СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРОПРИВОДНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1998 года по МПК F04B47/08 

Изобретение относится к насосостроению, конкретно к насосным установкам, предназначенным для подъема жидкостей с больших глубин, например из скважин. Данный насосный агрегат может быть использован в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации вертикальных и наклонно-направленных скважин, в частности, малодебитных скважин с осложненными характеристиками нефтяного пласта.

Известен погружной диафрагменный электронасос, содержащий электродвигатель, кинематически связанный с плунжером приводного насоса, установленным в заполненном маслом корпусе, который герметично изолирован от перекачиваемой жидкости эластичными рабочей диафрагмой и компенсатором; в головке электронасоса установлены всасывающий и нагнетательный клапаны (см. RU, N 2062906, кл. F 04 B 7/06, 1996г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной конструкции насоса необходимо отметить, что он имеет низкий КПД, характерный для диафрагменных электронасосов, и невысокую надежность работы ввиду частого выхода из строя элементов кинематики.

Цель изобретения - повышение КПД, надежности и ресурса работы, а также расширение эксплуатационных возможностей погружных электронасосов, в частности, для малодебитных скважин.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что предложенный скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, снабжен гидродвигателем, причем гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, штоки плунжеров соединены друг с другом, полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель со входом и выходом приводного насоса, всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса, цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой жидкости, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема и соединенным со входом приводного насоса.

Приводной насос выполнен аксиально-поршневым. Насосный агрегат имеет протектор, пристыкованный к гидродвигателю со стороны рабочего насоса.

На стороне входа в приводной насос установлены фильтр и параллельно ему предохранительный клапан, предназначенный для работы в переливном режиме, а сторона выхода связана со стороной входа предохранительным клапаном высокого давления.

Распределитель снабжен механическим переключателем, связанным с плунжером гидродвигателя.

Агрегат имеет регулятор расхода рабочей жидкости, который снабжен управляющим механизмом. Кроме того, регулятор может быть снабжен шаговым гидравлическим или электромагнитным приводом, управляемым с поверхности.

Фильтр, предохранительные клапаны и регулятор расхода, все или по крайней мере один из них, установлены в баке, который выполнен секционным.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение КПД и надежности насосного агрегата за счет использования системы: приводной насос (например аксиально-поршневой), гидродвигатель и рабочий насос плунжерного (поршневого) типа. При этом сохраняются все преимущества погружного электронасоса, связанные с отсутствием сложного оборудования на поверхности. Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат может иметь широкую область применения за счет использования гидромашин объемного вытеснения с необходимыми значениями подачи и напора. Наличие регулятора расхода рабочей жидкости (например, маловязкого масла) позволяет изменять подачу добываемой жидкости в автоматическом режиме в зависимости от гидростатического давления пласта или в режиме ручного управления с поверхности, что расширяет эксплуатационные возможности агрегата. Указанные преимущества данного устройства обусловливают целесообразность его применения при эксплуатации малодебитных и наклонно-направленных скважин на сложной местности (водоемы, пустыни, горы, населенные пункты, районы Севера и т.д.).

При проведении патентных исследований не обнаружены технические решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "новизна".

Сущность предложенного изобретения не следует явным образом из известных технических решений, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "изобретательский уровень".

По мнению заявителей, изложенных в материалах заявки сведений достаточно для использования изобретения, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".

На чертеже представлен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат (продольный разрез).

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат включает следующие основные элементы: электродвигатель, приводной насос (например аксиально-поршневой), гидродвигатель и рабочий насос плунжерного (поршневого) типа. Вспомогательное оборудование: масляный бак, фильтр и элементы гидроавтоматики, протекторы (гидрозащита). Устройство крепится к колонне стандартных насосно-компрессорных труб (НКТ).

Погружной маслозаполненный электродвигатель (ПЭД) 1 через протектор 2 соединен с приводным насосом 3. При использовании масла одной марки в ПЭД и системе гидропривода протектор 2 может отсутствовать. Над приводным насосом размещен масляный бак, включающий секцию 4 с эластичной диафрагмой 5, служащей компенсатором объема, и секцию 6, в которой установлены фильтр 7 и элементы гидроавтоматики: предохранительный (переливной) клапан 8, предохранительный клапан высокого давления 9 и регулятор расхода рабочей жидкости 10. В торцовых стенках секций бака имеются отверстия, обеспечивающие подачу масла к входу приводного насоса. Нагнетательный трубопровод 11 проходит снаружи (или внутри) секций бака от приводного насоса к распределителю 12 и, кроме того, соединяется с предохранительным клапаном 9 и регулятором расхода 10. Выходные отверстия этого предохранительного клапана и регулятора расхода, а также сливное отверстие распределителя сообщаются с секцией 6 бака.

Распределитель 12 соединен посредством трубопровода 13 и отверстия 14 соответственно с верхней и нижней полостями цилиндра 15 гидродвигателя, который содержит плунжер (поршень) 16 и шток 17. Механический переключатель распределителя состоит из толкателя 18, фиксатора 19 и пружины 20, установленной в стаканах 21 внутри плунжера 16.

