СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРОПРИВОДНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2001 года по МПК F04B47/08 

Изобретение относится к конструкциям насосных агрегатов и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для повышения рабочих дебитов нефтяных скважин с высоким газовым фактором.

Известен глубинный штанговый насос, содержащий цилиндр с размещенным в нем плунжером, выполненные в полости цилиндра верхнюю и нижнюю камеры, а также всасывающие и нагнетательные клапаны (см. патент РФ N 2132968, кл. F 04 B 47/00, 1999 г. - наиболее близкий аналог).

В процессе работы насоса плунжер фиксируют в неподвижном положении, а цилиндр совершает относительно плунжера возвратно-поступательные перемещения. При нахождении цилиндра в верхнем положении объем нижней камеры минимален, а верхней - максимален. При перемещении цилиндра в нижнее положение объем верхней камеры уменьшается, а объем нижней увеличивается. Открывается всасывающий клапан и перекачиваемая среда поступает в нижнюю камеру (цикл всасывания). Цикл всасывания происходит до тех пор, пока цилиндр не займет нижнее положение. Одновременно при уменьшении объема верхней камеры в ней увеличивается давление перекачиваемой среды, в результате чего срабатывает нагнетательный клапан и перекачиваемая среда поступает из полости верхней камеры, например, в полость лифтовых труб (цикл нагнетания).

При реверсировании направления перемещения цилиндра увеличивается объем верхней камеры, уменьшается в ней давление и перекачиваемая среда через всасывающий и нагнетательный клапаны плунжера перетекает в верхнюю камеру (цикл всасывания в верхнюю камеру).

В результате анализа известного глубинного штангового насоса необходимо отметить, что выполнение цилиндра подвижным относительно плунжера усложняет процесс изготовления насоса (сложность и высокая трудоемкость изготовления базовой подвижной части насоса - цилиндра), причем привод возвратно-поступательного перемещения цилиндра в данной конструкции осуществляется с поверхности, что существенно снижает эффективность эксплуатации насоса.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции глубинного насоса, позволяющего обеспечить перекачку с глубины жидкости (нефти) с высоким содержанием газа с высокой производительностью, удобного в изготовлении, эффективного при эксплуатации.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в скважинном электрогидроприводном насосном агрегате, содержащем цилиндр с установленным в нем плунжером с всасывающим и нагнетательным клапанами, образованные в цилиндре верхнюю и нижнюю камеры, причем нижняя камера посредством всасывающего клапана имеет возможность соединения с затрубным кольцевым пространством скважины, а верхняя - имеет выход, перекрытый нагнетательным клапаном, новым является то, что плунжер установлен в цилиндре с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и выполнен в виде двух участков разного диаметра, причем участок большего диаметра имеет возможность расположения в верхней и нижней камерах, а участок меньшего диаметра - в нижней, полость плунжера имеет возможность сообщения с верхней полостью и, как минимум, одним выполненным в плунжере отверстием - с нижней, при этом полости участков плунжера разделены, как минимум, одним промежуточным клапаном. Цилиндр глубинного насоса может иметь дополнительную полость, соединенную с выбросом в колонну насосно-компрессорных труб и через клапан - с полостью плунжера. Для обеспечения эффективной работы насоса отношение диаметров участков плунжера должно находиться в интервале: D/d = 1,1-1,8, где:
D - диаметр большего участка;
d - диаметр меньшего участка.

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

Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен глубинный насос, осевой разрез (разделен на три фрагмента).

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат содержит цилиндр 1, в котором с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения смонтирован плунжер 2, соединенный посредством штока 3 и муфты 4 с приводом насоса.

Плунжер 2 выполнен цилиндрической формы и имеет два участка 5 и 6 разного диаметра, причем диаметр участка (Д) больше диаметра (d) участка 6.

Плунжер 2 выполнен полым, причем полости 7 и 8 соответственно участков 5 и 6 соединены друг с другом каналом 9, перекрываемым промежуточным клапаном 10 плунжера 2. В цилиндре 1 выполнены (имеются) камеры 11, 12, 13, 14. Камера 11 сообщается с камерой 12 (верхней) каналом 15, перекрываемым нагнетательным клапаном 16.

Участок 5 плунжера 2 имеет возможность расположения в камерах 12 и 13 (соответственно верхней и нижней), а участок 6 - в камерах 13 и 14 (соответственно нижней и дополнительной - штоковой).

