DE112012001700T5

DE112012001700T5 - Elektrotauchpumpendruckmodul mit verbesserter Schmierung und Temperaturabführung

Info

Publication number: DE112012001700T5
Application number: DE112012001700.5T
Authority: DE
Inventors: Steven K. Tetzlaff; Chad A. Craig
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-01-16
Also published as: US8845308B2; CA2832959C; GB201317844D0; WO2013106055A2; GB2504624A; US20120263610A1; CA2832959A1; GB2504624B; GB2504624B8; WO2013106055A3

Abstract

Es werden ein Druckmodul und ein Dichtungsmodul zur Verwendung in einer Elektrotauchpumpenanordnung bereitgestellt. Das Druckmodul sorgt für erhöhte Schmierung und Wärmeabführung, während es Abdichtungsredundanzen innerhalb des Moduls steigert. Das Druckmodul umfasst ein Drucklager, das den Druck von der Primärpumpe absorbiert. Mit dem Drucklager ist eine Zirkulationspumpenanordnung verbunden, um Fluid durch das Drucklager zu zirkulieren und über eine Vielzahl von auf einer Außenfläche der Zirkulationspumpenanordnung ausgebildeten Finnen die in dem Drucklager erzeugte Wärme abzuführen. Das Dichtungsmodul weist innerhalb des Dichtungsmoduls positionierte Labyrinthscheiben auf, die die Fluidströmung durch das Dichtungsmodul hemmen. Das Dichtungsmodul umfasst auch Rückschlagventile, die mit vorherbestimmten Drücken Fluid aus dem Dichtungsmodul freigeben und Fluid in dieses hineinlassen. Die Dichtungsanordnung ist zwischen dem Drucklager und einer Primärpumpe der Elektrotauchpumpe angeordnet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrotauchpumpen (ESPs) im Allgemeinen und insbesondere ein ESP-Druckmodul mit verbesserter Schmierung und Temperaturabführung.
2. Kurze Beschreibung der verwandten Technik
Elektrotauchpumpen(ESP)-Anordnungen sind innerhalb von Bohrlöchern angeordnet und arbeiten eingetaucht in Bohrfluide. Diese Bohrfluide können korrosiv oder toxisch sein und würden, wenn sie in den Elektromotorabschnitt der ESP eindringen würden, zum Versagen des Elektromotors und somit der ESP führen. Daher umfassen ESPs zwischen dem Elektromotor und dem Pumpenabschnitt der ESP angeordnete Dichtungsanordnungen. Diese Dichtungsanordnungen verhindern das Einströmen oder Durchsickern von Bohrfluiden in den Elektromotor. Jedoch sorgen derzeitige Dichtungsanordnungen nur für eine begrenzte Abdichtung zwischen der Pumpe und dem Elektromotor. Wenn die primären Dichtungen versagen, werden die Dichtungsanordnungen und anschließend der Elektromotor mit Bohrfluiden überflutet. Deshalb ist eine verbesserte Dichtungsanordnung erforderlich, die für zusätzliche Redundanz sorgt.
Die Dichtungsanordnungen können auch Drucklager umfassen, die für die Übertragung des Drucks angepasst sind, der von der Pumpe in der entgegengesetzten Richtung der Strömung der Bohrfluide erzeugt wird. Innerhalb der Drucklager ist oft ein Schmierfluid dazwischen vorgesehen, um zu ermöglichen, dass sich ein mit einer Axialwelle verbundener Druckläufer innerhalb des Drucklagers relativ zu die Achse abstützenden Lagern dreht. Der Betrieb des Drucklagers führt im Allgemeinen dazu, dass sich dieses Fluid im Laufe der Zeit abbaut und abreibt. Dies ist teilweise auf die Wärme zurückzuführen, die zwischen dem Druckläufer und dem Drucklager erzeugt wird und einen Viskositätsverlust des Schmierfluids verursacht. Dieses Problem wird verschärft, wenn die ESP in unterirdischen/untermeerischen Bohrlöchern betrieben wird. An diesen Orten kann die ESP extrem hohen Bohrlochtemperaturen ausgesetzt sein. Die hohen Temperaturen beschleunigen den Prozess des Schmierfluidabbaus. Wenn das Schmierfluid sich abbaut, kann es den Betrieb des Drucklagers hemmen und sogar verhindern, und damit die Effizienz und Lebensdauer der ESP signifikant verringern. Deshalb ist eine verbesserte Schmierung der Drucklager innerhalb einer ESP erforderlich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Durch bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein ESP-Druckmodul mit verbesserter Schmierung und Temperaturabführung bereitstellen, werden diese und andere Probleme insgesamt gelöst oder umgangen und werden technische Vorteile insgesamt erreicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchpumpenanordnung geoffenbart. Die Tauchpumpenanordnung umfasst eine Primärrotationspumpe, einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist, ein Drucklager in einer Drucklagerkammer und eine Dichtungsanordnung. Die Drucklagerkammer ist zwischen dem Motor und der Primärpumpe angeordnet und absorbiert den Druck von der Primärpumpe. Die Dichtungsanordnung ist mit dem Drucklager verbunden und weiter mit der Primärpumpe verbunden. Eine Zirkulationspumpe befindet sich in der Drucklagerkammer und steht zur Zirkulation des Fluids durch das Drucklager in Fluidverbindung mit dem Drucklager. Eine Kühlkammer mit einer Vielzahl von Finnen, die auf einem Außenabschnitt der Kühlkammer ausgebildet sind, ist mit der Drucklagerkammer verbunden. Die Kühlkammer führt die in dem Drucklager erzeugte Wärme ab. Die Zirkulationspumpe steht zur Zirkulation des Fluids von dem Drucklager durch die Kühlkammer in Fluidverbindung mit der Kühlkammer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchpumpenanordnung geoffenbart. Die Tauchpumpenanordnung umfasst eine Primärrotationspumpe, einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist, und ein Drucklager. Das Drucklager befindet sich in einer Drucklagerkammer zwischen dem Motor und der Primärpumpe. Das Drucklager absorbiert den Druck von der Primärpumpe. Eine Zirkulationspumpe in der Drucklagerkammer steht zur Zirkulation des Fluids durch das Drucklager in Fluidverbindung mit dem Drucklager. Ein Wärmetauschergehäuse, das eine Kühlkammer definiert, bildet einen Abschnitt der Drucklagerkammer. Das Wärmetauschergehäuse weist eine Vielzahl von Finnen auf, die zur Abführung der in dem Drucklager erzeugten Wärme auf einem Außenabschnitt ausgebildet sind, und die Zirkulationspumpe steht zur Zirkulation des Fluids von dem Drucklager durch die Kühlkammer in Fluidverbindung mit der Kühlkammer. Die Tauchpumpenanordnung umfasst eine durch ein Zentrum des Wärmetauschergehäuses hindurchgehende Rotationswelle, die ansprechend auf den Betrieb des Motors gedreht wird; die Rotationswelle ist mit der Zirkulationspumpe verbunden und dreht diese.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchpumpenanordnung geoffenbart. Die Tauchpumpenanordnung umfasst eine Primärrotationspumpe, einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist, und ein Dichtungskammergehäuse, das zwischen den Motor und die Primärpumpe gekoppelt ist. Eine Dichtungskammerrotationswelle ist innerhalb des Dichtungskammergehäuses gelagert und wird durch den Motor angetrieben. Die Anordnung umfasst auch eine Vielzahl von Labyrinthscheiben, die in Abdichtungs-, aber nicht in Rotationseingriff mit der Dichtungskammerrotationswelle angebracht sind. Jede Labyrinthscheibe weist einen Umfang auf, der gegenüber dem Dichtungskammergehäuse abdichtet und weiter gegenüber der Dichtungskammerrotationswelle abdichtet, wodurch das Dichtungskammergehäuse in Kammern zwischen jeder Labyrinthscheibe geteilt wird. Die Tauchpumpenanordnung umfasst wenigstens einen Bohrfluideinlass in dem Dichtungskammergehäuse. Wenigstens zwei Rückschlagventile erlauben eine Fluidströmung in das Dichtungskammergehäuse, und wenigstens zwei Rückschlagventile erlauben eine Fluidströmung aus dem Dichtungskammergehäuse. Die Rückschlagventile sind innerhalb des Dichtungskammergehäuses so positioniert, dass das Fluid mit einem vorherbestimmten Druck in das Dichtungskammergehäuse und aus diesem heraus strömen kann. Die Labyrinthscheiben enthalten auch Kanäle, die sich von einem Bereich in der Nähe des Dichtungskammergehäuses auf einer ersten Oberfläche zu einem Bereich in der Nähe der Dichtungskammerrotationswelle auf einer zweiten Oberfläche erstrecken. Die Kanäle schaffen einen gewundenen Fluidströmungsweg für das Bohrfluid durch die Labyrinthscheiben zur Hemmung der Fluidströmung durch die Dichtungskammeranordnung.
