RU2293217C1

RU2293217C1 - Submersible pumping set with forced cooling system of drive electric motor

Info

Publication number: RU2293217C1
Application number: RU2005128716/06A
Authority: RU
Inventors: шов Сергей Иванович Кудр (RU); Сергей Иванович Кудряшов; Сергей Евгеньевич Здольник (RU); Сергей Евгеньевич Здольник; Виталий Анатольевич Литвиненко (RU); Виталий Анатольевич Литвиненко; Дмитрий Валерьевич Маркелов (RU); Дмитрий Валерьевич Маркелов; Владимир Николаевич Ивановский (RU); Владимир Николаевич Ивановский; Александр Александрович Иванов (RU); Александр Александрович Иванов; Евгений Модестович Черемисинов (RU); Евгений Модестович Черемисинов; Валентин Мустафьевич Девликанов (RU); Валентин Мустафьевич Девликанов; Олег Александрович Оводков (RU); Олег Александрович Оводков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный Комплекс "Нефтемаш"
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-02-10

Abstract

FIELD: oil producing industry.

SUBSTANCE: invention relates to submersible pumping sets with cooling systems of submersible oil-filled electric motors. Proposed submersible pumping set contains pump, gas separator and drive electric motor arranged in forced flow-around housing with holes on side surface. Centrifugal gas separator is furnished with additional screw unit after separating unit (in direction of liquid flow), inlet part of gas separating channel to remove gas-liquid mixture being formed by space with additional screw unit. Housing is made to provide flow of liquid pumped out of annular space through side holes of housing to inlet holes of gas separator.

EFFECT: improved reliability of pumping set owing to effective operation of force cooling system of drive motor when setting well in operating conditions.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей технике, а именно к конструкции погружных насосных агрегатов с системами охлаждения погружных маслозаполненных электродвигателей.The invention relates to oil production equipment, in particular to the design of submersible pumping units with cooling systems for submersible oil-filled electric motors.

Эффективное охлаждение электродвигателей погружных насосных агрегатов при эксплуатации на нефтедобывающих скважинах снижает вероятность отказа электродвигателя и соответственно увеличивает межремонтный период работы насосного агрегата. Вероятность отказа насосного агрегата по причине неэффективного охлаждения особенно высока при выводе скважины на стационарный режим работы. Причиной такого отказа является, в частности, пробой изоляции обмоток статора двигателя из-за его перегрева [Автореферат диссертации. Исследование нестационарной работы системы "Пласт-скважина-УЭЦН". Шмидт С.А. Самарский государственный технический университет, Самара, 2000 (УДК 51.001.57:622.276)].Effective cooling of electric motors of submersible pump units during operation in oil wells reduces the likelihood of a motor failure and, accordingly, increases the overhaul period of the pump unit. The probability of failure of the pump unit due to inefficient cooling is especially high when the well is brought to a stationary mode of operation. The reason for this failure is, in particular, a breakdown of the insulation of the stator windings of the motor due to its overheating [Abstract of the dissertation. Investigation of the unsteady operation of the "Plast-well-ESP" system. Schmidt S.A. Samara State Technical University, Samara, 2000 (UDC 51.001.57: 622.276)].

Известен герметичный насос, содержащий рабочее колесо, установленное на валу электродвигателя с автономным контуром охлаждения, имеющим вспомогательное колесо для осуществления циркуляции охлаждающей жидкости и размещенное на другом конце вала электродвигателя [Синев Н.М. и др. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок. Москва, Атомиздат, 1967, с.224, рис.822]. Недостаток этой конструкции - большие габариты автономной системы охлаждения, исключающие возможность использовать эту конструкцию в глубоких скважинах. Электродвигатель погружного насоса имеет ограниченные радиальные габариты и может иметь высокие мощности (до сотен киловатт) с соответствующим высоким тепловыделением. Выполнение развитой теплопередающей поверхности для создания эффективной системы теплообмена по указанным выше причинам затруднено.Known sealed pump containing an impeller mounted on a motor shaft with an autonomous cooling circuit having an auxiliary wheel for circulating coolant and located on the other end of the motor shaft [Sinev N.M. and other Hermetic water pumps of nuclear power plants. Moscow, Atomizdat, 1967, p. 224, Fig. 822]. The disadvantage of this design is the large dimensions of the autonomous cooling system, which exclude the possibility of using this design in deep wells. The electric motor of a submersible pump has limited radial dimensions and can have high power (up to hundreds of kilowatts) with corresponding high heat dissipation. The implementation of the developed heat transfer surface to create an effective heat transfer system for the above reasons is difficult.

