Устройство для защиты насосной системы и насосная система, включающая такое устройство
Изобретения относятся в основном к области разведки, испытания и добыче из нефтяных месторождений. Устройство содержит протектор, имеющий материал, обеспечивающий расширение и сжатие внутренней текучей среды и служащий барьером между текучими средами снаружи корпуса протектора и внутренней текучей средой. Этот корпус имеет первый и второй концы, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью соединения протектора с другими компонентами насосной системы. 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. Изобретения направлены на увеличение надежности и срока службы протекторов насосных систем путем обеспечения легкой очистки и повторного использования протектора. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
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 приток сквозь уплотнения вала. В секции между уплотнениями вала может быть предусмотрен предохранительный клапан для высвобождения внутренней текучей среды из системы, когда внутреннее давление превышает максимальное пороговое значение давления. В соответствии с этими вариантами осуществления, реализуемый в них метод обеспечивает поддержание внутренней текучей среды в пределах некоторого диапазона положительного давления для предотвращения притока нежелательных текучий сред сквозь уплотнения вала, обеспечивая при этом также сброс давления, когда внутреннее давление превышает максимальное пороговое значение давления. Этот метод гарантирует, что текучая среда вытесняется и выбрасывается под давлением, а не допускается медленная миграция нежелательных текучих сред в систему, как в системе с выровненным давлением. Вместе с тем, в устройствах и системах согласно настоящему изобретению также возможно применение различных узлов с выровненным давлением для дополнения уплотнительных и сильфонных секций. Например, уплотнительная секция может включать в себя лабиринтный или мешочный узел между уплотнениями вала.
Сильфонные секции протекторов 16а, 16b двигателя имеют сильфоны, расположенные в кожухе 21, которые могут быть соединены с двигателем 14 в соединительной секции, а также с другим компонентом в другой соединительной секции. Сильфоны 51 и 52 ориентированы внутри кожуха 21 таким образом, что внутреннее пространство через различные каналы гидравлически сообщается со скважинной текучей средой, как известно в данной области техники. Около упомянутых каналов может быть расположен внешний фильтрующий узел, чтобы отфильтровывать нежелательные элементы, находящиеся в текучей среде. Пространства снаружи сильфона 51 и сильфона 53 гидравлически сообщаются с текучей средой 54 двигателя. Например, фильтрующий узел может быть расположен у ограничителя 79 расширения кожуха 21, чтобы отфильтровывать стружку двигателя и другие вредные элементы. Соответственно, фильтрующие узлы отфильтровывают нежелательные элементы из текучей среды 54 двигателя и скважинной текучей среды, защищая сильфоны. В этой конфигурации текучая среда 54 двигателя сжимает сильфоны 51 и 53, когда ее нагнетают в двигатель 14, тогда как скважинная текучая среда действует на сильфоны, когда систему погружают в скважину.
Как указано выше, сильфоны могут быть расположены с обеспечением подвижности внутри корпуса. Когда текучая среда 54 двигателя расширяется и сжимается из-за изменений температуры, сильфоны 51 и 53 сжимаются или расширяется, переходя в новое положение покоя, в котором внутреннее давление двигателя выровнено с суммой давления в скважине и жесткости сильфонов. Если текучая среда 54 двигателя расширяется, сильфон согласно этому варианту осуществления претерпевает соответственное расширение. Если текучая среда 54 двигателя сжимается, сильфон согласно этому варианту осуществления претерпевает соответственное сжатие. Следовательно, текучая среда 54 двигателя в этом варианте осуществления остается под положительным давлением по отношению к скважинным текучим средам независимо от того, расширилась она или сжалась из-за изменений температуры.
В сильфонах также можно применять различные пружинные узлы и другие отклоняющие конструкции, чтобы облегчить нагнетание давления текучей среды 54 двигателя. Например, пружинный узел может входить в состав сильфонного узла, дополняя сопротивление сильфона и увеличивая рабочий ход сильфона (и тем самым, увеличивая время и диапазон, в котором сильфон будет поддерживать положительное давление в текучей среде 54 двигателя). Можно также изменять ориентацию сильфона, чтобы приспособиться к конкретной насосной системе и конкретному приложению.
