УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАСОРЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ В СКВАЖИНАХ Российский патент 2005 года по МПК F04D13/10 F04D29/70 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предотвращения засорения мехпримесями, заклинивания механизмов (ротора) установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) в скважинах после проведения гидроразрыва пласта и пескующих скважин при остановках УЭЦН. Также осуществляется защита УЭЦН от окалины и солеотложений, выпадающих в осадок с внутренней поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ) при их монтаже.

Известен наиболее близкий аналог представленного изобретения (RU 95107374 А1, (Богданов А.А., 20.04.1997), из которого известно устройство для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, установленное выше насоса, имеющее отстойник для шламонакопления мехпримесей, очищаемый при включении и наполняемый мехпримесями при отключении насоса, и имеющее лабиринт для отделения частиц мехпримесей из жидкости, установленный в верхней части устройства, при этом для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком, на котором установлены верхний клапан, открывающий при остановке насоса отверстие в верхней части цилиндра для свободного стока жидкости через лабиринт, и нижний клапан, удерживающий в верхнем положении шток при работающем насосе и открывающий проход при работе насоса.

Недостатками известного устройства являются:

1) отсутствие самоочистки отстойника от шламонакоплений;

2) отделение мехпримесей из стекающей жидкости осуществляется фильтром, представленным проточками и отверстиями в корпусе фильтра, эффективность применения которых в качестве фильтра невелика (если мехпримеси будут отфильтровываться, то произойдет засорение каналов, а устройства для принудительной продувки их в обратном направлении нет, если же отделение мехпримесей не будет происходить, то мехпримеси совместно с жидкостью попадут внутрь шламовой трубы и засорят УЭЦН);

3) наличием предохранительно-регулирующего устройства поршневого типа решается задача по недопущению засорения УЭЦН посредством слива столба жидкости с мехпримесями из НКТ мимо насоса, слив производится в скважину (затруб) при его отключении, при этом при включении насосного агрегата он будет вынужден повторно прокачать через себя сброшенные в затруб мехпримеси, тем самым увеличивая засорение и износ насоса.

Задачей изобретения является повышение эффективности эксплуатационных возможностей устройства и повышение надежности работы УЭЦН путем предотвращения засорения мехпримесями, заклинивания механизмов УЭЦН в скважинах при остановках.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, установленном выше насоса, имеющем отстойник для шламонакопления мехпримесей, очищаемый при включении и наполняемый мехпримесями при отключении насоса, и имеющем лабиринт для отделения частиц мехпримесей из жидкости, установленный в верхней части устройства, при этом для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком, на котором установлены верхний клапан, открывающий при остановке насоса отверстие в верхней части цилиндра для свободного стока жидкости через лабиринт, и нижний клапан, удерживающий в верхнем положении шток при работающем насосе и открывающий проход при работе насоса, согласно изобретению в нижней части отстойника выполнены отверстия, цилиндр внутри устройства установлен подвижно, нагружен вниз возвратной пружиной и снабжен конусным кольцевым уплотнением для перекрытия отверстия в нижней части отстойника при отключенном насосе, нижний клапан выполнен поплавковым для подъема через верхний клапан подвижного цилиндра и снабжен пружиной сжатия для открытия большего прохода для жидкости при эксплуатации устройства с высокодебитным насосом, а на корпусе устройства при входе в лабиринт установлен кольцевой магнит.

Принцип действия автоматического самоочищающегося устройства построен на непосредственной взаимосвязи свойств работы УЭЦН (наличии восходящего потока жидкости при работе насоса для самоочистки отстойника и отсутствии восходящего потока во время необходимости очистки жидкости от мехпримесей при отключенном УЭЦН) и специальной конструкции блока подвижных элементов для регулирования направления движения жидкости, а также специально разработанной конструкции элементов для отделения мехпримесей.

Засорение и заклинивание ЭЦН происходит содержащимися в жидкости мехпримесями (песок, абразив, уголь, окалина, ил и т.п.). Устройство обеспечивает повышение надежности работы УЭЦН. Для чего оно может устанавливаться между обратным и сливным клапанами или без них внутрь НКТ (на поясняющих изобретение чертежах клапаны не представлены), где при отключении УЭЦН осуществляет отделение крупных и мелких частиц мехпримесей в отстойник. Последующая очистка отстойника осуществляется восходящим потоком жидкости при запуске и работе УЭЦН. Изменение направления потока жидкости при работающем и отключенном УЭЦН осуществляется устройством, в состав которого входят: подвижный цилиндр с установленным на нем конусным кольцевым резиновым клапаном и подвижный шток с установленными на нем верхним и нижним (поплавковым) клапанами. Отделение крупных частиц мехпримесей из стекающей по НКТ в УЭЦН (при негерметичном обратном клапане или его отсутствии) жидкости осуществляется на первом этапе в лабиринте. Данный метод построен на силах гравитации и кинетической энергии крупных частиц мехпримесей. Затем более мелкие частицы отделяются магнитным полем установленного кольцевого магнита. Отделенные частицы мехпримесей осаждаются в отстойник, откуда удаляются потоком жидкости при запуске в работу электроцентробежного насоса. Таким образом, имеющиеся в жидкости мехпримеси отделяются из стекающей жидкости и не допускаются в механизмы электроцентробежного насоса.

