Скважинный насос Российский патент 2004 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к скважинным насосам, а более конкретно к скважинным насосам поршневого типа, приводимым в действие от вращения колонны труб, на которой они спускаются в скважину. Изобретение может быть использовано в составе компоновок для испытания скважин, для подъема продукции скважин на поверхность, а также для снижения противодавления на пласт при ликвидации прихватов при отсутствии циркуляции (прилипания) бурильного инструмента.

Известен погружной гидравлический насос [Авторское свидетельство СССР № 1622626, МПК F 04 B 47/04, F 21 B 21/00, 1991], содержащий корпус, установленные в корпусе поршни, перемещающиеся в цилиндрах камер, клапаны.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности: насос может использоваться только для создания местной циркуляции жидкости в скважине.

Известен скважинный гидропоршневой насосный агрегат, предназначенный для откачки жидкости из скважин, а также создания местной обратной промывки [Авторское свидетельство СССР № 1035284, МПК F 04 B 47/04, F 15 B 9/02, 1983]. Агрегат содержит установленные в корпусе цилиндры и поршни насоса и гидродвигателя, впускной и выпускной клапаны.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность его эксплуатации: для приведения в действие описанного агрегата необходимо наличие вспомогательного оборудования на поверхности для подачи в скважину под давлением по трубам рабочей жидкости.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для откачки жидкости к испытателю пластов [Авторское свидетельство СССР № 662705, МПК E 21 B 49/00, 1979], включающее фиксируемый в скважине корпус, в верхней части которого с внутренней стороны имеются шлицы, а в нижней части выполнен цилиндр и установлен всасывающий клапан. В цилиндре размещен полый ступенчатый поршень с нагнетательным клапаном и с волнообразным верхним торцем, образующий с цилиндром кольцевую камеру, сообщающуюся с затрубным пространством. Сверху в корпус входит связанный с колонной труб полый вал, имеющий шлицы, которые находятся в зацеплении со шлицами корпуса в растянутом положении насоса и выходят из зацепления с ними в сжатом положении насоса. На нижнем конце вал имеет ролики для взаимодействия с волнообразным торцем поршня.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления волнообразного торца поршня, высокие контактные напряжения в местах контакта поршня с роликами, вызывающие интенсивный износ этих деталей и снижающие срок службы устройства, и малая производительность откачки, поскольку устройство представляет собой поршневой насос простого действия, ход поршня которого к тому же ограничен углом подъема волновой поверхности торца поршня, который не может быть большим из-за быстрого роста крутящего момента, передаваемого от колонны труб на корпус и далее к средствам фиксации устройства в скважине. Кроме того, это устройство нельзя использовать в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны, т.к. расцепление шлицов вала и корпуса в сжатом положении насоса не позволяет передавать крутящий момент на долото, а отсутствие свободного осевого канала не позволяет осуществлять промывку забоя скважины в процессе бурения и производить исследования с помощью приборов, спускаемых на кабеле.

Изобретение решает задачу создания скважинного насоса, приводимого в действие от вращения колонны труб, который при сохранении положительных характеристик известного устройства для откачки жидкости к испытателю пластов обеспечивал бы также возможность использования его в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны.

Сформулированная задача решается тем, что в скважинном насосе, включающем цилиндрический корпус с размещенными в нем: цилиндрическим штоком со сквозным осевым каналом, связанным с колонной труб, поршнем и рабочей камерой, сообщающейся с окружающим пространством через всасывающий и нагнетательный клапаны, на наружной части штока выполнена винтовая канавка, а на поршне выполнена ответная выступающая часть в виде поводка для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня при вращении штока, соединяющегося с корпусом посредством расцепной муфты и имеющего в своем осевом канале трубчатый золотник, установленный на срезном штифте, с посадочным седлом под сбрасываемый клапан для перекрытия полости цилиндрического штока и проточкой для сообщения между собой через отверстия в штоке камер, сформированных между штоком и корпусом и образующих заполненный жидкостью гидравлический замок, предназначенный для расцепления муфты.