Кроме того, как подробнее будет сказано ниже, устройства согласно настоящему изобретению можно использовать как одиночные, отдельные друг от друга, сдвоенные, расположенные последовательно, расположенные параллельно или в любой подходящей конфигурации, чтобы обеспечить оптимальную защиту для двигателя 14. Например, как показано на фиг.3, множество сильфонов 16а и 16b протектора можно расположить последовательно. В альтернативном варианте сильфоны протектора можно расположить продольно рядом друг с другом в сильфонной секции, при этом каждый сильфон будет иметь группу продольно соседних каналов и фильтров для гидравлического сообщения со скважинной текучей средой. Тогда противоположная сторона каждого сильфонного узла гидравлически сообщается с текучей средой 54 двигателя.
Системы согласно изобретению могут также содержать множество обычных компонентов протекторов двигателей, таких как мешочный узел и лабиринтный узел, например, система 100 может иметь насос 12, уплотнительную секцию 17, двигатель 14 и сильфонную секцию, последовательно соединенные друг с другом. Сильфонная секция может иметь сильфон, ориентированный таким образом, что пространство изнутри него гидравлически сообщается со скважинной текучей средой, тогда как пространство снаружи него гидравлически сообщается с текучей средой 54 двигателя. Хотя на фиг.3 и 4 не проиллюстрированы различные фильтры и другие защитные элементы для сильфонов, сильфонные секции могут включать в себя множество фильтров, уплотнений, влагопоглощающих узлов, кожухов, ограничителей сильфонов и других желательных элементов для защиты сильфонов, конфигурация которых обеспечивает продление срока службы сильфонного узла, как описано выше. Уплотнительная секция будет иметь уплотнения вала, расположенные около соответствующих камер, которые имеют расположенные в них мешочный узел и лабиринтный узел для обеспечения выравнивания давления между уплотнениями вала. Согласно предлагаемому техническому решению в уплотнительной секции также возможно использование множества других компонентов для выравнивания давления, таких как обычные мешочные узлы, обычные лабиринтные узлы, а также различные сильфонные и лабиринтные узлы. В уплотнительной секции также можно расположить множество обратных клапанов давления, чтобы регулировать находящуюся под положительным давлением текучую среду внутри системы 100. Например, можно придать некоторому клапану (не показан) конфигурацию, обеспечивающую контроль давления и срабатывание резервной подачи масла, когда давление в двигателе 14 падает ниже минимального порогового значения давления (например, 5 фн-с/кв.д). Например, если сильфон не расширяется или не сжимается так, как должно быть при обычной работе, то упомянутый клапан действует как средство резервной подачи, гарантируя желательный диапазон давления для текучей среды двигателя. Этому клапану можно придать конфигурацию, обеспечивающую контроль давления и высвобождение находящейся под положительным давлением текучей среды 54 двигателя, находящейся внутри двигателя 14, когда внутреннее давление превышает максимальное пороговое значение давления. Соответственно, этот клапан гарантирует, что уплотнения типа уплотнительных колец в концевой муфте, стыках и различных других компонентах в уплотнительной секции защищены от избыточных перепадов давления.
