RU2728561C1

RU2728561C1 - Hydromechanic submersible reduction gear

Info

Publication number: RU2728561C1
Application number: RU2020102350A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Олегович Степанов; Али Тельман оглы Нагиев; Александр Николаевич Лищук; Сергей Васильевич Иванов
Original assignee: Акционерное общество "ГМС Нефтемаш"
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-07-30

Abstract

FIELD: oil and gas industry; machine building.

SUBSTANCE: invention relates to oil machine building and can be used in submersible oil-filled reduction gears designed to drive plunger pumps in submersible pumping unit for pumping of formation fluid from oil producing wells. Hydromechanical submersible reduction gear comprises mechanical transmission in the form of a screw with a nut, a hydraulic motor, a self-reversing hydraulic distributor configured to control the direction of rotation of the shaft of the mechanical transmission, diaphragm chamber and heat exchange device arranged between hydraulic distributor and diaphragm chamber and consisting of two sections of radially located plate-like or tubular channels for cooled oil, connected via receiving and delivery valves to each other and, accordingly, to hydraulic distributor and diaphragm chamber.

EFFECT: higher operating reliability of hydromechanical driven reduction gear in conditions of high ambient temperatures.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и может быть использовано в погружных маслонаполненных редукторах, предназначенных для привода плунжерных насосов в составе погружной насосной установки для откачки пластовой жидкости из нефтедобывающих скважин.The invention relates to the field of petroleum engineering and can be used in submersible oil-filled gearboxes designed to drive plunger pumps as part of a submersible pumping unit for pumping formation fluid from oil wells.

Известен гидромеханический погружной редуктор, содержащий механическую винтовую передачу в виде винта с гайкой, гидромотор, промежуточный вал с торцевым уплотнением и эластичной кулачковой муфтой, масляный насос, гидравлический блок, состоящий из самореверсивного гидравлического распределителя и диафрагменной камеры (эластомерной оболочки). Гидромотор с гидравлическим блоком выполнены с возможностью регулирования направления вращения вала, при этом винт свободно перемещается внутри полого поршня. (Патент РФ №184849, опубл. 2018).Known hydromechanical submersible gearbox containing a mechanical helical gear in the form of a screw with a nut, a hydraulic motor, an intermediate shaft with a mechanical seal and an elastic cam clutch, an oil pump, a hydraulic unit consisting of a self-reversing hydraulic distributor and a diaphragm chamber (elastomer shell). The hydraulic motor with the hydraulic unit is made with the possibility of adjusting the direction of rotation of the shaft, while the screw freely moves inside the hollow piston. (RF patent №184849, publ. 2018).

Недостатком известного погружного редуктора является то, что в условиях высоких температур окружающей среды в его маслосистеме возможен перегрев масла, что значительно снижает его эксплуатационную надежность. С повышением температуры рабочей жидкости повышается износ подшипниковых и уплотнительных узлов конструкции. Также перегрев приводит к снижению КПД гидравлического блока редуктора.The disadvantage of the known submersible gearbox is that at high ambient temperatures in its oil system, the oil may overheat, which significantly reduces its operational reliability. With an increase in the temperature of the working fluid, the wear of the bearing and seal assemblies of the structure increases. Also, overheating leads to a decrease in the efficiency of the hydraulic block of the gearbox.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эксплуатационной надежности гидромеханического погружного редуктора в условиях повышенных температур окружающей среды, за счет организации теплообмена масла и пластовой жидкости, перекачиваемой плунжерным насосом.The problem to be solved by the claimed invention is to increase the operational reliability of the hydromechanical submersible gearbox under conditions of elevated ambient temperatures, due to the organization of heat exchange between oil and formation fluid, pumped by a plunger pump.

Технический результат достигается тем, что гидромеханический погружной редуктор, содержащий винтовую передачу, гидромотор, самореверсивный гидравлический распределитель, выполненный с возможностью регулирования направления вращения винта винтовой передачи, и диафрагменную камеру, снабжен теплообменником, размещенным между гидравлическим распределителем и диафрагменной камерой и состоящим из двух секций радиально расположенных каналов для охлаждаемого масла, соединенных через приемный и нагнетательный клапаны между собой и, соответственно, с гидравлическим распределителем и диафрагменной камерой, при этом каналы для охлаждаемого масла могут быть выполнены пластинчатыми или трубчатыми.The technical result is achieved by the fact that a hydromechanical submersible gearbox containing a screw drive, a hydraulic motor, a self-reversing hydraulic distributor made with the possibility of adjusting the direction of rotation of the screw of a screw drive, and a diaphragm chamber is equipped with a heat exchanger located between the hydraulic distributor and the diaphragm chamber and consisting of two sections radially located channels for cooled oil, connected through the suction and discharge valves to each other and, respectively, to the hydraulic distributor and the diaphragm chamber, while the channels for the cooled oil can be made of plate or tubular.

