 3, 4, осуществляется следующим образом. Текучая среда 54 двигателя расширяется и сжимается, когда двигатель 14 включают и выключают и когда другие флуктуации температуры действуют на объем текучей среды. Если текучая среда 54 двигателя расширяется, то соответственно расширяются сильфоны 51 и 53. Если текучая среда 54 двигателя сжимается, то сильфоны 51 и 53 также сжимаются. Жесткость сильфона гарантирует, что текучая среда 54 двигателя больше сжата по сравнению со скважинной текучей средой независимо от расширения или сжатия текучей среды 54 двигателя (например, разность давлений составляет 10 фунтов-сил на квадратный дюйм (фн-с/кв.д), 25 фн-с/кв.д, 50 фн-с/кв.д или более). Во время или после погружения системы согласно изобретению, система может высвобождать масло из двигателя или впрыскивать его в двигатель, чтобы поддержать давление текучей среды 54 двигателя в пределах некоторого диапазона давления. Соответственно, внешние текучие среды (т.е. скважинные текучие среды) постоянно отжимаются от текучей среды двигателя, имеющейся в двигателе 14, что предотвращает нежелательное снижение качества внутренних текучих сред и компонентов двигателя 14. Вышеупомянутое давление гарантирует, что если произойдет утечка, то это будет утечка наружу из текучей среды 54 двигателя в скважинную текучую среду, а не внутрь, из скважинной текучей среды в текучую среду 54 двигателя (т.е. не в направлении типичной нежелательной утечки, способствующей ухудшению качества текучей среды 54 двигателя). Положительное внутреннее давление в общем случае обеспечивает лучшую окружающую среду для системы 10. Положительное давление текучей среды 54, обеспечиваемое сильфоном, также можно использовать для периодического выплескивания текучих сред через подшипники и уплотнения, чтобы гарантировать, что эти подшипники и уплотнения чисты и работоспособны.

На всем протяжении срока службы устройств и систем согласно изобретению текучая среда двигателя проявляет тенденцию к утечке наружу через уплотнения вала и во внешние текучие среды. Сам по себе, эта постепенная утечка склонна уменьшать давление текучей среды 54 двигателя. Однако сильфоны компенсируют эту утечку, поддерживая некоторый диапазон положительного давления в пределах текучей среды 54 двигателя. В вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг.2, 3, 4, сильфоны осуществляют компенсацию за счет расширения (а также благодаря собственной жесткости).

Сильфоны также могут иметь различные защитные элементы для продления их срока службы и для обеспечения непрерывной защиты двигателя 14. Например, между каналами и пространством снаружи сильфонов может быть расположен фильтр, чтобы отфильтровывать нежелательные элементы текучей среды и частицы, присутствующие в скважинной текучей среде перед осуществлением гидравлического сообщения с пространством снаружи. Можно также предусмотреть фильтр рядом с внутренним пространством сильфона, чтобы отфильтровывать стружки и частицы двигателя. Если он используется, такой фильтр можно располагать рядом с влагопоглощающим узлом между полостью двигателя и внутренним пространством сильфона. Соответственно, этот фильтр может предотвращать попадание твердых частиц или какие-либо иные помехи в сильфоне, тем самым гарантируя способность сильфона расширяться и сжиматься в соответствии с объемными изменениями в текучих средах.

Вокруг сильфонов 51, 53 также можно расположить множество ограничителей расширения и сжатия для предотвращения избыточного или недостаточного расширения и продления срока службы сильфонов. Например, ограничитель сжатия можно расположить в пределах внутреннего пространства любого из сильфонов таким образом, что он окажется в контакте с концевой секцией и ограничит сжатие этого сильфона. Можно также предусмотреть ограничитель расширения. Ограничители расширения и сжатия могут иметь различные конфигурации в зависимости от материала, применяемого для устройств, а также в зависимости от давлений текучей среды 54 двигателя и скважинной текучей среды. Вокруг внешней поверхности внутреннего сильфона 51 также может быть расположен кожух 21, направляющий сильфон во время расширения и сжатия и обеспечивающий общую защиту.

Как сказано выше, текучая среда 54 двигателя может быть сжата под значительным давлением перед погружением системы 10. Когда систему 10 погружают и активируют в окружающей среде ствола скважины, внутреннее давление текучей среды 54 двигателя может расти и/или падать из-за изменений температуры, таких как те, которые вызываются включением и выключением двигателя 14. Соответственно, внутри кожуха 21 могут располагаться различные клапаны для регулирования нагнетания давления текучей среды 54 двигателя и для поддержания подходящего диапазона положительного давления для текучей среды 54 двигателя. Например, можно предусмотреть клапан для высвобождения текучей среды 54 двигателя, когда нагнетание давления приводит к превышению максимального порогового значения давления. Кроме того, можно предусмотреть еще один клапан для ввода дополнительной текучей среды двигателя, когда при нагнетании давления происходит спад ниже минимального порогового значения давления. Соответственно, эти клапаны поддерживают желательное нагнетание давления, а нежелательные элементы текучей среды вытесняются из полости двигателя в уплотнениях вала.

Система 10 также может иметь монтажный узел, проходящий по кожуху 21 до компонента, находящегося рядом с сильфоном. Например, около одного из сильфонов можно расположить множество контролирующих компонентов, чтобы улучшить работу системы 10 в целом. Возможные контролирующие компоненты содержат датчики температуры, манометры и различные другие приборы, что должно быть ясно для специалистов в данной области техники.

Как сказано выше, устройство согласно изобретению может иметь различные конфигурации. Например, некоторые устройства и системы согласно изобретению могут содержать протектор 16 двигателя, который содержит уплотнительную секцию 17 и сильфонную секцию 51, 53 (фиг.4). Как показано в варианте 100 осуществления на фиг.3, уплотнительная секция может быть расположена между насосом 12 и двигателем 14, при этом протектор 16а расположен рядом с двигателем 14, а еще один протектор 16b расположен с противоположной стороны от уплотнительной секции 17. Система 100 также может иметь устанавливаемую по выбору контролирующую систему, располагаемую рядом с одним из протекторов 16а, 16b. Если желательны дополнительные уплотнение и защита двигателя, то вокруг двигателя 14 в желаемых местах можно расположить множество уплотнительных и сильфонных секций. Например, некоторые системы согласно изобретению могут иметь многочисленные сильфоны, расположенные последовательно и/или с противоположных сторон от двигателя 14, например, это может быть сильфонная секция, имеющая два сильфонных узла, соединенных последовательно.

Уплотнительные секции протектора двигателя могут иметь различные уплотнительные и защитные элементы, расположенные вокруг вала 11 внутри кожуха 21. Эти элементы могут быть предусмотрены для защиты двигателя 14 от нежелательных элементов текучей среды в насосе 12 и стволе скважины. Соответственно, уплотнительная секция может иметь множество уплотнений вала, расположенных вокруг вала 11 для уплотнения и изоляции текучей среды 54 двигателя от нежелательных текучих сред (например, скважинной текучей среды или нагнетаемой текучей среды). Уплотнительные секции также могут иметь упорный подшипник, располагаемый вокруг вала 11 для восприятия и выдерживания осевой нагрузки от насоса 12. Вокруг вала 11 также может быть расположен влагопоглощающий узел для удаления нежелательных текучих сред из внутренней текучей среды (т.е. текучей среды 54 двигателя внутри кожуха 21).

Как сказано выше, внутренняя текучая среда систем согласно изобретению может находиться под положительным давлением относительно нежелательных текучих сред, чтобы предотвратить их п