Возможны и альтернативные конфигурации уплотнительных и сильфонных секций. В некоторых вариантах осуществления уплотнительная секция и сильфонная секция могут быть расположены последовательно между насосом 12 и двигателем 14. Эти системы также могут иметь устанавливаемую по выбору контролирующую систему, располагаемую рядом с двигателем 14 и противолежащими сильфонами 51, 53. В некоторых других вариантах осуществления уплотнительная секция и сильфонная секция могут быть расположены последовательно между насосом 12 и двигателем 14. При этом под двигателем 14 может располагаться дополнительная сильфонная секция, дополняющая сильфонную секцию над двигателем 14. Системы согласно изобретению также могут иметь устанавливаемую выборочно контрольную систему, располагаемую под относительно более низкой сильфонной секцией. Соответственно, уплотнительные и сильфонные секции можно ориентировать в различных местах относительно насоса 12 и двигателя 14, предусматривая при этом множество уплотнительных и сильфонных секций для повышения эффективности всего метода защиты двигателя. Следует также отметить, что уплотнительные секции могут включать в себя обычные защитные компоненты двигателей.
Как вкратце говорилось выше, одной проблемой стала трудность своевременной и экономичной очистки сильфонов, в частности кольцевой области между сильфонами 51 и 53. Устройства и системы согласно изобретению решают эту проблему за счет наличия составных протекторов, таких как неограничительный вариант осуществления, описанный выше со ссылками на фиг.2. Устройства согласно изобретению можно использовать для защиты двигателей и других компонентов в любой комбинации. В некоторых вариантах осуществления устройств, корпус содержит узел, состоящий из двух или более частей, который можно разбирать и очищать без больших затруднений по сравнению с цельными кольцевыми сильфонными устройствами. Некоторые составные сильфонные узлы согласно изобретению можно разбирать и очищать проще, чем цельные сильфоны. Например, составные сильфоны 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. В системе 50 согласно фиг.2 эту облегченную очистку обеспечивают болты 69, 71, 73 и 75. Можно применять и другие соединители, достигая аналогичных результатов.
Системы согласно изобретению могут также иметь множество альтернативных конфигураций устройств для расположения сильфонов вокруг вала 11. Например, сильфоны могут воплощать кольцевую или кольцеобразную оболочку, которую можно закреплять на одном или обоих концах, чтобы обеспечить неподвижное уплотнение и объем, подвергающийся расширению и сжатию. Соответственно, сильфон позволяет избежать использования скользящих уплотнений, которые в типичном случае вызывают утечку в текучую среду двигателя. В этом варианте осуществления, давления текучих сред с обеих сторон сильфона могут быть относительно выровненными, а не обеспечивающими значительный перепад давления между текучими средами. Вместе с тем, понятно, что в этой конфигурации сильфонного узла с выравниванием давления можно предусмотреть небольшой перепад давления, такой, как 5 фн-с/кв.д. К секции может быть подсоединен другой компонент протектора (например, сильфонный узел, мешочный узел, лабиринтный узел и т.д.). В альтернативном варианте, если к секции подсоединен лабиринтный узел, то пространство изнутри кольцевой или кольцеобразной оболочки может гидравлически сообщаться с желательной изоляционной текучей средой, предназначенной для облегчения отделения от скважинной текучей среды в лабиринтном узле. При любой конфигурации, рядом с каналом может быть расположен фильтрующий узел, чтобы отфильтровывать нежелательные элементы, находящиеся в скважинной текучей среде или желательной изоляционной текучей среде. Пространство снаружи внешнего сильфона 51 гидравлически сообщается с текучей средой 54 двигателя через каналы. В альтернативном варианте это наружное пространство может гидравлически сообщаться со второй изоляционной текучей средой для второго лабиринтного узла, мешочного узла или любого другого желательного узла отделения текучей среды. Как подробно описано выше, сильфон также может включать в себя множество сильфонных защитных элементов, таких как направляющие, уплотнения, фильтры и поглощающие набивки (например, влагопоглощающие набивки). Сильфон также может содержать один или несколько уплотнений вала, упорных подшипников и различных других уплотнений и подшипников. Например, сильфон может иметь уплотнения вала, расположенные вокруг вала 11 с противоположных сторон от сильфона. Вокруг вала 11 также может быть расположен упорный подшипник.