Известен погружной насосный агрегат с маслозаполненным электродвигателем, содержащий статор, ротор с пустотелым валом, основание с маслозаполненной полостью, пяту с радиальными отверстиями, установленную на валу [Ивановский В.Н. и др. Оборудование для добычи нефти и газа. Часть 1. Москва, Нефть и газ, 2002, с.457-458]. Масло внутри двигателя циркулирует из маслозаполненной полости по внутреннему отверстию в валу через отверстия в пяте и, проходя через канал, образованный соответствующими поверхностями статора и ротора, попадает обратно в маслозаполненную полость. Тепло, в конечном счете, передается внешней пластовой жидкости, окружающей электродвигатель, передача тепла в радиальном направлении к охлаждающей пластовой жидкости происходит через поверхности с малой активной площадью. Такая схема охлаждения недостаточно эффективна, хотя бы потому, что существенно увеличить площадь поверхности статора, контактирующей с маслом, нельзя.Known submersible pumping unit with an oil-filled electric motor, containing a stator, a rotor with a hollow shaft, a base with an oil-filled cavity, a heel with radial holes mounted on the shaft [Ivanovsky V.N. and other equipment for oil and gas production. Part 1. Moscow, Oil and Gas, 2002, p. 457-458]. The oil inside the engine circulates from the oil-filled cavity through the internal hole in the shaft through the holes in the heel and, passing through the channel formed by the corresponding surfaces of the stator and rotor, enters the oil-filled cavity. Heat is ultimately transferred to the external formation fluid surrounding the electric motor, heat transfer in the radial direction to the cooling formation fluid occurs through surfaces with a small active area. Such a cooling scheme is not effective enough, if only because it is impossible to significantly increase the surface area of the stator in contact with oil.

Известен погружной насосный агрегат, содержащий приводной электродвигательный и насосный узел [SU 311046 А (СКБ Скважинных электронасосов для водоподъема), 09.08.1971]. Полая приемная сетка насоса выполнена в виде радиатора, сообщающегося одним концом с верхней частью внутренней полости электродвигателя, а другим с нижней частью внутренней полости электродвигателя, причем в указанной полости циркулирует жидкость. Помимо охлаждения двигателя через корпус в такой конструкции дополнительное охлаждение обеспечивается посредством непрерывной циркуляции жидкости во внутренней полости двигателя с последующим ее охлаждением в указанной приемной сетке насоса откачиваемой жидкостью, протекающей через сетку. Недостатком этого электронасоса является малый коэффициент теплопередачи от двигателя к циркулирующей в его полости жидкости. Вследствие этого такая конструкция неэффективна в условиях высокого тепловыделения при использовании высокооборотных электродвигателей достаточно высокой мощности (десятки кВт и более). В этой ситуации возникает перегрев обмотки статора, нарушение (пробой) изоляции электродвигателя.Known submersible pump unit containing a drive electric motor and pump unit [SU 311046 A (SKB Downhole electric pumps for lifting), 08/09/1971]. The hollow intake grid of the pump is made in the form of a radiator, communicating at one end with the upper part of the internal cavity of the electric motor, and the other with the lower part of the internal cavity of the electric motor, and the liquid circulates in the specified cavity. In addition to cooling the engine through the housing in such a design, additional cooling is ensured by the continuous circulation of liquid in the internal cavity of the engine, followed by cooling in the indicated suction grid of the pump with pumped liquid flowing through the grid. The disadvantage of this electric pump is the low heat transfer coefficient from the engine to the fluid circulating in its cavity. As a result of this, such a design is ineffective in conditions of high heat generation when using high-speed electric motors of sufficiently high power (tens of kW or more). In this situation, overheating of the stator winding occurs, violation (breakdown) of the insulation of the motor.

Для обеспечения оптимального температурного режима работы двигателя при выводе скважины на стационарный режим используют кожухи принудительного охлаждения двигателя. Размещение приводного электродвигателя внутри кожуха принудительного охлаждения обеспечивает увеличение скорости движения откачиваемой жидкости и соответственно повышает интенсивность охлаждения электродвигателя.To ensure the optimum temperature regime of the engine during the conclusion of the well to the stationary mode, covers of forced cooling of the engine are used. Placing the drive motor inside the forced cooling casing provides an increase in the speed of the pumped liquid and, accordingly, increases the cooling intensity of the electric motor.