Ein Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass sie ein Drucklager mit verbesserter Funktion und Einsatzzeit schafft. Dies wird durch die geoffenbarten Ausführungsformen erreicht, die während des Betriebs des Drucklagers die Schmierfluidströmung durch das Drucklager erhöhen. Zusätzlich lassen sich durch die geoffenbarten Ausführungsformen, die die Rate der Wärmeübertragung von dem Drucklager auf die umliegende Umgebung erhöhen, wodurch sie optimale Betriebsbedingungen für das Schmierfluid des Drucklagers aufrechterhalten, eine verbesserte Drucklagerfunktion und -einsatzzeit erreichen. Außerdem können eine verbesserte Drucklagerfunktion und -einsatzzeit durch die geoffenbarten Ausführungsformen erreicht werden, die eine verbesserte Dichtungsvorrichtung zur Aufrechterhaltung der Isolierung des Drucklagers und des Schmierfluids von den durch eine ESP zur Oberfläche gepumpten Bohrfluiden schaffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art und Weise, in der die Merkmale, Vorteile und Ziele der Erfindung, sowie andere, die noch verdeutlicht werden, erreicht werden, genauer verstanden werden kann, wird eine detailliertere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, welche einen Teil dieser Beschreibung bilden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Zeichnungen nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen und daher nicht als ihren Umfang beschränkend zu betrachten sind, da die Erfindung andere in gleichem Maße effektive Ausführungsformen ermöglichen kann. Es zeigen:
1 eine perspektivische Schnittansicht eines Drucklagermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht einer Kühlkammer des Drucklagermoduls von 1;
3A eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Dichtungskammeranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B eine Schnittansicht der alternativen Ausführungsform der Dichtungskammeranordnung von 3A durch eine Ebene senkrecht zum Schnitt von 3A, wie durch die Linie 3B-3B von 3D gezeigt;
3C–3F Schnittansichten der Dichtungskammer von 3A, die die zifferblattmäßige Versetzung von Entlüftungskanälen von 3A veranschaulichen;
3G–3I Schnittansichten von alternativen Komponenten der Dichtungskammer von 3A;
4 eine Schnittansicht des Drucklagers von 1;
5 eine perspektivische Schnittansicht der Kühlkammeranordnung und des Drucklagers von 1, die einen Fluidströmungsweg durch die Kühlkammeranordnung und das Drucklager veranschaulicht;
6 eine Schnittansicht einer Elektrotauchpumpenanordnung, in der das Drucklagermodul von 1 eingebaut ist;
7 ein Drucklagerschmiermodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, vollständiger beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hierin dargelegten veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen angegeben, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollkommen vermittelt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich immer auf die gleichen Elemente, und durch die Verwendung zusätzlicher Striche werden ähnliche Elemente in alternativen Ausführungsformen angegeben.
Bei der folgenden Erörterung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um für ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Für den Fachmann ist es jedoch naheliegend, dass die vorliegende Erfindung ohne derartige spezielle Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden kann. Zusätzlich wurden meistenteils Einzelheiten betreffend den ESP-Betrieb, den Aufbau und dergleichen insofern weggelassen, als derartige Einzelheiten als nicht notwendig angesehen werden, um die vorliegende Erfindung vollständig zu verstehen, und als innerhalb der Fähigkeiten des Fachmanns liegend betrachtet werden.
Bezug nehmend auf 1, umfasst die Druckmodulanordnung 11 eine Drucklageranordnung 13, eine Dichtungskammeranordnung 15, und eine Kühlkammeranordnung 17. Die Kühlkammeranordnung 17 umfasst eine Wärmetauscheranordnung 19 und eine Führungsanordnung 21.
Bezug nehmend auf 2, bildet die Wärmetauscheranordnung 19 ein Ende der Kühlkammeranordnung 17 und umfasst eine Kühlkammerbasis 23, ein Wärmetauschergehäuse 25 und ein Innengehäuse 27. Das Wärmetauschergehäuse 25 und das Innengehäuse 27 sind Rohrelemente, wobei das Innengehäuse 27 einen kleineren Durchmesser als das Wärmetauschergehäuse 25 aufweist, so dass, wenn das Innengehäuse 27 in das Wärmetauschergehäuse 25 eingesetzt und an der Kühlkammerbasis 23 angebracht ist, eine ringförmige Fluidreservoirkammer 29 gebildet wird. Eine Kühlkammerwelle 31 geht durch die Kühlkammerbasis 23 und das Innendurchmessergehäuse 27 hindurch, um einen ringförmigen Strömungsdurchgang 33 zwischen der Kühlkammerwelle 31 und dem Innengehäuse 27 zu bilden. Das Innengehäuse 27 weist Öffnungen 45 in der Nähe der Kühlkammerbasis 23 auf. Die Öffnungen 45 gehen durch eine Wand des Innengehäuses 27 hindurch, wodurch sie die Fluidströmung vom Fluidreservoir 29 in den Fluidströmungsdurchgang 33 ermöglichen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind Filter 47 über den Öffnungen 45 angebracht, um den Durchgang von Partikeln, die eine größere als eine vorherbestimmte Größe aufweisen, vom Fluidreservoir 29 in den Fluidströmungsdurchgang 33 zu verhindern. Die Filter 47 sind so positioniert, dass die Fluidströmung bewirkt, dass die Filter 47 ihre Position über den Öffnungen 45 aufrechterhalten. Der Fachmann versteht, dass irgendwelche geeigneten Einrichtungen zur Befestigung der Filter 47 über den Öffnungen 45 in Betracht gezogen werden und in den geoffenbarten Ausführungsformen eingeschlossen sind. Bei der veranschaulichten Ausführungsform können die Filter 47 plattierte Metallfilterelemente sein. Der Fachmann versteht, dass die Filter 47 ein gewickeltes Sieb oder andere nicht spezifizierte Filtermedien umfassen können, die so ausgelegt sind, dass sie die Strömung von Partikeln vom Fluidreservoir 29 in den Strömungsdurchgang 33 verhindern. Die Kühlkammerwelle 31 ist von einem Lager 35 innerhalb der Kühlkammerbasis 23 gelagert und weist für die Verbindung mit zusätzlicher Ausrüstung ein Ende mit Keilprofil auf.
