RU2234785C2

RU2234785C2 - Device for hydraulic protection of submersible oil-filled electric motor

Info

Publication number: RU2234785C2
Application number: RU2002129143/09A
Authority: RU
Inventors: А.Х. Шильман (RU); А.Х. Шильман; Н.В. Козлова (RU); Н.В. Козлова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Борец"
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-08-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; hydraulic protection of submersible oil-filled motors.

SUBSTANCE: proposed device has oil-filled compensator and protector with intermediate butt-end chamber formed in protector between fitting of top stuffing arrangement and that of intermediate stuffing arrangement, as well as bottom butt-end chamber formed between fitting of intermediate stuffing arrangement and that of bottom stuffing arrangement; fitting of intermediate stuffing arrangement has one annular duct and preferably four axial ducts of which two ones are provided with check valves.

EFFECT: enhanced reliability and response time of device.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электроприводах погружных насосных агрегатов для подъема жидкости из скважин.The invention relates to electrical engineering and can be used in electric submersible pumping units for lifting liquids from wells.

В настоящее время используются два варианта выполнения устройства для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя: одно корпусное устройство, состоящее из одного протекторного узла, и двухкорпусное, содержащее протектор и компенсатор.Currently, two versions of the device for hydraulic protection of a submersible oil-filled electric motor are used: one housing device, consisting of one tread assembly, and a two-case device containing a protector and a compensator.

Известно однокорпусное устройство для гидравлической защиты, выполненное из протектора [1], которое включает в себя корпус, вал, установленный в подшипниках, три герметизирующих узла, каждый из которых содержит торцевое уплотнение. Герметизирующие узлы размещены на валу, а средний и нижний герметизирующие узлы выполнены с осевыми каналами, в которых установлены обратные клапаны.Known single-housing device for hydraulic protection, made of a tread [1], which includes a housing, a shaft mounted in bearings, three sealing units, each of which contains a mechanical seal. Sealing units are located on the shaft, and the middle and lower sealing units are made with axial channels in which check valves are installed.

Недостатком этой конструкции является то, что объем масла, необходимый для защиты электродвигателя от проникновения пластовой жидкости, компенсации утечки масла и изменения его объема от разности температуры на поверхности и в скважине, а также при больших колебаниях температуры во время работы и остановок двигателя, ограничен размерами камер (внутренних полостей) протектора, что диктует предъявление высоких требований к качеству масла и герметичности устройства. Однако выполнение указанных требований усложняет технологию изготовления и увеличивает стоимость изделия, а их невыполнение приводит к быстрому расходу масла и выходу из строя электродвигателя.The disadvantage of this design is that the amount of oil required to protect the motor from penetrating formation fluid, to compensate for oil leakage and changing its volume from the temperature difference on the surface and in the well, as well as with large temperature fluctuations during operation and engine shutdowns, is limited in size chambers (internal cavities) of the tread, which dictates the presentation of high demands on the quality of the oil and the tightness of the device. However, the implementation of these requirements complicates the manufacturing technology and increases the cost of the product, and their failure leads to a rapid consumption of oil and the failure of the electric motor.

Более надежным, обеспечивающим длительную работу электродвигателя, является устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, состоящее из протектора, размещенного над электродвигателем, и компенсатора, расположенного в нижней части электродвигателя [2]. В этом случае протектор состоит из последовательно установленных на валу трех торцовых уплотнений, верхнего, среднего и нижнего ниппелей и двух камер, в которых закреплены диафрагмы.More reliable, providing long-term operation of the electric motor, is a device for hydraulic protection of a submersible oil-filled electric motor, consisting of a tread placed above the electric motor, and a compensator located in the lower part of the electric motor [2]. In this case, the tread consists of three mechanical seals sequentially mounted on the shaft, the upper, middle and lower nipples and two chambers in which the diaphragms are fixed.

Достоинством этого устройства является возможность использования большего объема масла, имеющегося в компенсаторе, для пополнения электродвигателя по мере расхода за счет утечек в процессе работы и компенсации изменения объема масла, обусловленного температурными колебаниями во время работы и остановок электродвигателя.The advantage of this device is the ability to use a larger amount of oil available in the compensator to replenish the electric motor as it is consumed due to leaks during operation and to compensate for changes in oil volume due to temperature fluctuations during operation and motor shutdowns.