Как указано выше, сильфон может быть сильфоном с выровненным давлением, а не сильфоном с положительным давлением. При эксплуатации сильфона с выровненным давлением нагнетание и расширение текучей среды двигателя (или другой изоляционной текучей среды) в двигателе 14 и снаружи от него вызывает сжатие сильфона. В отличие от этого, давление скважинной текучей среды (или другой изоляционной текучей среды) вызывает расширение сильфонного узла. Когда текучая среда двигателя расширяется и сжимается из-за изменений температуры, сильфон сжимается или расширяется, переходя в новое положение покоя, в котором внутреннее давление двигателя выровнено с суммой скважинного давления и сопротивления (жесткости) сильфона. Если текучая среда двигателя (или другая изоляционная текучая среда) расширяется, то сильфон в этом варианте осуществления претерпевает соответственное расширение. Если текучая среда двигателя (или другая изоляционная текучая среда) сжимается, то сильфон в этом варианте осуществления претерпевает соответственное сжатие. Поэтому сильфон, по существу, выравнивает давления между текучей средой двигателя и скважинной текучей средой в широком диапазоне рабочих условий, которые предусматривают как расширение, так и сжатие текучей среды 54 двигателя. Если в сильфоне желателен положительный перепад давления, то в сильфон можно встроить узел пружины, чтобы предотвратить утечку внутрь нежелательных элементов, таких как скважинная текучая среда.
Как отмечалось выше, сильфон может быть закреплен на одном или обоих концах. Система 100, проиллюстрированная на фиг.3 и 4, имеет сильфонные протекторы 16а и 16b, прикрепленные к уплотнительным секциям 15 и 17, тогда как противоположный конец может свободно расширяться и сжиматься внутри кожуха 21. Конкретную длину и жесткость сильфона можно приспособить для любых желательных рабочих условий и окружающих сред скважин. В сильфонные протекторы 16а и 16b можно также встроить дополнительные сильфоны, чтобы обеспечить дополнительную защиту для двигателя 14.
Сильфон также может иметь одну или несколько ступенчатых секций, которые обеспечивают гидравлическое сопряжение для облегчения расширения или сжатия сильфона. В этих вариантах осуществления сильфон закреплен на обоих концах, а ступенчатая секция подвижна при расширении и сжатии скважинной текучей среды и текучей среды двигателя. Ступенчатая секция действует как гидравлическое сопряжение между сильфонными секциями большого диаметра и малого диаметра. Конкретные длины и жесткости сильфонных секций можно приспособить для любых желательных рабочих условий и окружающих сред скважин.
Устройства и системы согласно изобретению могут также включать в себя один или более лабиринтных узлов, мешочных или баллонных узлов либо других обычных протекторных узлов двигателей для защиты и двигателя 14 и сильфонов 51 и 53. Более того, эти системы могут содержать и сильфонный узел под положительным давлением, и сильфонный узел с выровненным давлением.