Die Führungsanordnung 21 ist an der Wärmetauscheranordnung 19 gegenüber der Kühlkammerbasis 23 angebracht. Die Führungsanordnung 21 umfasst ein Pumpengehäuse 37, das an dem Wärmetauschergehäuse 25 und dem Innengehäuse 27 angebracht ist. Das Pumpengehäuse 37 bildet eine Vielzahl von rohrförmigen Strömungsdurchgängen 39, die so positioniert sind, dass sie eine Fluidströmung von einem Bereich in der Nähe der Drucklageranordnung 13 in die Fluidreservoirkammer 27 erlauben. Das Pumpengehäuse 37 bildet weiterhin eine Pumpenkammer 41. Die Pumpenkammer 41 ist koaxial zu dem ringförmigen Strömungsdurchgang 33. Bei der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Führungsanordnung 21 eine Leitschaufelpumpe 43, die an der Kühlkammerwelle 31 innerhalb der Pumpenkammer 41 angebracht ist. Die Steigung der Pumpe 43 wird basierend auf der Fluidviskosität und der Resonanzzeit ausgewählt, die notwendig sind, um die Wärmeübertragung von dem zirkulierenden Fluid auf das Wärmetauschergehäuse 25 innerhalb des Fluidreservoirs 29 zu maximieren.
Bezug nehmend auf 1, umfasst das Wärmetauschergehäuse 25 eine Vielzahl von Finnen 49, die auf einem Außendurchmesserabschnitt des Wärmetauschergehäuses 25 ausgebildet sind. Die Finnen 49 laufen über die Länge des Wärmetauschergehäuses 25 und leiten Wärme vom Fluidreservoir 29 durch eine Wand des Wärmetauschergehäuses 25 in die Umgebung, die die Kühlkammeranordnung 17 umgibt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Finnen 49 in einer Anzahl, Größe und Form von der Art vorgesehen, dass die Finnen 49 den Außendurchmesserflächenbereich des Wärmetauschergehäuses 25 gegenüber einem Wärmetauschergehäuse 25 ohne Finnen 45 verdoppeln. Bei der veranschaulichten Ausführungsform fällt die Außendurchmesserfläche jeder Finne 49 mit dem Außendurchmesser des Drucklagermoduls 11 zusammen. Somit wird im Vergleich zu derzeitigen Drucklagermodulen und -anordnungen eine signifikante Vergrößerung des Oberflächenbereichs des Kühlkammergehäuses 25 ohne Vergrößerung des Außendurchmessers der Druckanordnung erreicht. Der Fachmann versteht, dass die Anzahl, Größe und Form der Finnen 49 variiert werden kann, um die spezielle Anwendung der Kühlkammeranordnung 17 aufzunehmen.
Beim Betrieb der Kühlkammeranordnung 17 dreht sich die Kühlkammerwelle 31 ansprechend auf die Drehung eines (nicht gezeigten) ESP-Pumpenmotors. Die Drehung der Kühlkammerwelle 31 bewirkt, dass sich die Pumpe 43 dreht. Wenn sich die Pumpe 43 dreht, zieht sie Fluid aus dem Fluiddurchgang 33 durch die Pumpenkammer 41 und dann durch die Drucklageranordnung 13, wie durch den Strömungsweg F in 5 veranschaulicht. Das Fluid innerhalb der Drucklageranordnung 13 wird wiederum durch Strömungsdurchgänge 39 in das Fluidreservoir 29 gezwungen, und das Fluid innerhalb des Fluidreservoirs 29 zirkuliert über die Filter 47 durch die Öffnungen 45 hindurch in den Strömungsdurchgang 33. Wenn das Fluid durch die Drucklageranordnung 13 strömt, geht die Wärme, die durch den Betrieb der Drucklageranordnung 13 erzeugt wurde, wie nachstehend detaillierter beschrieben, auf das Fluid über, wodurch sich das Fluid erwärmt. Dieses Fluid strömt dann in das Fluidreservoir 29, wo die Wärme vom Fluid auf das Wärmetauschergehäuse 25 übergeht. Die Wärme wird dann von dem Wärmetauschergehäuse 25 durch die Finnen 49 und in die umliegende Umgebung geleitet. Der Fachmann versteht, dass das Schmierfluid innerhalb der Kühlkammeranordnung 17 mit dem Schmierfluid innerhalb eines mit der Kühlkammerbasis 23 gekoppelten Elektromotors 91 in Verbindung stehen kann. Wie in 3A und 5 gezeigt, kann die Kühlkammerbasis 23 Strömungsdurchgänge 24 aufweisen, die eine derartige Fluidverbindung erlauben. Auf diese Weise kann die Kühlkammeranordnung 17 sowohl die Kühlung des Elektromotors 91 als auch die Entfernung von Teilchen aus diesem unterstützen.
Bezug nehmend auf 1, umfasst die Dichtungskammeranordnung 15 ein Kammergehäuse 51. Das Kammergehäuse 51 weist ein erstes Ende 53, das an dem Drucklager 13 befestigt ist, und ein zweites Ende 55 auf, das für die Kopplung der Dichtungskammeranordnung 15 mit einer externen Vorrichtung, wie einer Pumpe, einem Pumpeneinlass oder einer weiteren Dichtungskammeranordnung 15, angepasst ist. Eine Dichtungskammerwelle 57 ist innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 an dem ersten Ende 53 und dem zweiten Ende 55 gelagert. Die Dichtungskammerwelle 57 kann sich drehen und ein Ende aufweisen, das mit der Kühlkammerwelle 31 der Kühlkammeranordnung 17 derart verbunden ist, dass die Drehung der Welle 57 eine Drehung der Welle 31 bewirkt, und die Drehung der Welle 31 eine Drehung der Welle 57 verursacht. Rotationswellendichtungen 59 erlauben, dass die Welle 57 sich innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 dreht, während sie verhindern, dass Bohrfluide entlang der Welle 57 zu dem nachfolgenden Pumpenelement, wie etwa dem Elektromotor, hindurchgehen. Der Einbau einer zweiten Rotationswellendichtung 59 in der Nähe der Drucklageranordnung 13, wie hierin gezeigt, schafft zusätzliche Redundanz innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15. Dies sorgt für eine Abnahme der Verunreinigungsfälle zwischen Bohrfluid außerhalb des Druckkammermoduls 11 und der Druckkammeranordnung 13 und dem (nicht gezeigten) Elektromotor, der die mechanische Energie für das System bereitstellt, während auch die Abwanderung von Schmierfluid in der Drucklageranordnung 13 aus der Drucklageranordnung 13 hinaus gehemmt wird.
Wie in 3A und 3B gezeigt, umfasst die Dichtungskammeranordnung 15 ein erstes, zweites, drittes und viertes Rückschlagventil 58, 60, 62 bzw. 64. Das erste und dritte Rückschlagventil 58, 62 befinden sich innerhalb eines Kopfes 55 der Dichtungskammeranordnung 15. Das zweite und das vierte Rückschlagventil 60, 64 befinden sich innerhalb eines ersten Endes der Dichtungskammeranordnung 53. Das dritte und vierte Rückschlagventil 62, 64 sind um 90 Grad gegenüber den Positionen des ersten und zweiten Rückschlagventils 58, 60 versetzt. Das erste und vierte Rückschlagventil 58, 64 sind so konfiguriert, dass sie eine Fluidströmung in die Dichtungskammeranordnung 15 aus dem Bohrloch erlauben, und das zweite und dritte Rückschlagventil 60, 62 sind so konfiguriert, dass sie eine Fluidströmung in das Bohrloch aus der Dichtungskammeranordnung 15 erlauben. Bei der veranschaulichten Ausführungsform öffnen das zweite und dritte Rückschlagventil 60, 62, wenn der Druck innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 einen vorherbestimmten Maximaldruck, wie etwa 50 psi (ca. 3,45 bar) erreicht, wodurch Schmierfluid innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 aus der Dichtungskammeranordnung 15 herausströmen gelassen wird. In ähnlicher Weise öffnen das erste und vierte Rückschlagventil 58, 64, wenn der Druck innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 einen vorherbestimmten Minimaldruck erreicht, wodurch Bohrfluid in die Dichtungskammeranordnung 15 strömen gelassen wird. Auf diese Weise verhindern die Rückschlagventile 58, 60, 62, 64 ein katastrophales Versagen der Druckmodulanordnung 11, indem sie sowohl eine Überdruckbeaufschlagung als auch eine Unterdruckbeaufschlagung der Druckmodulanordnung 11 verhindern, die beide zu einem katastrophalen Versagen der Komponenten der Druckmodulanordnung 11 führen könnten.