Еще одним усовершенствованием заявляемого скважинного насоса является то, что поршень выполнен кольцевым с двойным действием, образующим с корпусом и штоком две рабочие камеры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединенными соответственно с осевым каналом штока и с затрубным пространством, причем рабочие камеры насоса образованы сопрягающимися поверхностями корпуса, поршня и штока.

На фиг. 1 изображен предлагаемый скважинный насос в положении деталей во время бурения; на фиг.2 - то же во время откачки; на фиг. 3 показан сбрасываемый клапан в первом варианте исполнения; на фиг.4 - вид А на фиг. 3; на фиг. 5 - сбрасываемый клапан во втором варианте исполнения.

Скважинный насос включает цилиндрический корпус 1, для облегчения изготовления и сборки насоса выполненный составным из нескольких деталей (отдельно на чертеже не обозначены), соединенных между собой с помощью резьб. Внутри корпуса 1 расположен шток 2 со сквозным осевым каналом. На верхний конец штока навинчен переводник 3. Обращенные друг к другу торцы переводника и корпуса снабжены соответственно кулачками 4 и 5 (фиг. 2), образующими кулачковую расцепную муфту (в целом на чертеже не обозначена). Для поддержания элементов муфты в зацеплении насос снабжен гидравлическим замком (в целом на чертеже не обозначен), выполненным в виде двух расположенных между штоком 2 и корпусом 1 маслонаполненных камер 6 и 7 с радиальными отверстиями 8 и 9 в штоке 2 и трубчатого золотника 10, установленного в осевом канале штока 2 на срезном штифте 11 и имеющего на внешней поверхности проточку 12 для сообщения между собой радиальных отверстий 8 и 9 штока и посадочное седло в верхней части под сбрасываемый клапан 13 (фиг. 2) для перекрытия осевого канала штока. Между корпусом 1 и штоком 2 размещен разгрузочный (упорный) подшипник 14. Рабочим органом насоса является кольцевой поршень двойного действия 15, состоящий из двух головок (верхней и нижней), соединенных между собой посредством промежуточной гильзы. В средней части гильзы выполнено окно, в котором размещен поводок 16, установленный в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного движения. Поводок 16 посредством шариков (в сечении виден один шарик 17) взаимодействует с бесконечной винтовой канавкой 18, выполненной на втулке 19, связанной со штоком 2 с помощью шлицов 20. Втулка 19 с бесконечной винтовой канавкой и взаимодействующий с последней поводок 16 образуют механизм преобразования вращения штока 2 в возвратно - поступательное движение поршня 15. Сверху и снизу от поршня 15 (по обе стороны от его головок) между корпусом 1 и штоком 2 образованы рабочие камеры 21 и 22, для каждой из которых в корпусных деталях (переводниках) 23 и 24 выполнены приемные и нагнетательные каналы (в сечении, фиг. 2, видны по одному приемному 25 и одному нагнетательному 26 каналу рабочей камеры 22 и один из нагнетательных каналов 26 рабочей камеры 21, ее приемные каналы выполнены аналогично таковым рабочей камеры 22, но не попали в сечение). Приемные и нагнетательные каналы рабочих камер снабжены соответственно всасывающими 27 и нагнетательными 28 клапанами, при этом приемные каналы 25 посредством радиальных отверстий 29 в штоке 2 сообщены с его осевым каналом, а нагнетательные каналы 26 через нагнетательные полости 30, образованные на их выходе между корпусом 1 и штоком 2, - с затрубным пространством. Для предупреждения попадания шлама из промывочной жидкости в нагнетательные каналы и полости в процессе бурения последние снабжены обратными клапанами, выполненными в виде пружинных пластин 31.

Для перевода насоса в режим откачки он комплектуется сбрасываемым клапаном 13 (фиг. 2), имеющим два варианта исполнения. В первом варианте (фиг. 3 и 4) сбрасываемый клапан имеет корпус 32 с наружной седловой поверхностью в средней части, которой он садится в седло трубчатого золотника 10, и с седлом в верхней части, с которым взаимодействует шарик 33, перекрывающий осевой канал корпуса. Сверху на корпус 32 навинчена втулка 34 с радиальными выступами 35, предотвращающими выпадение шарика 33. Во втором варианте (фиг. 5) наружная седловая поверхность для посадки в седло трубчатого золотника 10 выполнена на дополнительной втулке 36, в которой собственно клапан установлен на срезном штифте 37.