Шток 17 гидродвигателя проходит через протектор 22 и соединяется с плунжером (поршнем) 23 рабочего насоса. Плунжеры 16 и 23 могут иметь отдельные штоки, соединенные друг с другом посредством муфты. Протектор 22 гидродвигателя может быть выполнен с двумя или более камерами, разделенными перегородками с уплотнениями по штоку и заполненными маслом разной вязкости, например, нижняя камера - маловязким маслом, используемым в системе гидропривода, а верхняя - густым маслом.

Плунжер 23 рабочего насоса выполнен полым и размещен в цилиндре 24. В нижней части цилиндра и плунжера имеются отверстия 25, 26 для приема добываемой жидкости. Внутри плунжера установлен всасывающий клапан 27, а в верхней части цилиндра - нагнетательный клапан 28, над которым расположена клетка 29 с окнами 30, снабженная поршнем 31 в качестве заслонки.

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат прикреплен к колонне НКТ 32. Колонна НКТ с насосным агрегатом опускается в обсадную колонну, установленную в скважине, с использованием центраторов и пакера, если это необходимо (не показано).

Электроснабжение ПЭД осуществляется посредством кабеля, например, типа КПБП, который крепится к колонне НКТ хомутами (не показано).

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат работает следующим образом.

Перед погружением насосного агрегата в скважину полости ПЭД с протектором система гидропривода, включающая приводной насос, бак, гидродвигатель и другие элементы, а также камеры протектора гидродвигателя заполняются очищенным маслом соответствующих марок.

При погружении насосного агрегата в нефтяной пласт добываемая жидкость втекает в полости цилиндра 24 и плунжера 23 рабочего насоса через отверстия 25, 26 в нижней части этих узлов. Под действием гидростатического давления всасывающий 27 и нагнетательный 28 клапаны открываются, и жидкость через окна 30 клетки 29 заполняет НКТ 32 почти до уровня пласта.

В неработающем агрегате связанные между собой плунжер 16 гидродвигателя и плунжер 23 рабочего насоса занимают нижнее положение.

При включении ПЭД 1 начинает работать приводной насос 3, который через распределитель 12 и отверстие 14 подает масло под давлением в нижнюю полость цилиндра 15 гидродвигателя. Плунжер 16 перемещается вверх, вытесняя масло из верхней полости цилиндра; масло по трубопроводу 13 через распределитель и секции 6, 4 бака подается на вход приводного насоса. Разница между объемными расходами нагнетаемого в цилиндр 15 и вытесняемого из него масла, обусловленная наличием штока 17 в верхней полости, компенсируется за счет изменения объема секции 4 бака с эластичной диафрагмой 5. Такая конструкция бака обеспечивает также компенсацию изменений объема масла вследствие утечек и влияния температуры.

Перемещение плунжера 16 гидродвигателя вверх обусловливает рабочий ход связанного с ним плунжера 23 рабочего насоса. При этом происходит нагнетание добываемой жидкости из верхней полости цилиндра 24 в НКТ 32 через нагнетательный клапан 28 и клетку 29; одновременно нижняя полость этого цилиндра заполняется жидкостью, втекающей из обсадной колонны.

Когда плунжер 16 гидродвигателя достигает определенного верхнего положения, срабатывает переключатель распределителя 12 и осуществляется обратный ход связанных друг с другом плунжеров 16 и 23 за счет подачи масла в верхнюю полость цилиндра 15 гидродвигателя и слива масла из нижней полости. При опускании плунжера 23 рабочего насоса нагнетательный клапан 28 закрывается, а всасывающий клапан 27 открывается и пропускает добываемую жидкость в верхнюю полость цилиндра 24.

При достижении плунжером 16 определенного нижнего положения происходит обратное переключение распределителя 12, и описанный выше рабочий цикл повторяется.

Переключение распределителя 12 при движении плунжера 16 вниз происходит за счет воздействия плунжера на золотник распределителя через пружину 20 и толкатель 18. "Зависание" золотника распределителя в среднем положении исключается благодаря наличию фиксатора 19 и пружины 20, которая, сжимаясь, накапливает определенную потенциальную энергию и, преодолев сопротивление фиксатора, перемещает толкатель 18 и, соответственно, золотник в крайнее положение. При движении плунжера 16 вверх пружина 20, достигнув упора на верхнем конце толкателя 18, осуществляет аналогичное действие, перемещая толкатель вверх и тем самым позволяя золотнику перейти в другое крайнее положение за счет собственной пружины распределителя. Механический переключатель может иметь и другие исполнения, в частности, с использованием кулачкового механизма, не требующего специального фиксатора.

Давление масла в баке и на входе приводного насоса определяется гидростатическим давлением нефтяного пласта, т.е. высотой столба жидкости от свободного уровня до компенсатора 5, через который давление пласта передается в бак. Аксиально-поршневой насос имеет крутую рабочую характеристику (зависимость напора от подачи), что обусловливает существенно меньшее давление подачи масла в цилиндр 15 гидродвигателя при обратном ходе плунжера 16 по сравнению с рабочим ходом. Если давление на выходе приводного насоса при рабочем ходе превысит определенное предельное значение, срабатывает предохранительный клапан 9, и происходит перепуск масла в секцию 6 бака, т.е. на вход насоса.