Wie in 3A veranschaulicht, kann die Dichtungskammeranordnung 15 eine Vielzahl von Labyrinthscheiben 61 aufweisen. Jede Labyrinthscheibe 61 ist innerhalb des Dichtungskammergehäuses 51 angebracht und dichtet gegenüber dem Dichtungskammergehäuse 51 und der Dichtungskammerwelle 57 ab. Die Labyrinthscheiben 61 dichten gegenüber der Dichtungskammerwelle 57 mit Lippendichtungen 63 ab. Ein Außendurchmesserabschnitt jeder Labyrinthscheibe 61 dichtet gegenüber dem Dichtungskammergehäuse 51 mit einem Labyrinth-O-Ring 65 ab. Die Labyrinthscheiben 61 drehen sich nicht ansprechend auf die Drehung der Dichtungskammerwelle 57. Jede Labyrinthscheibe 61 weist auch einen Entlüftungskanal 67 auf, der sich zwischen einer ersten Oberfläche 69 jeder Labyrinthscheibe 61 zu einer zweiten Oberfläche 71 jeder Labyrinthscheibe 61 erstreckt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich Entlüftungskanäle 67 von einem Bereich der Labyrinthscheibe 61 in der Nähe der Dichtungskammerwelle 57 bis zu einem Bereich in der Nähe des Dichtungskammergehäuses 51. Die Entlüftungskanäle 67 können gerade sein, wie gezeigt, oder eine Vielzahl von Kurven aufweisen, wie in 3G gezeigt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die zweite Oberfläche konkav ausgebildet, um die Entfernung von Luft innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 während der Fertigung der Dichtungskammeranordnung 15 zu erleichtern.
Der Entlüftungskanal 67 umfasst einen Fluidströmungsweg durch jede Labyrinthscheibe 61. Der Entlüftungskanal 67 erlaubt eine gewisse Bewegung des Fluids quer durch jede Labyrinthscheibe 61, während er den Strömungsdurchgang quer durch die Labyrinthscheibe so beschwerlich wie möglich macht. Dies erlaubt eine gewisse Bewegung des Fluids zum Ausgleichen von Drücken in den durch viele Labyrinthscheiben geschaffenen variierenden Kammern innerhalb des Dichtungskammergehäuses 51, während die Bewegung des Schmierfluids innerhalb der Drucklageranordnung 13 aus der Anordnung heraus in das Bohrloch gehemmt wird. Dies hemmt auch die Bewegung von Bohrfluiden in die Drucklageranordnung 13 und den (nicht gezeigten) Elektromotor, indem die durch die Rückschlagventile 58, 60, 62 und 64 in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandernden Bohrfluide durch einen gewundenen Strömungsweg gezwungen werden. Innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 kann ein Blockierungsfluid mit einer Dichte, die schwerer als die erwartete Dichte der Bohrfluide ist, verwendet werden, um die Bewegung der Bohrfluide weiter zu hemmen.
Jede Labyrinthscheibe 61 weist auch einen ringförmigen Vorsprung oder eine zylindrische Wand 73 auf einem Außendurchmesserabschnitt der Labyrinthscheibe 61 auf. Durch den ringförmigen Vorsprung 73 ist jede Labyrinthscheibe 61 koaxial zu der Dichtungskammerwelle 57 angeordnet und wird ein Abstandselement zwischen den benachbarten Labyrinthscheiben 61 bereitgestellt. An einem von der zweiten Oberfläche 71 distalen Ende jedes ringförmigen Vorsprungs 73 ist der ringförmige Vorsprung 73 an vier Stellen, die im gleichen Abstand um den ringförmigen Vorsprung 73 angeordnet sind, mit Bohrungen versehen. Jede Bohrung ist für die Aufnahme eines Stifts 75 angepasst. Jeder Stift 75 ist innerhalb einer Bohrung in dem ringförmigen Vorsprung 73 angebracht und ist weiterhin innerhalb einer entsprechenden Bohrung angebracht, die innerhalb der Oberfläche 69 jeder Labyrinthscheibe 61 gebildet ist. Der Stift 75 verhindert die Drehung jeder Labyrinthscheibe 61 relativ zur benachbarten Labyrinthscheibe 61, was dabei hilft, jede Labyrinthscheibe 61 innerhalb des Dichtungskammergehäuses 51 stationär zu halten. Zusätzlich hält jeder Stift 75 die entsprechende Labyrinthscheibe 61 in der richtigen Ausrichtung relativ zur benachbarten Labyrinthscheibe 61, wie nachstehend detaillierter beschrieben.
Jede Labyrinthscheibe 61 weist einen Entlüftungskanal 67 auf. Während der Fertigung der Dichtungskammeranordnung 15 wird jede Labyrinthscheibe 61 relativ zur benachbarten Labyrinthscheibe 61 gedreht oder ”zifferblattmäßig versetzt”, um die Entlüftungskanäle 67 nichtfluchtend zueinander auszurichten. Dies bewirkt, dass jeder Entlüftungskanal 67 im Winkel von 90 Grad zu den Entlüftungskanälen 67 in der benachbarten Labyrinthscheibe 61 ausgerichtet ist. Wie in den 3C bis 3F gezeigt, haben benachbarte Labyrinthscheiben 61A, 61B, 61C und 61D jeweils einen Entlüftungskanal 67 und einen ringförmigen Vorsprung 73. Bezug nehmend auf 3C, ist der Entlüftungskanal 67 der Labyrinthscheibe 61A auf der Zwölf-Uhr-Position, wie in 3C gezeigt. Die nächste benachbarte Labyrinthscheibe 61B weist einen Entlüftungskanal 67 an der Drei-Uhr-Position auf, wie in 3D gezeigt. Die zu der Labyrinthscheibe 61B benachbarte Labyrinthscheibe 61 ist Labyrinthscheibe 61C. Der Entlüftungskanal 67 der Labyrinthscheibe 61C nimmt die Sechs-Uhr-Position ein, wie in 3E gezeigt. Die zu der Labyrinthscheibe 61C benachbarte Labyrinthscheibe 61D weist einen Entlüftungskanal 67 auf, der sich an der Neun-Uhr-Position befindet, wie in 3F gezeigt. Nachfolgende Labyrinthscheiben 61 weisen weiterhin Entlüftungskanäle 67 auf, die gegenüber dem vorherigen Entlüftungskanal 67 um 90 Grad zifferblattmäßig versetzt sind.
Durch zifferblattmäßiges Versetzen jedes Entlüftungskanals 67 relativ zu den benachbarten Entlüftungskanälen 67, wird die Gewundenheit des Fluidströmungswegs quer durch jede Labyrinthscheibe 61 erhöht. Dies hemmt weiter die Bewegung des Bohrfluids aus einem Bereich außerhalb des Drucklagermoduls 11 und des zugeordneten (nicht gezeigten) Elektromotors in einen Bereich innerhalb des Drucklagermoduls 11. In ähnlicher Weise hemmt dies die Bewegung von Schmierfluid aus einem Bereich innerhalb des Drucklagermoduls 11 in einen Bereich außerhalb des Drucklagermoduls 11. Der Fachmann versteht, dass bei alternativen Ausführungsformen jede Labyrinthscheibe 61 in einem Winkel von größer oder kleiner als 90 Grad zifferblattmäßig versetzt sein kann.