В составе компоновки испытательного инструмента, встроенной в бурильную колонну, насос допускает два варианта использования: для откачки жидкости из пласта и для откачки жидкости из бурильных труб в затрубье с целью снижения уровня для создания депрессии на пласт перед полным отсечением испытуемого пласта от вышерасположенного ствола скважины.

Для откачки жидкости из пласта после окончания бурения при промывке забоя внутрь бурильной колонны (на чертеже не показана) сбрасывается клапан 13 в варианте исполнения, показанном на фиг. 3 и 4. Клапан садится в седло трубчатого золотника 10 и перекрывает его осевой канал. Под действием избыточного давления, создаваемого в бурильной колонне, золотник 10 с клапаном 13 перемещаются вниз, при этом срезается штифт 11. Золотник перемещается вниз до посадки его в седло, предусмотренное внутри осевого канала штока 2. При этом происходит сообщение маслонаполненных камер 6 и 7 через радиальные отверстия 8 и 9 в штоке 2 и проточку 12 на наружной поверхности золотника 10. Под действием веса бурильного и испытательного инструмента, находящегося ниже насоса (на чертеже не показаны), происходит плавное растяжение конструкции до контакта выступа на внутренней поверхности корпуса 1 (нижнего торца переводника, являющегося составным элементом корпуса) с разгрузочным (упорным) подшипником 14, который воспринимает нагрузку от веса деталей, соединенных с корпусом. При этом кулачки 4 переводника 3 выходят из зацепления с кулачками 5 корпуса 1 насоса (фиг. 2) и обеспечивается возможность вращения с помощью ротора бурового станка через колонну бурильных труб штока 2 насоса. При этом роль якоря для корпусных деталей выполняет комплект утяжеленных бурильных труб, специальный якорь, входящий в конструкцию пакерующего устройства или специальный отдельный якорный узел, срабатывающий от частичной разгрузки на забой скважины массы инструмента, находящегося ниже насоса. При вращении штока 2 через шлицы 20 крутящий момент передается втулке 19 с бесконечной винтовой канавкой 18, которая вращательное движение преобразует в поступательное для поводка 16 с шариками 17 и связанного с ними поршня 15 двойного действия. При движении поршня 15 вверх происходит всасывание жидкости из осевого канала штока 2 (той его части, которая находится ниже клапана 13) через радиальные отверстия 29 штока 2 и приемные каналы 25 переводника 24 с всасывающими клапанами 27 в рабочую камеру 22, находящуюся ниже поршня 15, и одновременно с этим нагнетание жидкости (от предыдущего цикла) из рабочей камеры 21, находящейся выше поршня 15, через нагнетательные каналы 26 в переводнике 23 с нагнетательными клапанами 28 в нагнетательные полости 30 и далее через обратные клапаны 31 в затрубное пространство. При движении поршня 15 вниз происходит, наоборот, процесс всасывания жидкости через радиальные отверстия 29 штока 2 и приемные каналы переводника 23 (на чертеже не показаны, т.к. не попали в сечение) в верхнюю рабочую камеру 21 и нагнетание из нижней рабочей камеры 22 через нагнетательные каналы 26 в переводнике 24 и нагнетательные полости 30 снизу от этого переводника в затрубное пространство.

Для осуществления откачки жидкости из бурильных труб в затрубье внутрь бурильной колонны сбрасывается клапан 13 в варианте исполнения, показанном на фиг. 5. При посадке клапана в седло трубчатого золотника 10 и создании в бурильной колонне избыточного давления, аналогично вышеизложенному, происходит срезание штифта 11, перемещение золотника 10 в нижнее положение, сообщение между собой маслонаполненных камер 6 и 7, растяжение конструкции насоса и расцепление кулачков 4 и 5 расцепной муфты, в результате чего шток 2 получает возможность вращаться относительно корпуса 1. После этого в бурильной колонне создается более высокое давление, на 40-50% превышающее первоначальное, что приводит к срезанию штифта 37 (фиг. 5) клапана и перемещению последнего вниз до посадочного места в пакерующем устройстве (на чертеже не показано), находящемся ниже насоса. Благодаря такому расположению клапана 13 при работе насоса происходит отбор жидкости из бурильных труб (той части бурильной колонны, которая находится выше клапана 13) с откачкой ее в затрубное пространство. После снижения уровня жидкости в бурильных трубах до определенной величины производится разгрузка бурильного инструмента на забой для открытия главного клапана испытательного инструмента, при этом насос приводится в положение, показанное на фиг. 1. Дальнейшие технологические операции с испытательным инструментом, расположенным ниже насоса, производятся путем изменения сжимающей нагрузки на него.