В предлагаемом теплообменнике в качестве охлаждающей среды используется перекачиваемый плунжерным насосом пластовая жидкость, а в качестве промежуточного теплоносителя - гидравлическое масло.In the proposed heat exchanger, reservoir fluid pumped by a plunger pump is used as a cooling medium, and hydraulic oil is used as an intermediate heat carrier.

Оснащение погружного редуктора теплообменником, представляющего собой соединенные друг с другом клапанами две секции радиально расположенных каналов для охлаждаемого масла, позволяет простым и надежным способом, за счет теплоотдачи в пластовую жидкость, обеспечить охлаждение масла в маслосистеме погружного редуктора для привода плунжерных насосов, устранив тем самым проблемы перегрева погружного редуктора в условиях повышенных температур окружающей среды и повысив эксплуатационную надежность погружного редуктора.Equipping the submersible gearbox with a heat exchanger, which is two sections of radially located channels for cooled oil connected to each other by valves, allows, in a simple and reliable way, due to heat transfer to the formation fluid, to cool the oil in the oil system of the submersible gearbox for driving plunger pumps, thereby eliminating problems overheating of the submersible gearbox at high ambient temperatures and increasing the operational reliability of the submersible gearbox.

Такое исполнение обеспечивает герметичность теплообменных секций, предотвращает смешивание между собой горячего и охлажденного масла, повышает эффективность теплообмена за охлаждения масла последовательно сначала в одной, а затем во второй секции, а также обеспечивает безопасную эксплуатацию и надежность за счет предотвращения прямого (возможного) контакта масла с пластовой жидкостью.This design ensures the tightness of the heat exchange sections, prevents the mixing of hot and cooled oil with each other, increases the efficiency of heat exchange for cooling the oil sequentially, first in one and then in the second section, and also ensures safe operation and reliability by preventing direct (possible) contact of the oil with formation fluid.

Изобретение поясняется графически, где на чертеже изображена схема гидромеханического погружного редуктора.The invention is illustrated graphically, where the drawing shows a diagram of a hydromechanical submersible gearbox.

Гидромеханический погружной редуктор содержит маслонаполненный корпус 1, размещенную в корпусе винтовую передачу 2, выполненную типа «винт-гайка», полый шток 3, охватывающий винт винтовой передачи 2 и входящий с ним в подвижное зацепление, гидромотор 4 объемного типа, соединенный через распределительный блок 5 и предохранительный клапан 6 с насосом объемного типа 7, теплообменные секции 8 и 9 пластинчатых или трубных каналов для охлаждаемой среды - масла, соединенных между собой через приемный клапан 10 и нагнетательный клапан 11 промежуточным контуром, представляющий собой диафрагменную камеру 12 и, по меньшей мере, два встречно расположенных торцевых уплотнения 13.The hydromechanical submersible gearbox contains an oil-filled housing 1, a screw drive 2 located in the housing, made of the "screw-nut" type, a hollow rod 3, covering the screw of the screw drive 2 and entering into movable engagement with it, a volumetric type hydraulic motor 4, connected through a distribution block 5 and a safety valve 6 with a positive displacement pump 7, heat exchange sections 8 and 9 of plate or pipe channels for the medium to be cooled - oil, interconnected through the inlet valve 10 and the discharge valve 11 by an intermediate circuit, which is a diaphragm chamber 12 and at least two opposed mechanical seals 13.

Насос 7 соединяется валом 14 с электродвигателем погружной насосной установки (на чертеже не показано).The pump 7 is connected by a shaft 14 with an electric motor of a submersible pump installation (not shown in the drawing).

Работа редуктора осуществляется следующим образом. При включении электродвигателя погружной насосной установки насос 7 начинает преобразовывать механическую энергию в гидравлическую, всасывая заполняющее редуктор гидравлическое масло, прокачивая его через распределительный блок 5, гидромотор 4 и предохранительный клапан 6 (при перегрузке). Распределительный блок 5 обеспечивает периодическое разнонаправленное вращение гидромотора 4, преобразующего энергию потока гидравлического масла в механическую энергию вращения. Винт винтовой передачи 2, вращаясь, приводит в движение гайку этой же передачи. В связи с разнонаправленным характером вращения винта, гайка совершает периодические возвратно-поступательные движения и, поскольку она жестко связана с полым штоком 3, который в свою очередь присоединен к плунжеру скважинного насоса погружной насосной установки (на чертеже не показан), шток 3 перемещает плунжер скважинного насоса.The gearbox operates as follows. When the electric motor of the submersible pumping unit is turned on, the pump 7 begins to convert mechanical energy into hydraulic energy, sucking in the hydraulic oil filling the gearbox, pumping it through the distribution block 5, hydraulic motor 4 and safety valve 6 (in case of overload). The distribution block 5 provides periodic multidirectional rotation of the hydraulic motor 4, which converts the energy of the flow of hydraulic oil into mechanical energy of rotation. The screw of the helical gear 2, rotating, drives the nut of the same gear. Due to the multidirectional nature of the rotation of the screw, the nut makes periodic reciprocating movements and, since it is rigidly connected to the hollow rod 3, which in turn is connected to the plunger of the submersible pump unit (not shown in the drawing), the rod 3 moves the plunger of the borehole pump.