Bezug nehmend auf 3A, kann die Dichtungskammeranordnung 15 horizontal oder vertikal montiert, dann auf Druck getestet und mit Fluid gefüllt werden. Dann kann ein Blockierungsfluid in die Dichtungskammeranordnung 15 gepumpt werden. Bei der in 3A veranschaulichten Ausführungsform wandert bei vertikaler Montage die zwischen jeder Labyrinthscheibe 61 gefangene Luft zur Spitze eines konkaven Profils 71. Dort kann die Luft aus den Entlüftungskanälen 67 entweichen. Bei horizontaler Platzierung während des Betriebs kann Bohrfluid in das Dichtungskammergehäuse 51 abwandern, wie oben beschrieben. Durch zifferblattmäßiges Versetzen jedes Entlüftungskanals, wie bezüglich der 3B bis 3E beschrieben, wird das Bohrfluid, das in das Dichtungskammergehäuse 51 abgewandert ist, durch die Labyrinthscheiben 61 blockiert und ist nicht in der Lage, einen direkten Weg durch die Dichtungskammeranordnung 15 zu finden. Stattdessen muss das Bohrfluid einen gewundenen Strömungsweg durch die nichtfluchtend ausgerichteten Entlüftungskanäle 67 durchlaufen; somit verringern sich die Verunreinigungsfälle des Schmierfluids im Drucklager 13. Dies hilft, die Rate der Schmierfluidverschlechterung zu senken. In ähnlicher Weise wird das Schmierfluid im Drucklager 13, das aus dem Drucklager 13 in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandert, daran gehindert, frei aus dem Drucklager 13 zu strömen. Die Entlüftungskanäle 67 helfen dabei, den Druck innerhalb der Dichtungskammeranordnung 15 und des Drucklagermoduls 11 durch das gesamte Modul hindurch gleichmäßig zu halten.
Bezug nehmend auf 3G erstreckt sich bei einer alternativen Ausführungsform der Labyrinthscheibe 61 ein Entlüftungskanal 67' zwischen der ersten Oberfläche 69 und der zweiten Oberfläche 71 der Labyrinthscheibe 61, wie oben in Bezug auf 3A beschrieben. Der Entlüftungskanal 67' bildet einen Fluidströmungsweg durch die Labyrinthscheibe 61, der erfordert, dass das Fluid wenigstens zwei Wendungen vollführt, wenn es von der zweiten Oberfläche 71 zu der ersten Oberfläche 69 strömt.
Bezug nehmend auf 3H umfasst bei einer weiteren Ausführungsform der Labyrinthscheibe 61 eine Labyrinthscheibe 61' die Elemente der Labyrinthscheibe 61 von 3A. Bei der alternativen Ausführungsform ist eine zweite Oberfläche 71' senkrecht zu der Kühlkammerwelle 57. Bezug nehmend auf 3I umfasst bei noch einer weiteren Ausführungsform der Labyrinthscheibe 61 eine Labyrinthscheibe 61'' die Elemente der Labyrinthscheibe 61 von 3A. Bei der alternativen Ausführungsform ist die zweite Oberfläche 71'' konvex, was wieder die Entfernung der Luft während der Fertigung erleichtert. Ein Entlüftungskanal 67'' kann so ausgerichtet sein, dass er sich von der zweiten Oberfläche 71'' in der Nähe des ringförmigen Vorsprungs 73 zu der ersten Oberfläche 69 in der Nähe der Dichtungskammerwelle 57 erstreckt. Bei jeder alternativen Ausführungsform können die Labyrinthscheiben 61 zifferblattmäßig versetzt sein, wie oben anhand der 3C–3F beschrieben.
Bezug nehmend auf 4, ist die Drucklageranordnung 13 gezeigt, die an der Dichtungskammeranordnung 15 und der Kühlkammeranordnung 17 montiert ist. Die Drucklageranordnung 13 umfasst einen Druckläufer 77, Aufwärtsdrucklager 79 und Primärdrucklager 81. Der Druckläufer 77 ist an der Kühlkammerwelle 31 derart angebracht, dass sich bei Drehung der Kühlkammerwelle 31 der Druckläufer 77 innerhalb eines Druckgehäuses 83, das das Pumpengehäuse 21 mit dem ersten Ende 53 der Dichtungskammeranordnung 15 verbindet, dreht. Der Druckläufer 77 weist einen Außendurchmesser auf, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Druckgehäuses 83 ist, so dass zwischen den Außendurchmesserflächen des Druckläufers 77 und der Innendurchmesserfläche des Druckgehäuses 83 Fluid strömen kann. Während des Betriebs zwingt der von einer (nicht gezeigten) Elektrotauchpumpe erzeugte Druck den Druckläufer 77 gegen die Primärlager 81, während sich die Kühlkammerwelle 31 dreht. Durch die Pumpe 43 zirkuliertes Fluid zwängt sich zwischen die Schnittstellenflächen des Druckläufers 77 und der Primärlager 81, wobei es die Lagerflächen schmiert und die Wärme absorbiert, die durch die Reibungskräfte zwischen dem Druckläufer 77 und den Primärlagern 81 erzeugt werden.
Während des Betriebs des Drucklagermoduls 11 dichtet die Rotationswellendichtung 59 in der Nähe des Dichtungskammerendes 53 die Dichtungskammerwelle 57 ab, womit sie die Abwanderung von Schmierfluid in der Drucklagerkammer 13 in die Dichtungskammeranordnung 15 verhindert. In ähnlicher Weise dichtet die Rotationswellendichtung 59 in der Nähe des Dichtungskammerendes 55 die Dichtungskammerwelle 57 ab, womit sie die Abwanderung von Bohrfluid außerhalb der Drucklageranordnung 11 in die Dichtungskammeranordnung 15 verhindert. Jedoch können Druckunterschiede zwischen den Betriebskomponenten, wie etwa der Drucklageranordnung 13 und der Dichtungskammeranordnung 15 bewirken, dass Schmierfluid in der Drucklageranordnung 13 an der Rotationswellendichtung 59 vorbei in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandert. In ähnlicher Weise können Druckunterschiede zwischen der Betriebsumgebung und der Dichtungskammeranordnung 15 bewirken, dass Bohrfluid an der Rotationswellendichtung 59 vorbei in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandert.
Zusätzlich können Schmierfluid und Bohrfluid an den Rückschlagventilen 58, 60, 62, 64 vorbei in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandern oder auslaufen. Weiterhin können Druckbeaufschlagungsprobleme, wie extreme Überdruckbeaufschlagung oder Unterdruckbeaufschlagung bewirken, dass die Rückschlagventile 58, 60, 62, 64 sich öffnen und eine Strömung in die Dichtungskammeranordnung 15 oder aus der Dichtungskammeranordnung 15 heraus zulassen. Jegliches Bohrfluid oder Schmierfluid, das in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandert, vermischt sich mit einem Hochtemperaturblockierungsfluid, das Bereiche zwischen jeder Labyrinthscheibe 61 füllt. Die Labyrinthscheiben 61 erlauben die Fluidströmung nur durch die Entlüftungskanäle 67. Das ”zifferblattmäßige Versetzen” der Entlüftungskanäle führt dazu, dass jegliche Fluide, die in die Dichtungskammeranordnung 15 abwandern, nicht in der Lage sind, direkt vom Ende 55 zum Ende 53 zu strömen und umgekehrt. Stattdessen muss die Strömung sich durch die Entlüftungskanäle 67 zuerst an einem oberen Ende, weg zu einer Seite und so weiter bewegen. Zusätzlich ist es, weil die Entlüftungskanäle 67 durch die Labyrinthscheiben 61 nicht parallel zur Rotationswelle 57 hindurchgehen, für das in die Dichtungskammeranordnung 15 abgewanderte Fluid zunehmend schwierig, jede Labyrinthscheibe zu durchqueren. Somit begrenzen die Labyrinthscheiben 61 das durch Druckbeaufschlagungsprobleme innerhalb des Drucklagermoduls 11 verursachte Ausmaß der Vermischung oder Verunreinigung von Schmierfluid in dem Drucklager 13 und der Kühlkammeranordnung 17.