Ближайшим аналогом изобретения является погружной электронасос [RU 2136970 С1 (АНК Башнефть), 10.09.1999], содержащий приводной погружной электродвигатель, охлаждаемый перекачиваемой жидкостью, насосный узел, кожух принудительного охлаждения (охладительная емкость) с отверстиями на его боковых и торцевых поверхностях, электродвигатель размещен внутри кожуха. При эксплуатации электронасоса откачиваемая жидкость через входные отверстия кожуха принудительного охлаждения поднимается к верхней части кожуха, омывает поверхность электродвигателя и охлаждает его. Одна из основных причин перегрева ПЭД и выхода его из строя в такой конструкции (при наличии газосепаратора на входе насоса) крайне неэффективная работа системы охлаждения при выводе скважины на режим. Экспериментально показано, что при наличии на входе насоса модуля газосепаратора нарушается нормальный режим циркуляции скважинной жидкости в кожухе и нет притока откачиваемой жидкости во входные отверстия кожуха.The closest analogue of the invention is a submersible electric pump [RU 2136970 C1 (ANK Bashneft), 09/10/1999], containing a driving submersible motor cooled by the pumped liquid, a pump assembly, a forced cooling casing (cooling tank) with holes on its side and end surfaces, the electric motor is located inside the casing. During operation of the electric pump, the pumped liquid through the inlet openings of the forced cooling casing rises to the upper part of the casing, washes the surface of the electric motor and cools it. One of the main reasons for the overheating of the SEM and its failure in such a design (in the presence of a gas separator at the pump inlet) is the extremely inefficient cooling system when the well is put into operation. It was experimentally shown that if there is a gas separator module at the pump inlet, the normal mode of circulation of the well fluid in the casing is violated and there is no inflow of pumped fluid into the casing inlets.

Задача настоящего изобретения - обеспечить эффективное функционирование системы охлаждения двигателя при пуске насоса с модулем газосепаратора, а именно не допустить перегрева двигателя в условиях недостаточного притока охлаждающей жидкости в кожух, например при выводе скважин на стационарный режим эксплуатации при наличии "тяжелой" жидкости глушения в скважине.The objective of the present invention is to ensure the effective functioning of the engine cooling system when starting the pump with the gas separator module, namely, to prevent overheating of the engine in conditions of insufficient flow of coolant into the casing, for example, when wells are brought into stationary operation in the presence of a "heavy" kill fluid in the well.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном погружном насосном агрегате, содержащем насос и приводной электродвигатель, размещенный в кожухе принудительного обтекания с отверстиями на боковой поверхности, установлен центробежный газосепаратор, включающий вал с последовательно расположенными на валу шнековым узлом, центробежным сепарирующим узлом и дополнительным шнековым узлом, канал для отвода отсепарированной жидкости и канал для отвода газожидкостной смеси, причем входная часть канала для отвода газожидкостной смеси образована полостью с дополнительным шнековым узлом, кожух принудительного обтекания охватывает, по меньшей мере, часть внешних поверхностей электродвигателя и газосепаратора, боковые отверстия кожуха выполнены в его нижней части, конструкция кожуха выполнена с возможностью обеспечения протока жидкости, откачиваемой из межтрубного пространства, через вышеуказанные боковые отверстия кожуха, по каналу, сформированному внутренней поверхностью кожуха и соответствующими внешними поверхностями электродвигателя и газосепаратора, к входным отверстиям газосепаратора. Погружной насосный агрегат может иметь двигатель с теплообменником, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, а отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания находятся ниже уровня внешней поверхности теплообменника. Газосепаратор может содержать гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке может выполняться, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания может жестко скрепляться с верхней частью гильзы-вставки, погружной насосный агрегат может включать двигатель, содержащий теплообменник, внешняя поверхность которого формирует часть внешней поверхности двигателя, отверстия на боковой поверхности кожуха принудительного обтекания могут находиться ниже уровня внешней поверхности теплообменника, газоспепаратор может содержать гильзу-вставку, охватывающую корпус газосепаратора в области входных отверстий газосепаратора, причем в гильзе-вставке выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для обеспечения протока скважинной жидкости к входным отверстиям газосепаратора, а верхний край кожуха принудительного обтекания жестко скреплен с верхней частью гильзы-вставки.The specified technical result is achieved due to the fact that in the known submersible pump unit containing a pump and a drive motor located in the forced flow casing with holes on the side surface, a centrifugal gas separator is installed, including a shaft with a screw assembly, a centrifugal separating assembly and additional screw unit, a channel for discharging the separated liquid and a channel for discharging a gas-liquid mixture, and the inlet of the channel for discharging ha the liquid mixture is formed by a cavity with an additional screw assembly, the forced flow cover covers at least a part of the external surfaces of the electric motor and the gas separator, the side openings of the casing are made in its lower part, the casing is designed to allow the flow of fluid pumped out from the annulus through the above side openings of the casing, along the channel formed by the inner surface of the casing and the corresponding external surfaces of the electric motor and oseparatora, to the inlet of the gas separator. The submersible pump unit may have an engine with a heat exchanger, the outer surface of which forms part of the outer surface of the engine, and the holes on the side surface of the forced flow casing are below the level of the outer surface of the heat exchanger. The gas separator may include an insert sleeve covering the gas separator body in the region of the gas separator inlet openings, wherein at least one through hole may be provided in the sleeve insert to provide well fluid flow to the gas separator inlets, and the upper edge of the forced flow casing may be rigidly fixed with the upper part of the sleeve-insert, the submersible pump unit may include an engine containing a heat exchanger, the outer surface of which forms part of the outer surface engine bores, openings on the lateral surface of the forced flow casing may be lower than the outer surface of the heat exchanger, the gas separator may include an insert sleeve covering the gas separator body in the region of the gas separator inlets, and at least one through hole is provided in the insert sleeve the borehole fluid flow to the inlet openings of the gas separator, and the upper edge of the forced flow casing is rigidly bonded to the upper part of the insert sleeve.