Данный насос по показателям технологичности и производительности превышает насос, взятый в качестве прототипа. А благодаря тому, что до перевода его в режим откачки жидкости осевой канал штока остается свободным, а кулачки расцепной муфты находятся в зацеплении и обеспечивают возможность передачи крутящего момента на буровое долото, он может быть использован в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны, что является его существенным преимуществом.

Насос предназначен для использования в нефтегазодобывающей промышленности, преимущественно в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны. Содержит цилиндрический корпус и расположенный внутри него шток со сквозным осевым каналом, соединенные между собой посредством расцепной муфты. Расцепная муфта выполнена в виде торцевой кулачковой муфты и снабжена гидравлическим замком в виде двух расположенных между штоком и корпусом маслонаполненных камер с радиальными отверстиями в штоке и трубчатого золотника, установленного в осевом канале штока на срезном штифте и имеющего проточку для сообщения между собой радиальных отверстий штока и посадочное седло под сбрасываемый клапан для перекрытия осевого канала штока. Между корпусом и штоком размещен разгрузочный подшипник. Рабочим органом насоса является кольцевой поршень двойного действия, образующий с корпусом и штоком две рабочие камеры с приемными и нагнетательными каналами с установленными в них, соответственно, всасывающими и нагнетательными клапанами. При этом приемные каналы рабочих камер сообщены с осевым каналом штока, а их нагнетательные каналы - с затрубным пространством. Насос снабжен механизмом преобразования вращения штока в возвратно-поступательное движение поршня в виде снабженной бесконечной винтовой канавкой втулки, связанной со штоком шлицевым соединением, и взаимодействующего с этой винтовой канавкой поводка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанного с поршнем. Для перевода насоса в режим откачки жидкости после окончания бурения при промывке забоя внутрь бурильной колонны сбрасывается клапан, который садится в седло трубчатого золотника и перекрывает его осевой канал. После создания в бурильной колонне избыточного давления это приводит к расцеплению кулачков муфты, в результате чего шток получает возможность вращения относительно корпуса, которое преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня. При движении поршня вверх и вниз жидкость попеременно засасывается из осевого канала штока в рабочие камеры, откуда затем, при изменении направления движения поршня, нагнетается в затрубное пространство. Благодаря тому, что до перевода насоса в режим откачки осевой канал штока свободен, а находящаяся при этом в зацеплении муфта обеспечивает возможность передачи крутящего момента на буровое долото, данный насос может быть использован в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Скважинный насос, включающий цилиндрический корпус с размещенными в нем цилиндрическим штоком со сквозным осевым каналом, связанным с колонной труб, поршнем и рабочей камерой, сообщающейся с окружающим пространством через всасывающий и нагнетательный клапаны, отличающийся тем, что на наружной части штока выполнена винтовая канавка, а на поршне выполнена ответная выступающая часть в виде поводка для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня при вращении штока, соединяющегося с корпусом посредством расцепной муфты и имеющего в своем осевом канале трубчатый золотник, установленный на срезном штифте, с посадочным седлом под сбрасываемый клапан для перекрытия полости цилиндрического штока и проточкой для сообщения между собой через отверстия в штоке камер, сформированных между штоком и корпусом и образующих заполненный жидкостью гидравлический замок, предназначенный для расцепления муфты.2. Скважинный насос по п.1, отличающийся тем, что поршень выполнен кольцевым с двойным действием, образующим с корпусом и штоком две рабочие камеры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединенными соответственно с осевым каналом штока и с затрубным пространством, причем рабочие камеры насоса образованы сопрягающимися поверхностями корпуса, поршня и штока.