Nun Bezug nehmend auf 6, ist ein Beispiel für ein Elektrotauchpumpen(ESP)-System 85 in einer seitlichen Teilschnittansicht gezeigt. Die ESP 85 ist in einem Bohrloch 87 angeordnet, das mit einem Casing 89 ausgekleidet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst die ESP 85 einen Motor 91, ein Druckmodul 11, das an einem lochaufwärtigen Ende des Motors 91 befestigt ist, und eine Pumpe 93 über dem Druckmodul 11. Auf dem Außengehäuse der Pumpe 93 gezeigte Fluideinlässe 95 schaffen einen Einlass für das Eintreten von Bohrfluid 97 in das Bohrloch 87 in den Pumpenabschnitt 93. Zwischen dem Druckmodul 11 und dem Pumpenabschnitt 93 könnte ein (nicht gezeigter) Gasabscheider angebracht sein. Unter dem Motor kann ein Druckausgleicher 94, wie etwa ein Metallbalg, angebracht sein, um ein Druckdifferential zwischen Schmiermittel in dem Motor und Bohrfluid 97 zu reduzieren. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die ESP 85 horizontal innerhalb des Bohrlochs 87 platziert. Der Fachmann versteht, dass die ESP 85 auch vertikal in dem Bohrloch 87 platziert sein kann.
Bei einem Betriebsbeispiel wird der Pumpenmotor 91 über ein Stromkabel 99 mit Energie versorgt und dreht eine daran befestigte Wellenanordnung 101 (als gestrichelter Umriss gezeigt). Obwohl die Welle 101 als ein Einzelelement veranschaulicht ist, sollte darauf hingewiesen werden, dass die Welle 101 die Kühlkammerwelle 31 und die Dichtungskammerwelle 57 von 1 einschließen kann. Wie in 6 gezeigt, erstreckt sich die Wellenanordnung 101 vom Motor 91 durch das Druckmodul 11 zum Pumpenabschnitt 93. Impeller 103 (ebenfalls als gestrichelter Umriss gezeigt) innerhalb des Pumpenabschnitts 93 sind mit einem oberen Ende der Welle 101 verbunden und drehen sich ansprechend auf die Drehung der Welle 101. Die Impeller 103 umfassen einen vertikalen Stapel von einzelnen Elementen, die abwechselnd zwischen (nicht gezeigten) statischen Diffusern angeordnet sind. Das Bohrfluid 97, das flüssigen Kohlenwasserstoff, gasförmigen Kohlenwasserstoff und/oder Wasser einschließen kann, tritt durch in dem Casing 89 ausgebildete Perforationen 105 in das Bohrloch 87 ein. Das Bohrfluid 97 wird aus Einlässen 95 in die Pumpe 93 gezogen und mit Druck beaufschlagt, wenn die rotierenden Impeller 103 das Bohrfluid 97 durch ein schraubenförmiges Labyrinth aufwärts durch die Pumpe 93 drängen. Das druckbeaufschlagte Fluid wird über ein am oberen Ende der Pumpe 93 befestigtes Steigrohr 107 zur Oberfläche gerichtet. Wenn die Impeller 103 das Bohrfluid 97 aufwärts drängen, erzeugen die Impeller 103 einen Druck in der entgegengesetzten Richtung, auf den der Druckläufer 77 von 1 und 5 reagiert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nur die Kühlkammeranordnung 17 umfassen. Wie in 7 gezeigt, weist eine Kühlkammeranordnung 109 eine Wärmetauscheranordnung 111 und eine Führungsanordnung 113 auf. Die Wärmetauscheranordnung 111 bildet ein Ende der Kühlkammeranordnung 109 und weist eine Kühlkammerbasis 115, ein Wärmetauschergehäuse 117 und ein Innengehäuse 119 auf. Das Wärmetauschergehäuse 117 und das Innengehäuse 119 sind Rohrelemente, wobei das Innengehäuse 119 einen kleineren Durchmesser als das Wärmetauschergehäuse 117 aufweist, so dass, wenn das Innengehäuse 119 in das Wärmetauschergehäuse 117 eingesetzt und an der Kühlkammerbasis 115 angebracht ist, eine ringförmige Fluidreservoirkammer 121 zwischen dem Wärmetauschergehäuse 117 und dem Innengehäuse 119 gebildet wird. Eine Kühlkammerwelle 123 geht durch die Kühlkammerbasis 115 und das Innendurchmessergehäuse 119 hindurch, um einen ringförmigen Strömungsdurchgang 125 zu bilden. Das Innengehäuse 119 weist Öffnungen 127 in der Nähe der Kühlkammerbasis 115 auf. Die Öffnungen 127 gehen durch eine Wand des Innengehäuses 119 hindurch, wodurch sie die Fluidströmung vom Fluidreservoir 121 in den Fluidströmungsdurchgang 125 ermöglichen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind Filter 129 über den Öffnungen 127 angebracht, um den Durchgang von Partikeln, die eine größere als eine vorherbestimmte Größe aufweisen, vom Fluidreservoir 121 in den Fluidströmungsdurchgang 125 zu verhindern. Bei der veranschaulichten Ausführungsform können die Filter 129 plattierte Metallfilterelemente sein. Der Fachmann versteht, dass die Filter 129 ein gewickeltes Sieb oder andere nicht spezifizierte Filtermedien umfassen können, die so ausgelegt sind, dass sie die Strömung von Partikeln vom Fluidreservoir 121 in den Strömungsdurchgang 125 verhindern. Die Kühlkammerwelle 123 ist von einem Lager 131 innerhalb der Kühlkammerbasis 115 gelagert und weist für die Verbindung mit zusätzlicher Ausrüstung ein Ende mit Keilprofil auf.
Die Führungsanordnung 113 ist an der Wärmetauscheranordnung 111 gegenüber der Kühlkammerbasis 115 angebracht. Die Führungsanordnung 113 umfasst ein Pumpengehäuse 135, das an dem Wärmetauschergehäuse 117 und dem Innengehäuse 119 angebracht ist. Das Pumpengehäuse 135 bildet einen ringförmigen Strömungsdurchgang 137, der so positioniert ist, dass er eine Fluidströmung von einem Bereich in der Nähe einer Drucklageranordnung 139 in die Fluidreservoirkammer 121 erlaubt. Das Pumpengehäuse 135 bildet weiterhin eine Pumpenkammer 141. Die Pumpenkammer 141 ist koaxial zu dem ringförmigen Strömungsdurchgang 137. Bei der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Führungsanordnung 113 eine Leitschaufelpumpe 43, die an der Kühlkammerwelle 123 innerhalb der Pumpenkammer 141 angebracht ist. Die Steigung der Pumpe 143 wird basierend auf der Fluidviskosität und der Resonanzzeit ausgewählt, die notwendig sind, um die Wärmeübertragung von dem zirkulierenden Fluid auf das Wärmetauschergehäuse 117 innerhalb des Fluidreservoirs 121 zu maximieren.
Das Wärmetauschergehäuse 117 umfasst eine Vielzahl von Finnen 145, die auf einem Außendurchmesserabschnitt des Wärmetauschergehäuses 117 ausgebildet sind. Die Finnen 145 laufen über die Länge des Wärmetauschergehäuses 117 und leiten Wärme vom Fluidreservoir 121 durch eine Wand des Wärmetauschergehäuses 117 in die Umgebung, die die Kühlkammeranordnung 109 umgibt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Finnen 145 in einer Anzahl, Größe und Form von der Art vorgesehen, dass die Finnen 145 den Außenflächenbereich des Wärmetauschergehäuses 117 gegenüber einem Wärmetauschergehäuse 117 ohne Finnen 145 verdoppeln, ohne den Außendurchmesser der Anordnung zu vergrößern. Der Fachmann versteht, dass die Anzahl, Größe und Form der Finnen 145 variiert werden kann, um die spezielle Anwendung der Kühlkammeranordnung 109 aufzunehmen.