На фиг.1 представлена конструкция устройства для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, продольный разрез.

На фиг.2 - подвижные узлы устройства в статическом состоянии (при отключенном УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.

На фиг.3 - подвижные узлы устройства в динамическом состоянии (при работающем УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.

На фиг.4 - конструкция лабиринта и кольцевого магнита (при отключенном УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.

Устройство состоит из корпуса (верхняя часть 9, средняя часть 8, нижняя часть 7), лабиринта 10 с тремя центрирующими буртиками 19, кольцевого магнита 23. Нижняя часть корпуса 7 и тело НКТ 26 образуют отстойник 25 для шламонакопления мехпримесей. Устройство снабжено двухклапанным перепускным устройством, состоящим из подвижного цилиндра 1, нагруженного вниз пружиной 11, с уменьшающимся в верхней части отверстием 17, служащим седлом для верхнего клапана 6 подвижного штока 2. В верхней части подвижного цилиндра 1 установлено резиновое уплотнение 15, необходимое для предотвращения засорения и заклинивания подвижного цилиндра 1, для чего на внутренней поверхности корпуса имеются бурты 16 и 20. В нижней части подвижного цилиндра 1 установлено конусное резиновое уплотнение 3 для перекрытия отверстий 14 в нижней части корпуса 7 и бурт 21 на внутренней поверхности корпуса для предотвращения засорения и заклинивания подвижного цилиндра 1. На штоке 2 имеется буртик 18, необходимый для удержания штока 2 от выпадения из центратора 13, имеющего пропускные отверстия 24 для течения жидкости. В нижней части штока 2 посредством шайб 27 и шпонок 12 установлен нижний клапан 5, нагруженный вниз пружиной 4. В исходном состоянии (при отключенном УЭЦН) подвижный цилиндр 1 и шток 2 с установленными на нем двумя клапанами 5, 6 находятся в нижнем положении. При этом резиновым конусным уплотнением 3 перекрыты отверстия 14 из нижней части отстойника 25 во внутреннюю полость устройства, чем предотвращается попадание мехпримесей во внутреннюю полость шламоуловителя и в УЭЦН. Сборка основных частей 7, 8, 9 корпуса и лабиринта 10 осуществляется посредством резьбовых соединений 22 (трубная резьба).

При включении УЭЦН восходящим потоком жидкости подачи УЭЦН нижний поплавковый клапан 5, установленный на штоке 2, давлением восходящего потока поднимается вверх, поднимая при этом сам шток 2. Дойдя до верхнего положения, шток 2 своим давлением на верхний резиновый клапан 6 перекрывает верхнее отверстие 17 в подвижном цилиндре 1. В результате чего энергией восходящего потока подвижный цилиндр 1 поднимается вверх до упора своими резиновыми уплотнениями 15 на внешней полости в буртики 16 корпуса устройства и конусными уплотнениями 3 на буртик 21 для предотвращения засорения и заклинивания полости между подвижным цилиндром 1 и корпусом 8. При этом открываются отверстия 14 из внутренней полости устройства в нижнюю часть отстойника 25 для шламонакопления мехпримесей и начинается интенсивная промывка накопленных в отстойнике 25 мехпримесей восходящим потоком жидкости. По окончании промывки отстойника 25 поток жидкости идет непосредственно через отстойник 25 (направление потока показано стрелкой на фиг.1, 3). Подвижный цилиндр 1 и шток 2 с клапанами 5, 6 удерживаются при работе УЭЦН в верхнем положении давлением восходящего потока жидкости на нижний поплавковый клапан 5.

При этом, если устройство используется в комплекте с высокодебитным УЭЦН (большой объем перекачиваемой жидкости), то давление потока жидкости на нижний поплавковый клапан 5 сжимает установленную выше него пружину 4 и открывает проходное отверстие на большее проходное сечение, чем достигается уменьшение потерь напора УЭЦН на трение в данном узле. Фиксирование поплавкового клапана 5 осуществляется шайбами 27 и шпонками 12.