Недостатком известной конструкции устройства гидравлической защиты является то, что протектор, в данном случае, выполнен с диафрагмами и, в силу своих конструктивных возможностей, не обладает достаточной чувствительностью и быстродействием, позволяющим осуществлять немедленную компенсацию изменения объема масла от разности температуры, которая должна происходить даже при самых небольших температурных колебаниях в процессе работы электродвигателя и обеспечивать тем самым постоянное давление во внутренней его полости, поскольку повышение или понижение давления в электродвигателе за пределы допустимого значения может привести к нарушению уплотнения и, как следствие, к проникновению пластовой жидкости внутрь электродвигателя и выходу его из строя.A disadvantage of the known design of the hydraulic protection device is that the tread, in this case, is made with diaphragms and, due to its design capabilities, does not have sufficient sensitivity and speed, allowing for immediate compensation of changes in oil volume from the temperature difference, which should occur even at the smallest temperature fluctuations during the operation of the electric motor and thereby ensure constant pressure in its internal cavity, since An increase or decrease in the pressure in the electric motor beyond the permissible value can lead to a violation of the seal and, as a result, to the penetration of formation fluid into the electric motor and its failure.

Кроме того, эластичная диафрагма и ее крепление, под воздействием гидравлического удара, возникающего при спуске в скважину, и вибраций, возникающих при работе агрегата, подвергаются разрушению, приводящему к нарушению герметичности и выходу из строя устройства гидрозащиты и электродвигателя.In addition, the elastic diaphragm and its fastening, under the influence of a hydraulic shock that occurs during descent into the well, and vibrations that occur during operation of the unit, are destroyed, leading to a violation of the tightness and failure of the hydroprotection device and the electric motor.

В качестве прототипа выбрано двухкорпусное устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, описанное в вышеуказанном источнике, являющееся наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков.As a prototype, a two-case hydraulic protection device for a submersible oil-filled electric motor described in the above source, which is the closest technical solution to the invention according to the set of essential features, was selected.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в повышении надежности и быстродействия срабатывания устройства гидравлической защиты, что обеспечивает увеличение срока службы погружного маслозаполненного электродвигателя.The technical result achieved by the implementation of the present invention is to increase the reliability and speed of operation of the hydraulic protection device, which ensures an increase in the service life of a submersible oil-filled electric motor.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя включает в себя заполненные маслом протектор и компенсатор, причем протектор состоит из вала, установленного в трех подшипниках скольжения, и расположенных последовательно верхнего, среднего и нижнего герметизирующих узлов, каждый их которых содержит торцовое уплотнение, размещенное на валу с образованием торцовой камеры, и ниппель, в протекторе между ниппелем верхнего герметизирующего узла и ниппелем среднего герметизирующего узла образована средняя подторцовая камера, а между ниппелем среднего герметизирующего узла и ниппелем нижнего герметизирующего узла образована нижняя подторцовая камера, при этом в ниппеле среднего герметизирующего узла выполнены один кольцевой канал и предпочтительно четыре осевых канала, два из которых соединены с кольцевым каналом и снабжены обратными клапанами, установленными с обеспечением возможности прохождения увеличенного объема масла в процессе работы электродвигателя во внешнюю среду и перекрытия каналов при остановке электродвигателя за счет того, что нижняя подторцовая камера соединена с кольцевым каналом через торцовую камеру нижнего герметизирующего узла и первый осевой канал в ниппеле среднего герметизирующего узла, а средняя подторцовая камера, с одной стороны, тоже соединена с кольцевым каналом с помощью выполненных в ниппеле среднего герметизирующего узла второго осевого канала, бокового отверстия и третьего осевого канала с установленным в нем обратным клапаном и, с другой стороны, соединена с внешней средой с помощью четвертого осевого канала с установленным в нем обратным клапаном и радиального отверстия.The specified technical result is achieved due to the fact that the hydraulic protection device of a submersible oil-filled electric motor includes a tread and compensator filled with oil, the tread consisting of a shaft mounted in three plain bearings and successively located upper, middle and lower sealing units, each of which contains a mechanical seal located on the shaft with the formation of the mechanical chamber, and a nipple in the tread between the nipple of the upper sealing unit and a middle end chamber is formed by a nipple of the middle sealing assembly, and a lower end chamber is formed between the nipple of the middle sealing assembly and the nipple of the lower sealing assembly, wherein one ring channel and preferably four axial channels are made in the nipple of the middle sealing assembly, two of which are connected to the ring channel and equipped with check valves installed to allow the passage of an increased volume of oil during operation of the electric motor in an external medium and channel overlap when the motor is stopped due to the fact that the lower end chamber is connected to the annular channel through the end chamber of the lower sealing assembly and the first axial channel in the nipple of the middle sealing assembly, and the middle end chamber, on the one hand, is also connected to the ring channel with by means of a second sealing channel made in the nipple of the middle sealing unit, a side hole and a third axial channel with a check valve installed therein and, on the other hand, connected to an external food by a fourth axial channel with mounted therein a check valve and radial openings.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид устройства гидравлической защиты в сборе с маслозаполненным электродвигателем, на фиг.2 - протектор устройства гидравлической защиты, на фиг.3 - головка протектора с частью верхнего герметизирующего узла, на фиг.4 - основание протектора с частью нижнего герметизирующего узла и на фиг.5 - рабочая часть среднего герметизирующего узла протектора.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a general view of the hydraulic protection device assembly with an oil-filled electric motor, in Fig. 2 - the protector of the hydraulic protection device, in Fig. 3 - the tread head with a part of the upper sealing unit, in Fig. 4 - the base of the tread with a part of the lower sealing site and figure 5 - the working part of the middle sealing site of the tread.