Ein Drucklager 139 ist mit einem Ende der Kühlkammeranordnung 109 in der Nähe der Pumpenanordnung 113 verbunden. Das Drucklager 139 umfasst einen Druckläufer 147, Aufwärtsdrucklager 149 und Primärdrucklager 151. Der Druckläufer 147 ist an der Kühlkammerwelle 123 derart angebracht, dass sich bei Drehung der Kühlkammerwelle 123 der Druckläufer 147 innerhalb eines Druckgehäuses 153, das das Pumpengehäuse 135 mit einem Drucklagerkopf 155 verbindet, dreht. Der Drucklagerkopf 155 weist ein Ende auf, das dazu ausgelegt ist, eine Rotationswelle von einer nachfolgenden Anordnung, wie etwa einer weiteren Drucklageranordnung oder einer Dichtungskammeranordnung, aufzunehmen und eine Verbindung mit dieser zu ermöglichen. Der Druckläufer 147 weist einen Außendurchmesser auf, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Druckgehäuses 153 ist, so dass zwischen den Außendurchmesserflächen des Druckläufers 147 und der Innendurchmesserfläche des Druckgehäuses 153 an dem Druckläufer 147 vorbei Fluid strömen kann. Während des Betriebs zwingt der von einer (nicht gezeigten) Elektrotauchpumpe erzeugte Druck den Druckläufer 147 gegen die Primärlager 151, während sich die Kühlkammerwelle 123 dreht. Durch die Pumpe 143 zirkuliertes Fluid zwängt sich zwischen die Schnittstellenflächen des Druckläufers 147 und der Primärlager 151, wobei es die Lagerflächen schmiert und die Wärme absorbiert, die durch die Reibungskräfte zwischen dem Druckläufer 147 und den Primärlagern 151 erzeugt werden. Die Ausführungsform von 7 sieht keinen Dichtungsabschnitt wie die Dichtungskammeranordnung 15 von 3A vor.
Beim Betrieb der Kühlkammeranordnung 109 dreht sich die Kühlkammerwelle 123 ansprechend auf die Drehung eines (nicht gezeigten) ESP-Pumpenmotors. Die Drehung der Kühlkammerwelle 123 bewirkt, dass sich die Pumpe 143 dreht. Wenn sich die Pumpe 143 dreht, zieht sie Fluid aus dem Fluiddurchgang 125 durch die Pumpenkammer 141 und dann durch die Drucklageranordnung 139 entlang eines Wegs, der ähnlich dem in 5 veranschaulichten ist. Unter Bezugnahme auf 7 wird das Fluid innerhalb der Drucklageranordnung 139 durch den Strömungsdurchgang 137 in das Fluidreservoir 121 gezwungen, und das Fluid innerhalb des Fluidreservoirs 121 zirkuliert über die Filter 129 durch die Öffnungen 127 hindurch in den Strömungsdurchgang 125. Wenn das Fluid durch die Drucklageranordnung 139 strömt, geht die durch den Betrieb der Drucklageranordnung 139 erzeugte Wärme auf das Fluid über, wodurch sich das Fluid erwärmt. Dieses Fluid strömt dann in das Fluidreservoir 121, wo die Wärme vom Fluid auf das Wärmetauschergehäuse 117 übergeht. Die Wärme wird dann von dem Wärmetauschergehäuse 117 durch die Finnen 145 und in die umliegende Umgebung geleitet.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nur die Dichtungskammeranordnung 15 und keine Kühlkammer 17 umfassen. Wie in 8 veranschaulicht, umfasst eine Dichtungskammeranordnung 157 ein Kammergehäuse 159. Das Kammergehäuse 159 weist ein erstes und ein zweites Ende 161, 163 auf, die für die Verbindung der Dichtungskammeranordnung 157 mit einer äußeren Vorrichtung, wie etwa einem Elektromotor, einer weiteren Dichtungskammeranordnung 157, einem Drucklagermodul 11, einem Drucklager oder dergleichen, angepasst sind. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist das erste Ende 161 dazu ausgelegt, in ein Endmodul einer nachfolgenden Vorrichtung eingesetzt zu werden, und ist das zweite Ende 163 dazu ausgelegt, ein Endmodul einer nachfolgenden Vorrichtung aufzunehmen. Eine Dichtungskammerwelle 165 ist innerhalb der Dichtungskammeranordnung 157 an dem ersten Ende 161 und dem zweiten Ende 163 gelagert. Die Dichtungskammerwelle 165 kann sich drehen und kann Enden mit Keilprofil für die Verbindung mit zusätzlichen Rotationswellen von der Art aufweisen, dass die Drehung der Welle 165 eine Drehung der zusätzlichen Wellen erlaubt und umgekehrt. Rotationswellendichtungen 167 stützen die Dichtungskammerwelle 165 innerhalb der Enden 161, 163 ab. Die Rotationswellendichtungen 167 erlauben, dass die Welle 165 sich innerhalb der Dichtungskammeranordnung 159 dreht, während sie verhindern, dass Bohrfluide entlang der Welle 165 zu dem nachfolgenden Pumpenelement, wie etwa dem Elektromotor, hindurchgehen.
Die Dichtungskammeranordnung 157 kann eine Vielzahl von Labyrinthscheiben 169 aufweisen. Jede Labyrinthscheibe 169 ist innerhalb des Dichtungskammergehäuses 159 angebracht und dichtet gegenüber dem Dichtungskammergehäuse 159 und der Dichtungskammerwelle 165 ab. Die Labyrinthscheiben 169 dichten gegenüber der Dichtungskammerwelle 165 mit Lippendichtungen 171 ab. Jede Labyrinthscheibe 169 umfasst die Komponenten der Labyrinthscheiben 61 der 3A–3I und arbeitet wie diese.
Demgemäß bieten die geoffenbarten Ausführungsformen zahlreiche Vorteile. Beispielsweise schaffen die geoffenbarten Ausführungsformen ein Druckmodul für eine ESP mit verbesserter Schmierung des Drucklagers. Zusätzlich schaffen die geoffenbarten Ausführungsformen ein Druckmodul, das die Rate der Wärmeübertragung vom Drucklager auf die umliegende Umgebung erhöht, während auch Partikel aus dem Schmierfluid gefiltert werden. Dies wird durch ein mit Finnen versehenes Kühlkammergehäuse erreicht, das innerhalb des primären Außendurchmessers der Druckmodulanordnung aufrechterhalten wird. Dies verringert den Verschleiß an dem Drucklager und erhöht die Langlebigkeit des Drucklagers durch Senken der Abbaurate des Schmierfluids. Zusätzlich schaffen die geoffenbarten Ausführungsformen eine verbesserte Dichtungskammeranordnung, die zusätzliche Redundanz zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit bereitstellt, dass Bohrfluid in das Druckmodul und letztendlich den Elektromotor abwandert, der die mechanische Energie für das Druckmodul bereitstellt. Außerdem verringert die Labyrinthdichtungsanordnung die Abwanderungsrate des Anordnungsfluids in das umgebende Bohrloch. Dies verringert den Aufwand jeglicher Wartung, die für das Drucklager und den Elektromotor erforderlich ist, während auch die Nutzungszeit der ESP verlängert wird.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung viele Formen und Ausführungsformen annehmen kann. Demgemäß kann, was vorstehend beschrieben wurde, auf mehrere Arten variiert werden, ohne von der Idee oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Nachdem somit die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird angemerkt, dass die geoffenbarten Ausführungsformen ihrem Wesen nach eher erläuternd als beschränkend sind und dass in der vorstehenden Offenbarung eine weite Spanne an Variationen, Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen in Betracht gezogen wird und in einigen Fällen einige Merkmale der vorliegenden Erfindung ohne eine entsprechende Verwendung der anderen Merkmale eingesetzt werden können. Viele derartige Variationen und Modifikationen können basierend auf einem Studium der vorausgehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen vom Fachmann als naheliegend und wünschenswert angesehen werden. Demgemäß ist es zweckmäßig, die beigefügten Ansprüche breit und in einer dem Umfang der Erfindung entsprechenden Weise auszulegen.