Перемещение плунжера скважинного насоса вызывает циклическое изменение объема масла в редукторе. При избыточном давлении в редукторе разогретое масло через приемный клапан 10 поступает на охлаждение в каналы теплообменной секции 8, по которым с одной стороны протекает охлаждаемое масло, а с другой стороны охлаждающая среда - пластовая жидкость, поступающая из пласта на прием плунжерного насоса. Охлажденное масло поступает в диафрагменную камеру 12, которая может быть выполнена из эластомера или другого материала позволяющего значительно изменять свой объем, а нагретая охлаждающая среда поступает на прием плунжерного насоса и поднимается на поверхность. При создании отрицательного давления в редукторе, предварительно остывшее в теплообменной секции 8 масло через нагнетательный клапан 11 подается в каналы теплообменной секции 9, которые омываются охлаждающей средой, отдавая тепло в окружающую теплообменник пластовую жидкость. Таким образом, в маслонаполненном погружном теплообменнике в качестве промежуточного теплоносителя используют масло погружного редуктора, а в качестве охлаждающей среды - перекачиваемую плунжерным насосом пластовую жидкость. Торцевые уплотнения 13 препятствующие смешиванию холодного и горячего масла, а также проникновению в масляный контур пластовой жидкости.Moving the plunger of a downhole pump causes a cyclical change in the volume of oil in the gearbox. With excess pressure in the reducer, the heated oil through the inlet valve 10 is supplied for cooling to the channels of the heat-exchange section 8, through which the cooled oil flows on one side, and on the other side the cooling medium is the formation fluid coming from the reservoir to the intake of the plunger pump. The cooled oil enters the diaphragm chamber 12, which can be made of an elastomer or other material that allows a significant change in its volume, and the heated cooling medium enters the intake of the plunger pump and rises to the surface. When negative pressure is created in the reducer, the oil previously cooled in the heat exchange section 8 is fed through the discharge valve 11 to the channels of the heat exchange section 9, which are washed by a cooling medium, giving off heat to the formation fluid surrounding the heat exchanger. Thus, in an oil-filled submersible heat exchanger, the oil of a submersible gearbox is used as an intermediate heat carrier, and the formation fluid pumped by a plunger pump is used as a cooling medium. Mechanical seals 13 preventing mixing of cold and hot oil, as well as the penetration of formation fluid into the oil circuit.

Использование двух изолированных друг от друга уплотнениями 13 теплообменных секций 8 и 9 повышает эффективность теплообмена и уменьшает потери давления теплоносителя в теплообменнике, а также повышает пропускную способность масляного теплообменника.The use of two heat-exchange sections 8 and 9, isolated from each other by seals 13, increases the efficiency of heat exchange and reduces the pressure loss of the coolant in the heat exchanger, and also increases the capacity of the oil heat exchanger.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность погружного редуктора для плунжерного насоса и устранить проблемы его перегрева в условиях повышенных температур окружающей среды.The proposed invention improves the operational reliability of a submersible gearbox for a plunger pump and eliminates the problem of its overheating at elevated ambient temperatures.

Обеспечение охлаждения рабочей жидкости дает возможность использования погружной насосной установки на большей глубине скважины, что обеспечивает эффективность использования данных насосных установок в скважинах с низким пластовым давлением и ограниченным геологическими условиями притоком.Providing cooling of the working fluid makes it possible to use a submersible pumping unit at a greater depth of the well, which ensures the efficiency of using these pumping units in wells with low reservoir pressure and inflow limited by geological conditions.

Claims

1. A hydromechanical submersible gearbox containing a mechanical transmission in the form of a screw with a nut, a hydraulic motor, a self-reversing hydraulic distributor made with the possibility of adjusting the direction of rotation of a mechanical transmission shaft, and a diaphragm chamber, characterized in that it is equipped with a heat exchange device located between the hydraulic distributor and the diaphragm chamber and consisting of two sections of radially located channels for cooled oil, connected through the intake and discharge valves to each other and, accordingly, to the hydraulic distributor and the diaphragm chamber.

2. Hydromechanical submersible gearbox according to claim 1, characterized in that the channels for the cooled oil are made of plate.

3. The hydromechanical submersible gearbox according to claim 1, characterized in that the channels for the cooled oil are tubular.