На фиг.1. показан газосепаратор без кожуха и гильзы-вставки.In figure 1. shows a gas separator without casing and sleeve insert.

На фиг.2 - конструкция нижней части насосного агрегата (с кожухом).Figure 2 - design of the lower part of the pump unit (with a casing).

Насосный агрегат с кожухом имеет следующий состав. Центробежный газосепаратор 17 с входными отверстиями 6, содержит последовательно расположенные на валу 16 шнековый узел (нагнетательный блок) 4, сепарирующий узел (цилиндрический барабан с радиальными лопатками) 1, дополнительный шнековый узел 13. В нижней части газосепаратора расположен опорный узел вала 5, а в верхней части канал для отвода отсепарированной жидкости 14 и канал для отвода отсепарированной газожидкостной смеси 15, вход которого сформирован полостью с дополнительным шнековым узлом 13. В составе газосепаратора есть гильза-вставка 2 с входным отверстием 3. Кожух 7 закреплен своими верхними краями на гильзе-вставке 2. Он охватывает часть поверхности газосепаратора и электродвигателя 8 с токовводным узлом 9, а также внешнюю поверхность теплообменника двигателя 10. Входные отверстия 11 кожуха 7 для входа потока пластовой жидкости 12 выполнены на его боковой поверхности.The pump unit with a casing has the following composition. A centrifugal gas separator 17 with inlet openings 6 contains a screw assembly (discharge unit) 4 sequentially located on the shaft 16, a separation unit (a cylindrical drum with radial blades) 1, an additional screw assembly 13. The shaft support unit 5 is located at the bottom of the gas separator, and in the upper part of the channel for removing the separated liquid 14 and the channel for removing the separated gas-liquid mixture 15, the inlet of which is formed by a cavity with an additional screw unit 13. The gas separator has an insert sleeve a 2 with an inlet 3. The casing 7 is fixed with its upper edges to the sleeve-insert 2. It covers part of the surface of the gas separator and electric motor 8 with the current-carrying unit 9, as well as the outer surface of the heat exchanger of the engine 10. Inlet openings 11 of the casing 7 for the input of formation fluid flow 12 are made on its side surface.