Помимо этого, протекторы 16 двигателя системы 100 могут содержать лабиринтный узел множественной ориентации (т.е. выполненный с возможностью проведения многих операций), который можно использовать отдельно или в комбинации с сильфонами или другими компонентами. Лабиринтный узел множественной ориентации имеет одну или несколько труб, которые проходят во многих направлениях, чтобы гарантировать проточные каналы текучих сред, имеющие пики и впадины в многочисленных ориентациях лабиринтного узла множественной ориентации. Соответственно, эти пики и впадины в этих различных ориентациях гарантируют непрерывное гидравлическое разделение текучих сред во всех направлениях лабиринтного узла множественной ориентации на основании различий в удельном весе. Системы согласно изобретению могут иметь лабиринтный узел множественной ориентации, расположенный между насосом 12 и двигателем 14. Как описано в других вариантах осуществления фиг.10, для защиты и продления срока службы двигателя 14 можно предусмотреть множество уплотнений, муфт, подшипников, фильтров, поглотителей и защитных устройств. Соответственно, система 100 может включать в себя муфты, упорный подшипник и блок обработки твердых частиц. Возможный блок обработки твердых частиц может быть расположен в камере между насосом 12 и протектором 16 двигателя, предотвращая попадание твердых частиц в лабиринтный узел множественной ориентации и общее повреждение защитных устройств двигателя в протекторе (протекторах) 16 двигателя. Подходящий блок обработки твердых частиц может включать в себя множество сепараторов твердых частиц, таких как сбрасыватель и защитный чехол, которые предотвращают оседание твердых частиц на подшипниках и уплотнениях, таких как уплотнения вала, а также повреждение этих подшипников и уплотнений. Сепаратор твердых частиц сбрасывает твердые частицы наружу от вала 11 и уплотнения вала. Защитный чехол может представлять собой сбрасыватель увеличенной длины в отклоненной ориентации и тоже предотвращает оседание твердых частиц около вала 11 и повреждение уплотнений вала. Блок обработки твердых частиц может также включать в себя один или более проточных каналов, которые обеспечивают выброс твердых частиц в ствол скважины. Лабиринтный узел множественной ориентации может содержать обмотку или трубу множественной направленности, которая своими концами гидравлически связана с двигателем и скважинными текучими средами (или другими изоляционными текучими средами). Эти концы могут быть расположены в соответствующих противоположных концах протектора 16 двигателя. Один конец может быть подсоединен к каналу, проходящему к двигателю 14, а другой конец может быть расположен открытым внутри протектора 16 двигателя. Эти концы также могут включать фильтр для предотвращения попадания твердых частиц и других нежелательных элементов в лабиринтный узел множественной ориентации. Скважинная текучая среда попадает в протектор 16 двигателя через трубу, которая также может включать в себя один или более фильтров для предотвращения притока твердых частиц в протектор 16 двигателя. При эксплуатации обмотка множественной направленности лабиринтного узла множественной ориентации поддерживает разделение текучей среды двигателя и скважинных текучих сред за счет использования различий в удельном весе этих текучих сред и обмоток множественной направленности. Лабиринтный узел множественной ориентации может иметь множество крестообразных и зигзагообразных трубных каналов, которые проходят в нескольких ориентациях (например, в двух направлениях, в трех направлениях или в любом количестве направлений), гарантируя, что текучие среды двигаться по ним вверх и вниз, независимо от ориентации системы. Например, лабиринтный узел множественной ориентации может эксплуатироваться в вертикальном стволе скважины, горизонтальном стволе скважины или в стволе скважины, наклоненном под любым углом. Лабиринтный узел множественной ориентации также может находиться во множестве погружных насосных систем, включая те, которые проиллюстрированы на фиг.3 и 4. Более того, в различных местах в пределах системы возможно последовательное или параллельное расположение множества лабиринтных узлов множественной ориентации.
В одной конфигурации системы лабиринтный узел множественной ориентации может быть расположен в камере между сильфоном и скважинной текучей средой для защиты сильфона. В вышеупомянутой конфигурации системы насос 12 и двигатель 14 могут быть расположены бок о бок, а сильфонный узел и лабиринтный узел множественной ориентации могут иметь конфигурацию, обеспечивающую расположение вокруг вала 11 в центральной конфигурации протектора. В этой центральной конфигурации лабиринтный узел множественной ориентации имеет кольцевую или кольцеобразную геометрию, которая обеспечивает внутреннюю трубу для вала 11. В обоих вариантах осуществления лабиринтный узел множественной ориентации может включать в себя одну или несколько непрерывных труб, которые переплетены зигзагообразно и во многих направлениях, оканчиваясь на противоположных концах лабиринтного узла. Кроме того, размеры труб, плотность обмоток и другие геометрические признаки можно приспособить к конкретной системе и окружающей среде ствола скважины. Лабиринтный узел множественной ориентации может также иметь дополнительный признак по сравнению с обычными двухмерными лабиринтами. В двухмерных лабиринтах поверхность раздела масла и скважинной текучей среды возникает внутри лабиринтной камеры, а не внутри одной из лабиринтных труб. В лабиринтных узлах множественной ориентации эта поверхность раздела может возникнуть в нужной камере, но может возникнуть и внутри трубы множественной ориентации, тем самым гарантируя использование узла при любой ориентации (как сказано выше).