Полость 7 плунжера 2 сообщается с верхней камерой 12 посредством канала 17, перекрываемого нагнетательным клапаном 18, а полость 8 плунжера 2 (участка 6) сообщается с дополнительной (штоковой) камерой (в случае наличия последней) 14 посредством канала 19, где может устанавливаться второй промежуточный клапан 20. Дополнительная камера 14 связана с пространством приема нефтепромысловой жидкости как минимум одним отверстием 21, выполненным в цилиндре 1. Полость 8 плунжера 2 и нижняя камера 13 сообщены друг с другом как минимум одним отверстием 22, выполненным на участке 6 плунжера 2.

Для исключения протечек перекачиваемой среды (газожидкостной смеси) могут быть предусмотрены уплотнительные элементы 23 и 24. Привод выполнен в виде корпуса, содержащего две гильзы 25 и 26, между которыми размещена крышка 27. Полости гильз соединены друг с другом каналом 28, выполненным в крышке 27. В полостях гильз 25 и 26 и в отверстии (позицией не обозначено) крышки 27 размещен шток 29. На штоке 29 выполнены два выступа 30 и 31, один из которых (а именно, 30) находится в полости гильзы 25, а второй (а именно, 31) - в полости гильзы 26. Между выступами 30 и 31 и крышкой 27 установлены сильфоны 32 и 33.

В крышке 27 расположен распределитель 34, к которому подведены нагнетательная 35 и сливная 36 магистрали. Распределитель 34 магистралями 37 и 38 связан с полостями сильфонов 32 и 33.

На выступе 31 штока 29 установлена планка 39 с пазом, через который проходит закрепленный на ползуне 40 толкатель 41, контактирующий с распределителем 34. Ползун 40 установлен на штоке 29 и подпружинен упругим элементом 42 относительно крышки 27, на которой закреплен фиксатор 43, имеющий возможность взаимодействия с выступами 44 ползуна 40.

Для исключения перетечек в крышке 27 имеется уплотнение 45.

Нагнетательная магистраль 35 связана с выходом приводного насоса 46 насосного агрегата. Насос 46 соединен с маслозаполненным электродвигателем 47. Нагнетательная магистраль имеет предохранительный клапан 48. Сливная магистраль 36 соединена через масляный бак 49, имеющий эластичную диафрагму (диафрагмы) 50 (компенсатор объема), фильтр (фильтры) 51 со входом приводного насоса 46 насосного агрегата. Сливная магистраль имеет предохранительный клапан 52.

Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат работает следующим образом.

При перемещении приводным штоком 3 плунжера 2 в верхнее (в плоскости чертежа вверх) положение он выдвигается своим участком 5 в верхнюю камеру 12 (в которой находится перекачиваемая среда), уменьшая объем верхней камеры.

Когда давление перекачиваемой среды достигает расчетного, срабатывает нагнетательный клапан 16 и перекачиваемая среда через канал 15 поступает в камеру 11 и далее в пространство насосно-компрессорных труб (такт нагнетания). Одновременно объем нижней камеры 13 увеличивается, давление перекачиваемой среды в ней падает и, когда его значение становится меньше значения давления на приеме перекачиваемой среды, открывается всасывающий клапан 20 и начинается всасывание перекачиваемой среды из дополнительной камеры 14 в полость штока 2 и через отверстия 22 в нижнюю полость 13 (такт всасывания в нижнюю камеру 13).

При реверсировании привода плунжер 2 перемещается в противоположном направлении (в плоскости чертежа вниз), в результате чего увеличивается объем верхней камеры 12, уменьшается в ней давление перекачиваемой среды и, когда оно становится меньше расчетного, нагнетательный клапан 16 закрывается, перекрывая канал 15.

При дальнейшем перемещении плунжера 2 в нижнее положение давление перекачиваемой среды в верхней камере 12 продолжает снижаться и, когда оно становится меньше давления в нижней камере 13, срабатывают (открываются) клапаны 10 и 18 плунжера 2 и перекачиваемая среда через каналы 9 и 17 поступает в верхнюю камеру 12 цилиндра 1, заполняя ее (такт всасывания). В процессе работы приводная рабочая жидкость насосом 46 (приводимым в действие электродвигателем 47) по нагнетательной магистрали 35 подается к распределителю 34, который соединяет нагнетательную магистраль с магистралью 37, а следовательно, с полостью сильфона 32, а сливную магистраль 36 через магистраль 38 - с полостью сильфона 33.

Приводная жидкость, нагнетаемая в полость сильфона 32, увеличивает его объем, что приводит к перемещению штока 29, соединенного муфтой 4 со штоком 3 (в плоскости чертежа) вверх.

При перемещении штока 29, вызванным подачей приводной жидкости в полость сильфона 32, уменьшается объем полости сильфона 33, а следовательно, приводная жидкость вытесняется из его полости в сливную магистраль 36. При этом приводной орган агрегата (плунжер) совершает ход, величина которого соответствует величине перемещения штока 29.

