скважинная насосная установка

Формула изобретения

Скважинная насосная установка, содержащая насос, приводной маслозаполненный электродвигатель и теплопроводящий элемент, взаимодействующий с электродвигателем, для отвода тепла, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена маслозаполненной камерой, которая присоединена к основанию электродвигателя и сообщается с ним через установленную в ней центральную трубу и радиальный зазор между трубой и стенкой камеры, а теплопроводящий элемент выполнен в виде набора тепловых труб в форме дисков с аксиальным отверстием, охватывающим внутренним контуром маслозаполненную камеру, при этом наружный диаметр камеры меньше диаметра электродвигателя, а наружный диаметр тепловых труб не превышает диаметр электродвигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для подъема нефти из глубоких скважин.

Известна насосная установка для подъема жидкости из скважины, содержащая насосно-компрессорные трубы, глубинный насос, погружной электродвигатель, на корпусе которого установлена трубка с отверстиями, при этом один конец трубки сообщен с выкидом насоса, а другой - заглушен (авт. свид-во СССР №688607, Е21В 43/00, 1979).

Недостатком установки является малоэффективное охлаждение погружного электродвигателя, которое осуществляется за счет турбулизации пластовой жидкости в зоне подвески электродвигателя струйками жидкости с выкида насоса, впрыскиваемыми через отверстия в трубке и имеющими после прохождения через насос перегрев на 17-20°С относительно начальной температуры пластовой жидкости. Вследствие этого эффект от турбулизации не может быть значительным, так как теплоотдача происходит от корпуса электродвигателя к жидкости с повышенной температурой - смеси пластовой жидкости и перегретой жидкости с выкида насоса. Недостатком установки является также пониженный КПД, так как на охлаждение корпуса электродвигателя расходуется часть откачанной жидкости, возвращаемой с выкида насоса обратно в зону подвески электродвигателя.

Наиболее близка к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату скважинная насосная установка, включающая насос, приводной двигатель, имеющий корпус, прижимные элементы, служащие для его эксцентричного размещения в обсадной колонне скважины. На корпусе электродвигателя со стороны, противоположной расположению прижимных элементов, закреплен накладной элемент из материала с высокой теплопроводностью сплошного поперечного сечения, внутренний контур которого выполнен охватывающим часть периметра корпуса электродвигателя, а наружный образован частью окружности с радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны скважины в месте размещения электродвигателя (авт. свид-во СССР №1710847, Е21В 47/00, 1992).

Основным недостатком указанной насосной установки является низкая эксплуатационная надежность из-за невозможности эффективного охлаждения электродвигателя. Это обусловлено тем, что конструкция не обеспечивает удовлетворительного теплового контакта накладного элемента с обсадной колонной, например, из-за загрязненности их поверхностей. Наличие вследствие этого высоких термических сопротивлений в контактных зонах ухудшает отвод тепла от двигателя к колонне, что, в конечном итоге, приводит к выходу электродвигателя из строя из-за перегрева и к снижению ресурса работы скважинной установки в целом.

Настоящее изобретение позволяет повысить надежность работы скважинной насосной установки путем интенсификации охлаждения погружного электродвигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что скважинная насосная установка, содержащая насос, приводной маслозаполненный электродвигатель и теплопроводящий элемент, взаимодействующий с электродвигателем для отвода тепла, согласно изобретению, дополнительно снабжена маслозаполненной камерой, которая присоединена к основанию электродвигателя и сообщается с ним через установленную в ней центральную трубу и радиальный зазор между трубой и стенкой камеры, а теплопроводящий элемент выполнен в виде набора тепловых труб в форме дисков с аксиальным отверстием, охватывающим внутренним контуром маслозаполненную камеру, при этом наружный диаметр камеры меньше диаметра электродвигателя, а наружный диаметр тепловых труб не превышает диаметра электродвигателя.

При введении в конструкцию электродвигателя дополнительной камеры с центральной трубой формируется циркуляционный контур для движения масла из основания электродвигателя в радиальный зазор между стенкой камеры и центральной трубой и обратно в основание электродвигателя через отверстие в центральной трубе.

Тепловые трубы на маслозаполненной камере устанавливаются на расстоянии друг от друга, обеспечивающем оптимальные условия их обтекания пластовой жидкостью и максимальную эффективность теплосъема с их поверхности, что приводит к снижению температуры масла в камере и в электродвигателе и повышению надежности работы насосной установки в целом.

Количество устанавливаемых тепловых труб на маслозаполненной камере, присоединенной к электродвигателю, определяется расчетным путем исходя из условия максимального охлаждения электродвигателя в конкретных условиях эксплуатации.

При монтаже трубы размещают на маслозаполненной камере с натягом, обеспечивающим механический и тепловой контакт между сопрягаемыми поверхностями для минимизации термического сопротивления в области контакта.

На фиг.1 изображена заявляемая скважинная насосная установка, общий вид; на фиг.2 - фрагмент основания электродвигателя с присоединенной маслозаполненной камерой, на фиг.3 - тепловая труба, поперечный разрез.

Скважинная насосная установка содержит электроцентробежный насос 1, погружной электродвигатель 2, маслозаполненную камеру 3, тепловые трубы 4, установленные на наружной поверхности камеры (фиг.1). Для удобства размещения тепловых труб с требуемыми геометрическими размерами и сохранения радиальных размеров установки диаметр камеры 3 выполняется меньше, чем диаметр электродвигателя 2.