В еще одном конкретном варианте систем согласно изобретению множество вышеуказанных защитных и уплотнительных устройств двигателя могут быть расположены параллельно или последовательно в пределах системы.
Соответственно, настоящее изобретение может воплощать множество конфигураций системы, а также протекторов 16 двигателей и соответствующих устройств, таких как сильфоны 51 и 53 и лабиринтный узел множественной ориентации. Как описано выше, сильфоны могут воплощать либо систему с положительным давлением, либо систему с выровненным давлением. Вышеупомянутые протекторы 16 двигателя и соответствующие устройства можно использовать по отдельности или вместе в любой конфигурации, включая применение каждого устройства в больших количествах и известных протекторов двигателей. Более того, один или несколько протекторов 16 двигателя могут быть расположены над, между или под насосом 12 и двигателем 14. Например, если над двигателем 14 либо между насосом 12 и двигателем 14 расположен сильфон с выровненным давлением, то под двигателем 14 можно расположить сильфон с положительным давлением, гидравлически сообщающийся со скважинной текучей средой. Помимо этого, любой из вышеупомянутых протекторов 16 двигателя и соответствующие устройства могут быть функционально объединены в последовательной, параллельной или любой их комбинации.
Возможные материалы для изготовления устройств и систем согласно изобретению включают металл, выбранный из металлов, химически совместимых с ожидаемыми окружающими условиями, термообработанных металлов, коррозионно-стойких металлов, высокопрочных металлов, а также металлов, обладающих двумя или более из этих свойств. Хорошим вариантом выбора для большинства насосов является Hastelloy "С" ввиду его химической совместимости, но он может оказаться недостаточно толстым для изготовления насоса из Hastelloy "С". Большинство извивов сильфонов имеют толщину всего 0,004 дюйма (0,10 мм), а само определение материала как «коррозионно-стойкого» означает, что этот материал может корродировать на толщину до 0,002 дюйма (0,05 мм) в год. Нержавеющая сталь марки 300, хотя и является высокопрочной, может вызывать проблемы коррозии под механическим напряжением, обусловленные присутствием хлоридов. Одной из марок термообработанной нержавеющей стали является АМ350; эту сталь уже много лет успешно используют в приложениях, связанных с высокими температурами и криогенными уплотнениями. Термообработанные материалы проявляют тенденцию к сохранению своей прочности и рессорной жесткости при повышенных температурах, ожидаемых в стволах скважин. Inconel 71 является металлом, который обладает свойствами хорошей коррозионной стойкости в отожженном виде и сохраняет некоторые из своих свойств коррозионной стойкости после термообработки. Он пользуется успехом у специалистов по перегонке нефти ввиду проблем коррозии, с которыми эти специалисты столкнулись в случае нержавеющей стали марки АМ350 через пять или шесть лет ее службы. В качестве сильфонных уплотнений нашли свое применение титан, 17-4РН и множество других материалов.