Устройство гидравлической защиты состоит из последовательно размещенных на валу 1 протектора 2, расположенного между насосом 3 и электродвигателем 4, и компенсатора 5, расположенного под электродвигателем 4.The hydraulic protection device consists of a tread 2 sequentially placed on the shaft 1, located between the pump 3 and the electric motor 4, and a compensator 5, located under the electric motor 4.

Протектор 2 включает в себя головку 6, верхнее, среднее и нижнее торцовые уплотнения, соответственно 7, 8, 9, установленные на валу 1, и верхний, средний и нижний ниппели 10, 11, 12, соединенные между собой посредством резьбы, уплотненной резиновыми кольцами 13.The tread 2 includes a head 6, upper, middle and lower mechanical seals, respectively 7, 8, 9, mounted on the shaft 1, and upper, middle and lower nipples 10, 11, 12, interconnected by means of a thread sealed with rubber rings thirteen.

Вал 1 расположен в подшипниках скольжения 14, 15, 16 и опирается на опору 17, установленную в основании протектора 2.The shaft 1 is located in the sliding bearings 14, 15, 16 and rests on a support 17 installed in the base of the tread 2.

Верхнее торцовое уплотнение 7 совместно с верхним ниппелем 10 образует верхний герметизирующий узел, среднее торцовое уплотнение 8 совместно со средним ниппелем 11 образует средний герметизирующий узел и нижнее торцовое уплотнение 9 совместно с нижним ниппелем 12 образует нижний герметизирующий узел.The upper mechanical seal 7 together with the upper nipple 10 forms the upper sealing unit, the middle mechanical seal 8 together with the middle nipple 11 forms the middle sealing unit and the lower mechanical seal 9 together with the lower nipple 12 forms the lower sealing unit.