Тепловые трубы 4 размещены на расстоянии друг от друга в плоскостях, перпендикулярных оси камеры 3. Наружный диаметр тепловых труб 4 не превышает диаметра электродвигателя 2 для предотвращения их повреждения о стенки эксплуатационной колонны при спускоподъемных операциях скважинной насосной установки. Этим обеспечивается свободное движение пластовой жидкости между тепловыми трубами 4 и эксплуатационной колонной (не показана) в соответствии с производительностью центробежного насоса.

В камере 3 размещена центральная труба 5, верхний конец которой закреплен в основании электродвигателя 2, а нижний - выведен в нижнюю часть камеры 3 с образованием нагнетательной линии 6 для поступления масла между трубой и стенкой камеры и линией отвода масла из камеры 3 через отверстие 7 в трубе 5 (фиг.2).

Конструктивно каждая тепловая труба 4 представляет собой тонкостенный полый герметичный диск с аксиальным отверстием 8. На внутренних стенках 9 тепловой трубы 4 размещен фитиль 10 из капиллярно-пористого материала (фиг.3). Фитиль 10 пропитан теплоносителем, например дистилированной водой, способным изменять свое агрегатное состояние в процессе циркуляции. Свободный объем внутри тепловой трубы 4 является паровым каналом 11. Тепловая труба 4 функционально разделяется на два участка - испарительный 12 и конденсаторный 13, расположенные соответственно в области центрального отверстия и по наружному периметру диска.

Скважинная насосная установка работает следующим образом.

После спуска установки в скважину происходит нагрев всех ее частей до температуры окружающей пластовой жидкости Т_пл.ж., включая тепловые трубы 4 и масло, заполняющее камеру 3 и свободные полости в электродвигателе 2.

При включении электродвигателя 2 электроцентробежный насос 1 всасывает пластовую жидкость, обеспечивая ее движение в кольцевом зазоре между эксплуатационной колонной (не показана) и наружной боковой поверхностью тепловых труб 4, на которой находятся их конденсаторные части 13.

Вследствие происходящих при работе электродвигателя 2 выделений тепла заполняющее электродвигатель и камеру 3 масло нагревается до температуры Т _двиг.. Тепло от нагревшегося масла передается конвективной теплопроводностью к стенке камеры 3. Далее тепло кондуктивной теплопроводностью через стенку камеры 3 передается испарительному участку 12 тепловых труб 4. Испарительный участок 12 нагревается до температуры Т_двиг., тогда как конденсаторный участок 13 остается при температуре омывающей его пластовой жидкости Т_пл.ж.

Температурный напор T=Т_двиг-Т_пл.ж. , возникающий между испарительным 12 и конденсаторным 13 участками, приводит в действие тепловые трубы 4. Теплоноситель, насыщающий фитиль 10 в испарительном участке 12, закипает, испаряется и его пары попадают в паровой канал 11. При этом от стенки камеры 3, перекрываемой испарительными участками 12 тепловых труб 4, отнимается тепло, соответствующее теплоте парообразования теплоносителя, и происходит ее охлаждение. Соответственно охлаждается масло, движущееся в радиальном зазоре 6 между центральной трубой 5 и стенкой камеры 3.

В тепловой трубе 4 образовавшиеся пары перемещаются по паровому каналу 11 из испарительного участка 12 с повышенным давлением пара в конденсаторный участок 13 с более низким давлением пара и более низкой температурой Т _пл.ж.. Здесь пар конденсируется и вновь образуется жидкий теплоноситель. Высвобожденная скрытая теплота конденсации передается кондуктивной теплопроводностью через тонкую боковую стенку конденсаторного участка 13 к пластовой жидкости и конвективной теплопроводностью уносится ею.

Жидкий теплоноситель впитывается в поры фитиля 10 и за счет капиллярных сил возвращается в испарительный участок 13, где повторно испаряется.

Масло, охлажденное при движении в радиальном зазоре 6, попадает в отверстие 7 центральной трубы 5 и, пройдя через весь электродвигатель 2 дважды - сначала через отверстие в валу (не показано) электродвигателя 2, а затем через зазор между статором и ротором (не показаны), вновь нагревается. Нагретое масло поступает в верхнюю часть камеры 3, движется в зазоре 6 и процесс охлаждения повторяется.

Тепловые трубы 4 позволяют осуществлять непрерывный перенос тепла от испарительных участков 12, контактирующих с камерой 3, внутренняя стенка которой находится при температуре Т_двиг., к конденсаторным участкам 13, омываемым потоком пластовой жидкости с температурой Т_пд.ж., с чрезвычайно высокой скоростью, достигаемой за счет высоких показателей скорости циркуляции пара, теплоты порообразования и конденсации теплоносителя.

Циркуляционный процесс охлаждения масла, заполняющего камеру и свободные полости электродвигателя, и соответственно охлаждение электродвигателя в целом продолжается до тех пор, пока градиент температур Т=Т_двиг.-Т_пл.ж. остается по крайней мере на уровне 10-15°С. Такой перегрев электродвигателя относительно пластовой жидкости является вполне приемлемым для его нормального функционирования и надежной работы всей скважинной насосной установки.