Металлические устройства согласно изобретению могут иметь покрытия, включая полимерные покрытия. Термин «покрытие», употребляемый в этом описании в функции существительного, означает конденсированную фазу, образованную с помощью любого одного или нескольких процессов. Покрытие может быть конформным (т.е. это покрытие по форме соответствует поверхностям предлагаемого устройства), хотя это может быть и не обязательным во всех приложениях к нефтяным месторождениям либо ко всем устройствам или всем поверхностям устройств. Конформные покрытия на основе уретановых, акриловых, силиконовых и эпоксидных химических веществ известны главным образом в электронной промышленности и промышленности средств вычислительной техники (например, при изготовлении печатных плат). Другие полезные конформные покрытия включают в себя, которые образованы посредством испарения или сублимации с последующими пиролизом и конденсацией мономеров или димеров и их полимеризации с образованием сплошной полимерной пленки, например, принадлежащей к классу полимерных покрытий на основе поли(р-ксилиена) и широко известной под названием Parilene. Термопластичные эластомеры, которые могут быть полимерными покрытиями другого типа, являются в основном продуктами реакции эквивалентного низкомолекулярного полифункционального мономера и эквивалентного высокомолекулярного полифункционального мономера, причем упомянутый эквивалентный низкомолекулярный полифункциональный мономер способен при полимеризации образовывать жесткий сегмент (а совместно с другими жесткими сегментами кристаллические жесткие области или домены), а упомянутый эквивалентный высокомолекулярный полифункциональный мономер способен при полимеризации образовывать мягкие гибкие цепи, соединяющие жесткие области или домены. Еще одним классом полезных полимерных покрытий являются термоотверждаемые покрытия, получаемые из растворов-предшественников покрытий, наносимых термическими методами, такие как те, которые описаны в патенте США №5178646, упоминаемом здесь для справок. Двумя другими классами полезных покрытий являются смолы, отверждаемые поликонденсацией и отверждаемые полиприсоединением, при этом смолы, отверждаемые полиприсоединением, получают из полимера-предшественника, который полимеризуется под воздействием источника нетепловой энергии, что способствует инициированию процесса полимеризации или отверждения. Примеры источников нетепловой энергии включают следующие материалы: пучок электронов, ультрафиолетовый свет, видимый свет и другие нетепловые излучения. Примеры органических смол, полезных для образования полимерных покрытий упомянутых классов, включают следующие материалы: метилолсодержащие смолы, такие как фенольные смолы, мочевиноформальдегидные смолы и меламиноформальдегидные смолы; акрилированные уретаны; акрилированные эпоксидные смолы; этиленоненасыщенные соединения; производные аминопластов, имеющие боковые ненасыщенные карбонильные группы; производные изоцианурата, имеющие, по меньшей мере, одну боковую акрилатную группу; простые виниловые эфиры; эпоксидные смолы; смеси и комбинации упомянутых веществ. Термин «акрилатная» охватывает акрилаты и метакрилаты.
Для вариантов осуществления, в которых желательна лучшая связь между полимерным покрытием и металлическими частями, можно использовать методы стимулирования (инициирования) механического и/или химического сцепления. Употребляемый в этом контексте термин «инициатор» следует считать включающим как механического, так и химического типа инициаторы и процессы инициирования. Примеры процессов механического инициирования включают, но не в ограничительном смысле обработку коронным разрядом и истирание, причем обе эти разновидности обработки увеличивают площадь поверхности устройства. Примером предпочтительного химического инициатора является коллоидная дисперсия, например, полиуретана, ацетона, изопропанола, воды и коллоидного оксида кремния, как указано в патенте США №4906523, упоминаемом здесь для справок.
Как позволяют заметить возможные варианты осуществления, проиллюстрированные на фиг.2-4, существует много возможных приложений устройств и систем согласно изобретению. Альтернативы неисчерпаемы. Например, некоторые электрические погружные насосы, которые являются модифицированными вариантами насосной системы, известной под торговым названием Axia™ и поставляемой Schlumberger Technology Corporation, могут иметь упрощенную двухкомпонентную конфигурацию «двигатель-насос». Насосы такой конфигурации в общем случае имеют две ступени внутри кожуха, а также объединенные двигатель и протектор, которые могут составлять устройство согласно изобретению. Насос этого типа может быть снабжен выполненными в нем всасывающими отверстиями и соответствующими напорами. Меньшее количество механических соединений могут внести вклад в ускоренную установку и повышенную надежность этого варианта осуществления. Узел объединенных двигателя и протектора известен под торговым названием ProMotor™, и его можно многократно погружать в регулируемую окружающую среду. Насос может включать встроенные приборы, которые измеряют скважинные температуры и давления.