Между ниппелем 10 верхнего герметизирующего узла и ниппелем 11 среднего герметизирующего узла образована средняя подторцовая камера 18, а между ниппелем 11 среднего герметизирующего узла и ниппелем 12 нижнего герметизирующего узла образована нижняя подторцовая камера 19. В ниппеле 11 среднего герметизирующего узла выполнены осевые каналы 20 и 21, в которых установлены обратные клапаны 22 и 23. Нижняя подторцовая камера 19 через торцовую камеру 24 нижнего герметизирующего узла и первый осевой канал 25, выполненный в ниппеле 11 среднего герметизирующего узла, соединена с кольцевым каналом 26, который выполнен над подшипником 15, также в среднем герметизирующем узле. В свою очередь, кольцевой канал 26 гидравлически связан со средней подторцовой камерой 18 посредством второго осевого канала 27, бокового отверстия 28 и третьего осевого канала 20 с установленным в нем обратным клапаном 22, а средняя подторцовая камера 18 соединена с внешней средой с помощью четвертого осевого канала 21 с установленным в нем обратным клапаном 23 и радиального отверстия 29. В нижнем ниппеле 12 выполнен осевой канал 30, связанный с отверстием 31. В канале 30 размещен обратный клапан 32, обеспечивающий прохождение масла в подторцовую камеру 19. В верхнем герметизирующем узле торцовая камера 33 торцового уплотнения 8 соединена с помощью осевого канала 34, кольцевого канала 35 и осевого канала 36 с отверстием 37. Кроме того, в верхнем ниппеле 10 выполнено три осевых отверстия 39 (на чертеже показано одно), каждое из которых соединяет внутреннюю полость головки 6 с радиальным отверстием 40, связанным с внешней средой, для выброса скапливающихся механических примесей во время работы агрегата. Отверстия 31, 28 и 37 выполнены с пробками и предназначены для выхода воздуха из внутренних полостей устройства при заполнении маслом.Between the nipple 10 of the upper sealing assembly and the nipple 11 of the middle sealing assembly, a middle end chamber 18 is formed, and between the nipple 11 of the middle sealing assembly and the nipple 12 of the lower sealing assembly a lower undercut chamber 19 is formed. Axial channels 20 and 21 are formed in the nipple 11 of the middle sealing assembly. in which the check valves 22 and 23 are installed. The lower end chamber 19 through the end chamber 24 of the lower sealing assembly and the first axial channel 25, made in the nipple 11 of the middle sealing a node connected to the annular channel 26, which is arranged above the bearing 15, also the sealing assembly in average. In turn, the annular channel 26 is hydraulically connected to the middle side chamber 18 through the second axial channel 27, the side hole 28 and the third axial channel 20 with a check valve 22 installed therein, and the middle side chamber 18 is connected to the external environment through the fourth axial channel 21 with a check valve 23 and a radial hole 29 installed therein. An axial channel 30 is connected to the hole 31 in the lower nipple 12. A check valve 32 is placed in the channel 30 to allow oil to pass into the end chamber 19. In the upper sealing assembly, the end chamber 33 of the mechanical seal 8 is connected via an axial channel 34, an annular channel 35 and an axial channel 36 to the hole 37. In addition, three axial holes 39 are made in the upper nipple 10 (one is shown in the drawing), each of which connects the inner cavity of the head 6 with a radial hole 40 connected to the external environment, for the release of accumulating mechanical impurities during operation of the unit. The holes 31, 28 and 37 are made with plugs and are designed for air to escape from the internal cavities of the device when filling with oil.

Перед спуском в скважину производят монтаж электродвигателя 4 с протектором 2 и компенсатором 5 и заполнение маслом. При этом заполнение внутренних полостей протектора 2 происходит через электродвигатель 4 до тех пор, пока масло постепенно не вытеснит весь воздух через отверстия 31, 28, 29, 37. После чего отверстия 28, 31 и 37 закрывают пробками, а отверстие 29, служащее для сброса избыточного давления масла из внутренней полости во внешнюю среду, оставляют открытым. Затем электродвигатель 4 с протектором 2 и компенсатором 5 подсоединяют к насосу 3 и спускают в скважину под уровень жидкости.Before the descent into the well, an electric motor 4 is mounted with a tread 2 and a compensator 5 and filled with oil. In this case, the filling of the internal cavities of the tread 2 occurs through the electric motor 4 until the oil gradually displaces all the air through the openings 31, 28, 29, 37. After that, the openings 28, 31 and 37 are closed with plugs, and the opening 29, which serves to discharge excess oil pressure from the internal cavity into the external environment is left open. Then the electric motor 4 with the tread 2 and the compensator 5 is connected to the pump 3 and lowered into the well under the liquid level.