В процессе работы, сопровождающемся, как этом было отмечено выше, увеличением объема сильфона 32 и уменьшением объема сильфона 33, планка 39 перемещается вместе со штоком 29 и, упираясь в толкатель 41, перемещает последний и связанный с ним ползун 40 в направлении перемещения штока 29 до тех пор, пока один из выступов 44 ползуна 40 не вступит во взаимодействие с фиксатором 43. При этом толкатель 41 перемещает золотник (не показан) распределителя 34 и переключает распределитель, осуществляя связь полости сильфона 32 со сливной магистралью, а полости сильфона 33 - c нагнетательной, в результате чего приводная жидкость нагнетается в полость сильфона 33, увеличивая его объем, а следовательно, шток 29 (а следовательно, и шток 3) совершает обратное перемещение. При этом плунжер насосного агрегата так же совершает перемещение вниз, совершая ход всасывания перекачиваемой жидкости.

Из полости сильфона 32 приводная жидкость вытесняется в сливную магистраль 36, по которой, пройдя через фильтры (фильтр), попадает в бак 49 и на вход приводного насоса 46.

Весьма существенным в конструкции насосного агрегата является то, что благодаря разности диаметров участков плунжера, увеличение объема верхней камеры 12 происходит быстрее уменьшения объема нижней камеры 13, компрессия перекачиваемой среды в камере 13 прекращается с открытием клапанов 10 и 18, после чего давление в нижней камере 13 начинает снижаться, и когда оно достигает расчетного значения, вновь открывается всасывающий клапан 20 и перекачиваемая среда через полость 8 заполняет камеру 13 и через отверстия 9 и 17 при открытых клапанах 10 и 18 - камеру 12. Это позволяет обеспечить при эксплуатации насоса насосно-компрессорный режим как при движении плунжера вверх, так и при значительной части его движения вниз. Кроме того, обеспечивается плавный процесс всасывания и кратковременной компрессии в нижней камере 13, что существенно повышает эффективность откачивания нефтепромысловой жидкости с высоким газосодержанием.

Как показали исследования, наиболее эффективно работа насосного агрегата осуществляется при отношении диаметра участка 5 к диаметру участка 6, как 1,1 -1,8, т.е. D/d = 1,1 - 1,8.

Применение в конструкции насосного агрегата стационарного (неподвижного) цилиндра и подвижного ступенчатого плунжера позволяет также упростить технологию изготовления насоса и повысить эффективность его эксплуатации, так как привод перемещения плунжера можно разместить в скважине ниже по уровню глубинного насоса, что значительно упрощает его эксплуатацию.

Насосный агрегат может быть использован в нефтедобывающей промышленности. Насосный агрегат содержит установленный в цилиндре с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и выполненный в виде двух участков разного диаметра полый плунжер с всасывающим и нагнетательным клапанами (клапанами плунжера). В цилиндре образованы верхняя и нижняя камеры, верхняя камера имеет перекрытое нагнетательным клапаном отверстие, а нижняя, как минимум, одним отверстием соединена с полостью плунжера, которая через всасывающий клапан соединена с приемом перекачиваемой жидкости. Участок плунжера большего диаметра имеет возможность расположения в верхней и нижней камерах, а участок меньшего диаметра - в нижней. Полость плунжера разделена, как минимум, одним промежуточным клапаном. Повышаются рабочие дебиты нефтяных скважин с высоким газовым фактором. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий цилиндр с установленным в нем полым плунжером с всасывающим и нагнетательным плунжерными клапанами, образованные в цилиндре верхнюю и нижнюю камеры, причем нижняя камера соединена через всасывающий клапан с приемом перекачиваемой жидкости, а верхняя камера имеет канал, перекрытый нагнетательным клапаном, отличающийся тем, что плунжер установлен в цилиндре с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и выполнен в виде двух участков разного диаметра, причем участок плунжера большего диаметра имеет возможность расположения в верхней и нижней камерах, а участок меньшего диаметра - в нижней, полость плунжера сообщена с верхней полостью и посредством, как минимум, одного выполненного в плунжере отверстия - с нижней полостью, при этом полости участков плунжера разделены, как минимум, одним промежуточным клапаном плунжера. 2. Скважинный электрогидроприводный насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что цилиндр имеет дополнительную полость, соединенную с приемом перекачиваемой среды и через всасывающий клапан - с полостью плунжера. 3. Скважинный электрогидроприводной насосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что отношение диаметров участков плунжеров находится в интервале: Д/d= 1,1-1,8, где: Д - диаметр большего участка; d - диаметр меньшего участка.