Протектор 22 предназначен для того, чтобы предотвратить проникновение пластовой жидкости в цилиндр 15 и утечки масла из него. Разделительные перегородки с уплотнениями, верхняя камера, заполненная густым маслом или другим вязкопластичным уплотнителем, и нижняя камера, заполненная рабочим маслом, препятствуют взаимному переносу пластовой жидкости и масла при возвратно-поступательном движении штока 17, обеспечивая тем самым заданное время наработки агрегата на отказ. Протектор 22 может иметь и другие исполнения, в частности с использованием эластичной диафрагмы.

Наличие фильтра 7 обеспечивает повышение надежности и ресурса работы насосного агрегата за счет очистки масла в системе гидропривода от возможных загрязнений извне и в результате условий в самой системе. Предохранительный (переливной) клапан 8, встроенный параллельно фильтру, открывается при засорении фильтра, что дает дополнительное увеличение ресурса.

Регулятор расхода рабочей жидкости 10 может перепускать в секцию 6 бака часть потока масла со стороны выхода приводного насоса, что обусловливает уменьшение скорости движения плунжера 16 гидродвигателя и связанного с ним плунжера 23 рабочего насоса, т.е. уменьшение числа двойных ходов в минуту и подачи добываемой жидкости. При закрытом регуляторе расхода 10 величина подачи - максимальная. Наличие регулятора существенно расширяет эксплуатационные возможности насосного агрегата.

Входное отверстие регулятора может быть связано не с нагнетательным трубопроводом 11, а с трубопроводом 13 (не показано). В этом случае при рабочем ходе нагнетание масла в цилиндр 15 гидродвигателя происходит без перепуска части потока в бак и потерь энергии на дросселирование в регуляторе расхода; при обратном ходе имеет место перепуск и, следовательно, замедление движения плунжеров 16, 23. Однако такое исполнение обеспечивает меньший диапазон регулирования подачи добываемой жидкости.

В качестве регулятора можно использовать, например, дроссельный (или регулирующий) клапан, на управляющий механизм которого передается воздействие гидростатического давления пласта, что обеспечивает автоматическое регулирование подачи в функции указанного давления.

Регулятор дроссельного типа может быть снабжен шаговым гидравлическим приводом, переключение которого осуществляется за счет кратковременных остановов и запусков ПЭД, что позволяет дискретно регулировать подачу насосного агрегата с поверхности.

Возможно исполнение регулятора с электромагнитным шаговым приводом, обмотка которого присоединена через блок коммутации к кабелю ПЭД, а блок управления расположен на поверхности. Такое техническое решение упрощает операцию регулирования подачи добываемой жидкости, но требует отводов от силового кабеля ПЭД и обеспечения надежности блока коммутации.

Распределитель 12 может быть также выполнен с управлением от электромагнита, обмотка которого через блок управления соединена с кабелем ПЭД и датчиками (например, герконовыми) положения плунжера гидродвигателя.

Установка элементов гидроавтоматики в секционированном баке упрощает конструкцию насосного агрегата ввиду исключения нескольких трубопроводов и фитингов.

Заслонка в виде поршня 31 в клетке 29 предотвращает осаждение песка в нагнетательном клапане 28 при останове насосного агрегата: поршень опускается под действием силы тяжести и перекрывает окна 30 клетки 29.

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат предназначен для подъема жидкостей с больших глубин, например из скважин. Насосный агрегат содержит кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами и гидродвигатель. Гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, причем штоки плунжеров соединены друг с другом. Полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель со входом и выходом приводного насоса. Всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса. Цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой жидкости. Насосный агрегат снабжен баком с компенсатором объема, причем бак соединен со входом приводного насоса. Позволяет расширить эксплуатационные возможности погружных электронасосов, в частности, для малодебитных скважин. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, отличающийся тем, что снабжен гидродвигателем, причем гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, штоки плунжеров соединены друг с другом, полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель с входом и выходом приводного насоса, всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса, цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой жидкости, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема и соединенным с входом приводного насоса. 2. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что приводной насос выполнен аксиально-поршневым. 3. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что он имеет протектор, пристыкованный к гидродвигателю со стороны рабочего насоса. 4. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что в нем на стороне входа в приводной насос установлены фильтр и параллельно ему предохранительный клапан, предназначенный для работы в переливном режиме, а сторона выхода связана со стороной входа предохранительным клапаном высокого давления. 5. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что распределитель снабжен механическим переключателем, связанным с плунжером гидродвигателя. 6. Насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что он имеет регулятор расхода рабочей жидкости, который снабжен управляющим механизмом. 7. Насосный агрегат по п.6, отличающийся тем, что регулятор расхода рабочей жидкости снабжен шаговым гидравлическим или электромагнитным приводом, управляемым с поверхности. 8. Насосный агрегат по пп. 1, 4, 6, 7, отличающийся тем, что фильтр, предохранительные клапаны и регулятор расхода все или по крайней мере один из них установлены в баке, который выполнен секционным.