При работе электродвигателя 4 масло, заполняющее его внутреннюю полость, нагревается и, увеличиваясь в объеме, по каналам передает давление во внутреннюю полость протектора 2. Под воздействием давления обратный клапан 32 открывается, масло перетекает в нижнюю подторцовую камеру 19 и далее через торцовую камеру 24, первый осевой канал 25, кольцевой канал 26, второй осевой канал 27, отверстие 28 и третий осевой канал 20 воздействует на обратный клапан 22, который также открывается, и масло поступает в подторцовую камеру 18. При превышении давления масла в подторцовой камере 18 выше заранее заданного значения открывается клапан 23 и лишний объем масла по четвертому осевому каналу 21 вытекает во внешнюю среду через отверстие 29.When the electric motor 4 is operating, the oil filling its internal cavity is heated and, increasing in volume, passes pressure through the channels to the internal cavity of the tread 2. Under the influence of pressure, the check valve 32 opens, the oil flows into the lower end chamber 19 and then through the end chamber 24, the first axial channel 25, the annular channel 26, the second axial channel 27, the hole 28 and the third axial channel 20 acts on the check valve 22, which also opens, and the oil enters the end chamber 18. When the oil pressure is exceeded in the second-hand chamber 18 above a predetermined value, the valve 23 opens and an excess volume of oil flows through the fourth axial channel 21 into the environment through the hole 29.

При остановке электродвигателя происходит обратный процесс, то есть масло остывает, его объем уменьшается, давление во внутренних полостях падает, обратный клапан 23, срабатывая, перекрывает канал 21 и пластовая жидкость не поступает в подторцовую камеру 18. При этом обратный клапан 22 также срабатывает и перекрывает канал 20, обеспечивая дополнительную защиту электродвигателя от попадания пластовой жидкости во внутреннюю полость. Выравнивание давления масла во внутренней полости электродвигателя 4 в этот момент происходит за счет компенсатора 5.When the motor stops, the reverse process occurs, that is, the oil cools down, its volume decreases, the pressure in the internal cavities drops, the check valve 23, acting, closes the channel 21 and the reservoir fluid does not enter the under-end chamber 18. At the same time, the check valve 22 also works and closes channel 20, providing additional protection for the electric motor against formation fluid entering the internal cavity. The equalization of the oil pressure in the internal cavity of the electric motor 4 at this moment occurs due to the compensator 5.

Таким образом, осуществляется надежная и быстро срабатывающая защита электродвигателя от проникновения во внутренние полости пластовой жидкости, вывод увеличивающегося в результате температурного расширения лишнего объема масла и выравнивание давления внутри электродвигателя.Thus, reliable and quick-acting protection of the electric motor against penetration into the internal cavity of the formation fluid is carried out, the output increases as a result of thermal expansion of the excess volume of oil and the pressure equalization inside the electric motor.

Источники информацииSources of information

1. Описание к патенту США №5367214 от 22.11.1994 г., МПК⁵ Н 02 К 5/10.1. Description of US patent No. 5367214 from 11/22/1994, IPC ⁵ N 02 To 5/10.

2. Международный транслятор “Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти”, 1999 г., Москва, с.364-376.2. International translator “Installations of submersible centrifugal pumps for oil production”, 1999, Moscow, p. 344-376.

Claims

1. A device for hydraulic protection of a submersible oil-filled electric motor, including an expansion joint and a protector filled with oil, the protector consisting of a shaft mounted in three plain bearings and arranged in series, of the upper, middle and lower sealing units, each of which contains a mechanical seal, placed on the shaft with the formation of the end chamber, and a nipple, characterized in that in the tread between the nipple of the upper sealing unit and the middle nipple a middle end chamber is formed, and a lower end chamber is formed between the nipple of the middle sealing assembly and the nipple of the lower sealing assembly, wherein one annular channel and preferably four axial channels are made in the nipple of the middle sealing assembly, two of which are provided with non-return valves installed to provide the possibility of passing an increased volume of oil during operation of the electric motor into the external environment and blocking the channels when the motor is stopped.

2. The device of claim 1, characterized in that the lower end chamber is connected to the annular channel through the end chamber of the lower sealing assembly and the first axial channel made in the nipple of the middle sealing assembly.

3. The device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the middle end chamber, on the one hand, is connected to the annular channel by means of a sealing assembly made on the middle nipple, a second axial channel, a side hole and a third axial channel with it by a check valve and, on the other hand, is connected to the external environment by means of a fourth axial channel with a check valve installed in it and a radial hole.