Погружной насосный агрегат работает следующим образом: поток откачиваемой жидкости 12 поступает через боковые отверстия 6 в каналы, образованные соответствующими поверхностями газосепаратора 17, двигателя 8 и кожуха 7. Благодаря наличию кожуха скорость обтекания жидкости увеличивается в несколько раз, например с 30 см/с до 1 м/с. Жидкость обтекает и охлаждает внешнюю поверхность теплообменника двигателя 10, далее ее поток проходит через отверстие 3 гильзы вставки 2 и поступает через входные отверстия газосепаратора 6 к нагнетателю шнекового типа 4. Здесь давление газожидкостной смеси повышается, после чего она подается в центрифугу - устройство сепарации в виде цилиндрического барабана с радиальными лопатками 1, где происходит разделение ее в поле центробежных сил на газовую и жидкую фазы. Далее смесь поступает на полость 19 с дополнительной шнековой ступенью 13, которая образует входную часть канала 15. В нерасчетном режиме (пластовая жидкость практически не содержит газа), например в ситуации вывода скважины на режим, шнековая ступень 13 предотвращает нежелательный эффект проникновения пластовой жидкости из межтрубного пространства в канал для отвода газожидкостный смеси 15. Отсепарированная жидкость направляется в канал для отвода жидкости 14 и поступает в следующий модуль насоса. Более легкий газ (если он есть в скважинной жидкости) поднимается через канал 15 и выходит в затрубное пространство.The submersible pump unit operates as follows: the flow of the pumped liquid 12 enters through the side openings 6 into the channels formed by the corresponding surfaces of the gas separator 17, the engine 8, and the casing 7. Due to the presence of the casing, the flow velocity of the liquid increases several times, for example, from 30 cm / s to 1 m / s The liquid flows around and cools the outer surface of the heat exchanger of the engine 10, then its flow passes through the opening 3 of the sleeve of the insert 2 and enters through the inlet openings of the gas separator 6 to the screw type blower 4. Here the pressure of the gas-liquid mixture rises, after which it is fed to the centrifuge - a separation device in the form a cylindrical drum with radial blades 1, where it separates in the field of centrifugal forces into gas and liquid phases. Then the mixture enters the cavity 19 with an additional screw stage 13, which forms the inlet of the channel 15. In off-design mode (formation fluid practically does not contain gas), for example, in a situation when the well is switched to the mode, the screw stage 13 prevents the undesirable effect of penetration of the formation fluid from the annular space in the channel for removal of the gas-liquid mixture 15. The separated liquid is sent to the channel for removal of liquid 14 and enters the next pump module. Lighter gas (if it is in the borehole fluid) rises through channel 15 and exits into the annulus.

Указанная конструкция позволяет обеспечивать эффективную работу кожуха принудительного охлаждения в момент вывода скважины на режим.The specified design allows for efficient operation of the forced cooling casing at the time the well is put into operation.

Claims

1. A submersible pump assembly comprising a pump and a drive motor located in the forced flow casing with holes on the side surface, characterized in that it comprises a centrifugal gas separator comprising a shaft with a screw assembly, a centrifugal separating assembly and an additional screw assembly, located in series for discharging the separated liquid and a channel for discharging a gas-liquid mixture, wherein the inlet of the channel for discharging a gas-liquid mixture is formed by a cavity with an additional auger assembly, the forced-flow casing covers at least a part of the external surfaces of the electric motor and the gas separator, the side openings of the casing are made in its lower part, the casing is designed to provide a flow of fluid pumped out from the annulus through the above-mentioned side openings of the casing through the channel formed by the inner surface of the casing and the corresponding outer surfaces of the electric motor and gas separator, to the inlet openings of the gas separator.

2. The submersible pump unit according to claim 1, characterized in that the engine comprises a heat exchanger, the outer surface of which forms part of the outer surface of the engine, and the holes on the side surface of the forced flow casing are below the outer surface of the heat exchanger.

3. The submersible pump unit according to claim 1, characterized in that the gas separator comprises an insert sleeve covering the gas separator body in the region of the gas separator inlet openings, wherein at least one through hole is made in the insert sleeve to provide a borehole fluid flow to the input gas separator holes, and the upper edge of the forced flow casing is rigidly bonded to the upper part of the sleeve-insert.

4. The submersible pump unit according to claim 1, characterized in that the engine comprises a heat exchanger, the outer surface of which forms part of the outer surface of the engine, the openings on the side surface of the forced flow casing are lower than the outer surface of the heat exchanger, and the gas separator contains an insert sleeve covering the housing a gas separator in the region of the gas separator inlet openings, moreover, at least one through hole is made in the sleeve insert for providing a flow of the well fluid to the input one hole of the gas separator, and the upper edge of the forced-flow casing is rigidly bonded to the upper part of the insert sleeve.