Claims

Tauchpumpenanordnung umfassend: – eine Primärrotationspumpe; – einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist; – ein Drucklager in einer Drucklagerkammer zwischen dem Motor und der Primärpumpe, das den Druck von der Primärpumpe absorbiert; – eine Dichtungsanordnung, die mit dem Drucklager verbunden ist; und – eine Zirkulationspumpe in der Drucklagerkammer in Fluidverbindung mit dem Drucklager zur Zirkulation des Fluids durch das Drucklager; und – eine Kühlkammer mit einer Vielzahl von Finnen, die auf einem Außenabschnitt der Kühlkammer ausgebildet sind, zum Abführen der in dem Drucklager erzeugten Wärme, wobei die Zirkulationspumpe zur Zirkulation des Fluids von dem Drucklager durch die Kühlkammer in Fluidverbindung mit der Kühlkammer steht.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin einen unter dem Motor angebrachten Druckausgleicher umfasst.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: – ein Wärmetauschergehäuse mit einem Außenbereich, der die Vielzahl von Finnen enthält; – eine Rotationswelle, die durch ein Zentrum des Wärmetauschergehäuses hindurchgeht und ansprechend auf den Betrieb des Motors gedreht wird; und – wobei die Zirkulationspumpe mit der Rotationswelle verbunden ist und von dieser gedreht wird.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: – einen Strömungsweg, der sich von der Zirkulationspumpe zu dem Drucklager erstreckt; und – ein Filterelement in dem Strömungsweg zur Entfernung von Partikeln aus dem zirkulierenden Fluid.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsanordnung – ein Dichtungskammergehäuse; – eine Dichtungskammerrotationswelle, die innerhalb des Dichtungskammergehäuses gelagert ist und durch den Motor angetrieben wird; – eine Vielzahl von Labyrinthscheiben, die in Abdichtungs-, aber nicht in Rotationseingriff mit der Dichtungskammerrotationswelle angebracht sind, wobei jede Labyrinthscheibe einen Umfang aufweist, der gegenüber dem Dichtungskammergehäuse und gegenüber der Dichtungskammerrotationswelle abdichtet, wodurch das Dichtungskammergehäuse in Kammern zwischen jeder Labyrinthscheibe geteilt wird: – wenigstens einen Bohrfluideinlass in dem Dichtungskammergehäuse; – eine Vielzahl von Einwegrückschlagventilen umfasst, die innerhalb des Dichtungskammergehäuses so positioniert sind, dass das Fluid mit einem vorherbestimmten Druck in das Dichtungskammergehäuse und aus diesem heraus strömen kann; und – wobei die Labyrinthscheiben weiterhin Kanäle enthalten, die einen gewundenen Fluidströmungsweg für das Bohrfluid durch die Labyrinthscheiben schaffen.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 5, wobei jede Labyrinthscheibe ein konkaves Profil auf einer Oberfläche senkrecht zu einer Dichtungskammerwellenachse und in der Nähe des Drucklagers aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 5, wobei jede Labyrinthscheibe ein konvexes Profil auf einer Oberfläche senkrecht zu einer Dichtungskammerwellenachse und in der Nähe des Drucklagers aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 5, wobei der Kanal jeder Labyrinthscheibe sich von einem Bereich in der Nähe des Dichtungskammergehäuses auf einer ersten Oberfläche zu einem Bereich in der Nähe der Dichtungskammerrotationswelle auf einer zweiten Oberfläche erstreckt.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 8, wobei der Kanal jeder Labyrinthscheibe wenigstens zwei rechtwinklige Kurven aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 5, wobei Kanäle benachbarter Scheiben nichtfluchtend zueinander ausgerichtet sind.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl der Einwegventile zwei Rückschlagventile, die eine Fluidströmung in das Dichtungskammergehäuse erlauben, und zwei Rückschlagventile, die eine Fluidströmung aus dem Dichtungskammergehäuse heraus erlauben, umfassen.
Tauchpumpenanordnung umfassend: – eine Primärrotationspumpe; – einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist; – ein Drucklager in einer Drucklagerkammer zwischen dem Motor und der Primärpumpe, das den Druck von der Primärpumpe absorbiert; und – eine Zirkulationspumpe in der Drucklagerkammer in Fluidverbindung mit dem Drucklager zur Zirkulation des Fluids durch das Drucklager; – wobei die Drucklagerkammer ein Wärmetauschergehäuse aufweist, das eine Kühlkammer bildet; – wobei das Wärmetauschergehäuse eine Vielzahl von Finnen aufweist, die zum Abführen der in dem Drucklager erzeugten Wärme auf einem Außenabschnitt des Wärmetauschergehäuses ausgebildet sind, wobei die Zirkulationspumpe zur Zirkulation des Fluids von dem Drucklager durch die Kühlkammer in Fluidverbindung mit der Kühlkammer steht; – eine Rotationswelle, die durch ein Zentrum des Wärmetauschergehäuses hindurchgeht und ansprechend auf den Betrieb des Motors gedreht wird; und – wobei die Zirkulationspumpe mit der Rotationswelle verbunden ist und von dieser gedreht wird.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 12, die weiterhin einen unter dem Motor angebrachten Druckausgleicher umfasst.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: – einen Strömungsweg, der sich von der Zirkulationspumpe zu dem Drucklager erstreckt; und – ein Filterelement in dem Strömungsweg zur Entfernung von Partikeln aus dem zirkulierenden Fluid.
Tauchpumpenanordnung umfassend: – eine Primärrotationspumpe; – einen Motor, der zum Antrieb der Pumpe funktionell mit der Primärpumpe verbunden ist; – ein Dichtungskammergehäuse, das zwischen den Motor und die Primärpumpe gekoppelt ist; – eine Dichtungskammerrotationswelle, die innerhalb des Dichtungskammergehäuses gelagert ist und durch den Motor angetrieben wird; – eine Vielzahl von Labyrinthscheiben, die in Abdichtungs-, aber nicht in Rotationseingriff mit der Dichtungskammerrotationswelle angebracht sind, wobei jede Labyrinthscheibe einen Umfang aufweist, der gegenüber dem Dichtungskammergehäuse und gegenüber der Dichtungskammerrotationswelle abdichtet, wodurch das Dichtungskammergehäuse in Kammern zwischen jeder Labyrinthscheibe geteilt wird; – wenigstens zwei Rückschlagventile, die eine Fluidströmung in das Dichtungskammergehäuse erlauben, und wenigstens zwei Rückschlagventile, die eine Fluidströmung aus dem Dichtungskammergehäuse erlauben, wobei sie so innerhalb des Dichtungskammergehäuses positioniert sind, dass das Fluid mit vorherbestimmten Drücken in das Dichtungskammergehäuse und aus diesem heraus strömen kann; und – wobei die Labyrinthscheiben weiterhin Kanäle enthalten, die sich von einem Bereich in der Nähe des Dichtungskammergehäuses auf einer ersten Oberfläche zu einem Bereich in der Nähe der Dichtungskammerrotationswelle auf einer zweiten Oberfläche derart erstrecken, dass die Kanäle einen gewundenen Fluidströmungsweg für das Bohrfluid durch die Labyrinthscheiben schaffen.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 15, die weiterhin einen unter dem Motor angebrachten Druckausgleicher umfasst.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 15, wobei jede Labyrinthscheibe ein konkaves Profil auf einer Oberfläche senkrecht zu einer Dichtungskammerwellenachse und in der Nähe des Drucklagers aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 15, wobei jede Labyrinthscheibe ein konvexes Profil auf einer Oberfläche senkrecht zu einer Dichtungskammerwellenachse und in der Nähe des Drucklagers aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 15, wobei der Kanal jeder Labyrinthscheibe wenigstens zwei rechtwinklige Kurven aufweist.
Tauchpumpenanordnung nach Anspruch 15, wobei Kanäle benachbarter Scheiben nichtfluchtend zueinander ausgerichtet sind.