Другие альтернативные конфигурации электрических погружных насосов, в которых могут оказаться выгодными устройства согласно изобретению, включают в себя ЭПН, развертываемый на кабеле, ЭПН, развертываемый на трубе, сворачиваемой в бухту и оснащенный кабелем, накладываемым на внешнюю сторону трубы, сворачиваемой в бухту (такая труба работает как технологическая среда), и разработанную недавно систему, известную под торговым названием READACoil™, имеющую силовой кабель, развертываемый внутри трубы свертываемой в бухту. Некоторые насосы могут иметь двигатели «сверху», которые приводят в действие отдельные ступени насоса или все ступени насоса, заключенные в кожухе. Можно предусмотреть отдельный протектор, а также устанавливаемый по выбору манометр и/или датчик температуры. В этом варианте также можно предусмотреть глубинный предохранительный клапан (ГПК) и оправку для нагнетания химических веществ. Можно применить нижний соединитель, который может быть гидравлически разъединяемым и иметь силовой кабель, а также может включать в себя управляющую магистраль и проходящий сквозь него провод приборов. В этом варианте осуществления возможно наличие установочного пакера управляющей магистрали. Технология ЭПН с нижними всасывающими отверстиями (и двигателем наверху) разработана уже достаточно давно. Важно надежно устанавливать ступени насосов, двигатели и протектор внутри трубы, сворачиваемой в бухту, гарантируя ускоренную установку и меньшие времена извлечения наряду с защитой кабеля и возможностью вводить такое оборудование в действующую скважину и извлекать его из нее. Этого можно достичь с помощью развертываемого кабеля, который может быть кабелем, известным под торговым названием READACoil™ и включающим в себя силовой кабель и плоский модуль с приборным проводом и одной или несколькими, как правило, тремя, гидравлическими управляющими магистралями, по одной для каждой из таких операций, как разъединение нижнего соединителя, срабатывание ГПК, а также установка пакера и/или нагнетание химических веществ.
Системы согласно изобретению могут включать в себя многие необязательные элементы. Один необязательный элемент может представлять собой один или несколько датчиков, размещаемых на протекторе для обнаружения присутствия углеводородов (или других интересующих химических веществ) во внутренней смазочной текучей среде двигателя. Химический индикатор может передавать свой сигнал на поверхность по волоконно-оптической линии, проводной линии, посредством беспроводной связи, и т.п. Когда обнаруживают некоторое химическое вещество, которое могло бы представлять собой угрозу безопасности или возможного повреждения двигателя, если бы оно получило возможность достичь этого двигателя, насос можно отключить задолго до того, как это химическое вещество создаст проблему.
Хотя лишь несколько возможных вариантов осуществления этого изобретения подробно описаны выше, специалисты в данной области техники легко поймут, что в рамках новых признаков и преимуществ этого изобретения возможны многочисленные изменения в иллюстративных вариантах осуществления. Соответственно, все такие модификации следует считать находящимися в рамках объема притязаний этого изобретения, ограниченного нижеследующей формулой изобретения. Формулировки типа «средство для» следуют считать охватывающими конструкции, описанные здесь как выполняющие указанную функцию, и не только конструктивные эквиваленты, но и эквивалентные конструкции.
1. 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.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что протектор является частью погружной насосной системы.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что протектор содержит, по меньшей мере, один сильфон.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый узел 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.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит материалы, способные выдерживать температуры, давления и изменения температуры и давления, и органические и неорганические композиции и их смеси.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что материалы 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.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что материал содержит 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.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй конец протектора выполнен с возможностью соединения протектора с уплотнением двигателя.
9. 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.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что протектор содержит узел, содержащий множество сильфонов.
11. Система по п.10, отличающаяся тем, что узел сильфонов 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 сильфонов, расположенных последовательно.
12. Система по п.9, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, два одинаковых или разных устройства, применяемых совместно и расположенных последовательно или параллельно.