При отключении УЭЦН прекращается восходящий поток жидкости и шток 2 вместе с подвижным цилиндром 1 принудительным давлением возвратной пружины 11 возвращается в нижнее положение (силы земного притяжения недостаточно, т.к. установка оборудования УЭЦН, как правило, производится с отклонением от вертикали на 5-45°). При этом конусным резиновым уплотнением 3 перекрываются отверстия 14, сообщающие нижнюю часть отстойника с внутренней полостью устройства, и перемещением штока 2 с двумя клапанами 5, 6 вниз открывается верхнее отверстие 17 в подвижном цилиндре 1 для стока жидкости через отверстия 24 в центраторе 13, обтекая нижний поплавковый клапан 5 в УЭЦН. При этом, чем больше скорость потока жидкости вниз, тем большее давление оно оказывает на нижний поплавковый клапан 5. Данное усилие от клапана 5 передается через шток 2, буртик 18 и центратор 13 к подвижному цилиндру 1, чем достигается большее усилие для герметизации конусного резинового уплотнения 3 и резинового кольца 15 на буртике 20.

Отделение крупных частиц мехпримесей в отстойник 25 происходит под действием сил гравитации и кинетической энергии самих частиц мехпримесей в лабиринте 10 (показано стрелкой) посредством разворота направления потока жидкости на 180°. Принцип отделения мелких частиц мехпримесей (ил, глина) построено на магнитных свойствах данных веществ. Кольцевой магнит 23, установленный на корпусе устройства, передает северный полюс через корпус устройства на нижнюю часть (острие) лабиринта 10. Таким образом, направление магнитного поля 23 от острия лабиринта 10 к южному полюсу магнита "вытягивает" из входящего в лабиринт 10 потока жидкости мелкие мехпримеси, которые, выйдя из потока, далее уже под собственным весом осаждаются в отстойник 25 для накопления мехпримесей. На фигуре 4 изображены магнитные линии и осаждающиеся частицы мехпримесей. Снабжение устройства лабиринтом 10, изменяющим угол направления течения жидкости на 180°, и кольцевым магнитом 23 позволяет практически полностью выводить из стекающей жидкости частицы мехпримесей. Подвергнуть засорению или отказу данный вид фильта невозможно. Отстойник 25 для накопления частиц мехпримесей снабжен по существу двухклапанным перепускным устройством, которое позволяет производить очистку отстойника 25 от шламонакоплений потоком жидкости при запуске в работу электроцентробежного насоса.

При включении УЭЦН процесс повторяется по замкнутому циклу.

Данная разработка является перспективной, т.к. она автоматически работает по замкнутому циклу, обеспечивающему самоочищение насосной установки.

Изобретение предназначено для использования при нефтедобыче. Устройство для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов (Н) в скважинах установлено выше Н, имеет отстойник для накопления мехпримесей (М) и лабиринт для отделения частиц М, установленный в верхней части устройства. Для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком. На штоке установлены верхний клапан (К), открывающий при остановке Н отверстие в верхней части цилиндра для стока жидкости через лабиринт, и нижний К, удерживающий в верхнем положении шток и открывающий проход при работе Н. В нижней части отстойника выполнены отверстия. Цилиндр внутри устройства установлен подвижно, нагружен вниз возвратной пружиной и снабжен конусным кольцевым уплотнением для перекрытия отверстия в нижней части отстойника при отключенном Н. Нижний К выполнен поплавковым для подъема через верхний К подвижного цилиндра и снабжен пружиной сжатия. На корпусе устройства при входе в лабиринт установлен кольцевой магнит. Изобретение направлено на предотвращение засорения и заклинивания исполнительных механизмов Н при их отключениях. 4 ил.

Устройство для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, установленное выше насоса, имеющее отстойник для шламонакопления мехпримесей, очищаемый при включении и наполняемый мехпримесями при отключении насоса, и имеющее лабиринт для отделения частиц мехпримесей из жидкости, установленный в верхней части устройства, при этом для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком, на котором установлены верхний клапан, открывающий при остановке насоса отверстие в верхней части цилиндра для свободного стока жидкости через лабиринт, и нижний клапан, удерживающий в верхнем положении шток при работающем насосе и открывающий проход при работе насоса, отличающееся тем, что в нижней части отстойника выполнены отверстия, цилиндр внутри устройства установлен подвижно, нагружен вниз возвратной пружиной и снабжен конусным кольцевым уплотнением для перекрытия отверстия в нижней части отстойника при отключенном насосе, нижний клапан выполнен поплавковым для подъема через верхний клапан подвижного цилиндра и снабжен пружиной сжатия для открытия большего прохода для жидкости при эксплуатации устройства с высокодебитным насосом, а на корпусе устройства при входе в лабиринт установлен кольцевой магнит.