ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ НАСОСНОЙ ПОДАЧИ Российский патент 2011 года по МПК F04B43/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к насосному машиностроению и нефтедобывающей отрасли, а именно к способам и оборудованию для погружных насосов, используемых при насосно-компрессорной добыче нефти, газа и угольно-пластового метана из малодебитных скважин.

Уровень техники

Углеводороды и другие жидкости и/или газы (далее - "флюиды") часто находятся в пластах при повышенном давлении. Скважины, пробуренные в такие пласты, позволяют использовать повышенное давление в пластах для подъема флюидов на поверхность. Однако давление в пластах с низким или снизившимся давлением может оказаться недостаточным, чтобы заставить флюиды подниматься к поверхности. Поэтому для обеспечения требуемого для подъема флюидов давления устанавливают насос.

Дебит флюидов, получаемых из скважин с низким давлением, часто ограничен, что ограничивает и потенциальный доход от эксплуатации скважины. Для скважин, требующих установки насосных систем, расходы на установку и эксплуатацию таких систем часто определяют, целесообразно ли устанавливать насосную систему с целью продолжения эксплуатации скважины, или же следует вывести скважину из эксплуатации. К числу наиболее существенных затрат, связанных с насосными системами, относятся затраты на установку, обслуживание и энергопитание системы. Сокращение этих затрат позволит экономически обоснованно эксплуатировать большее число скважин и повысить продуктивность тех скважин, в которых уже имеются насосные системы.

Функционирование скважинной, или погружной, насосной системы зависит от обеспечения энергией компонент погружного насоса, генерирующих гидравлическую мощность, обеспечивающую подъем флюидов из скважины. Таким образом, перенос энергии между поверхностью и погружным насосом является одним из основных факторов, определяющих продуктивность, габариты и эксплуатационные показатели погружных насосных систем. Указанная энергия может, например, передаваться в форме механической энергии, гидравлической энергии или электроэнергии.

Например, в штанговом насосе для передачи механической энергии от поверхности к погружному насосу используется движущаяся возвратно-поступательно стальная штанга. Применение штанговых насосов может быть в значительной мере ограничено, особенно в агрессивной среде, вызывающей, как правило, износ насоса из-за взаимодействия перекачиваемых флюидов с компонентами насоса, создающими давление (поршнями и цилиндрами). В насосах других типов для приведения в действие погружной насосной установки используется электроэнергия, но применение систем, использующих электроэнергию, часто лимитируется ограничениями на размеры или недостатками инфраструктуры.

В качестве примеров подобных, вышеописанных технических решений можно привести технические решения согласно заявке США №2006/0008364 (приоритет от 08.07.2004 г.; опубликована - 12.01.2006 г.), взятой для настоящего изобретения в качестве ближайшего аналога, и согласно патента США №6,889,765 (приоритет от 03.12.2002 г.; опубликован - 10.05.2005 г.).

Цель настоящего изобретения - преодолеть указанные проблемы и разработать менее дорогие и более эффективные способы и устройства для подачи флюидов из скважин низкого давления, обеспечив экономически выигрышный конечный результат.

Раскрытие изобретения

Для достижения заявленного технического результата разработана погружная насосная система с гидроприводом, которая содержит внешний корпус, внутренний корпус, поршень, выполненный с возможностью движения между выдвинутым и втянутым положением в осевом направлении относительно указанного внутреннего корпуса, клапан насоса, который соединен с внутренним корпусом, при этом клапан насоса имеет первое положение, в котором он подает рабочий флюид так, что поршень перемещается в выдвинутое положение, второе положение, в котором он подает рабочий флюид так, что поршень перемещается во втянутое положение, верхний упор, который соединен с клапаном насоса так, что указанный клапан перемещается в первое положение, когда верхний упор находится в контакте с поршнем, находящимся во втянутом положении, нижний упор, который соединен с клапаном насоса так, что указанный клапан перемещается во второе положение, когда нижний упор находится в контакте с указанным поршнем в выдвинутом положении. Клапан насоса может иметь гидравлическую связь с источником рабочего флюида, внешний корпус может содержать всасывающий клапан, управляющий движением флюида во внешний корпус насоса, выпускной клапан, управляющий движением флюида из внешнего корпуса насоса, при этом внешний корпус выполняется с возможностью соединения с внутренним корпусом. В указанной системе может содержаться диафрагма, соединенная с внутренним корпусом насоса таким образом, что внутри внешнего корпуса насоса она формирует рабочую камеру, и насосная камера, при этом поршень располагается внутри рабочей камеры, а всасывающим и выпускным клапанами управляют движением флюида в насосную камеру и из нее. Внешний корпус насоса может быть соединен с внутренним корпусом насоса гибким соединением. Клапан насоса может содержать корпус клапана, соединенный с внутренним корпусом, золотник с центральным каналом, который поддерживает верхний упор и нижний упор, при этом центральный канал частично располагается внутри указанного поршня. Поршень может иметь фланец, окружающий центральный канал и находящийся между верхним упором и нижним упором, при этом внешний край фланца находится в герметичном контакте с внутренним корпусом, а внутренний край фланца находится в герметичном контакте с центральным каналом так, что внутри внутреннего корпуса клапана образуется камера корпуса и поршневая камера. Указанная система может содержать первую и вторую линии подачи флюида, первая линия подачи флюида подает рабочий флюид при первом давлении к указанному клапану насоса, и вторая линия подачи флюида подает рабочий флюид при втором давлении к указанному клапану насоса. Поршневая камера и камера внутреннего корпуса могут находиться в гидравлической связи с первой линией подачи флюида при перемещении поршня в выдвинутое положение. Камера корпуса может находиться в гидравлической связи со второй линией подачи флюида, при этом поршневая камера находится в гидравлической связи с первой линией подачи флюида, при перемещении поршня во втянутое положение. Золотник может снабжаться фиксирующим механизмом или фиксатором, который разъемным образом соединяет золотник с корпусом клапана, когда клапан насоса находится в первом или втором положении, в которых фиксатор освобождается при контакте верхнего или нижнего упора с поршнем. Указанная система может быть выполнена с возможностью работы с рабочим флюидом с вязкостью, меньшей чем 4·10^-3 Па·c.

Для достижения заявленного технического результата разработана погружная насосная система с гидроприводом, которая содержит внешний корпус насоса, всасывающий клапан, управляющий движением флюида в указанный корпус насоса, выпускной клапан, управляющий движением флюида из указанного корпуса насоса, внутренний корпус, соединенный с внешним корпусом насоса, поршень, подвижный в осевом направлении относительно внутреннего корпуса, при этом положение поршня изменяется между выдвинутым положением и втянутым положением, при этом в выдвинутом положении указанный поршень выдвинут дальше во внешнем корпусе, клапан насоса, который соединен с внутренним корпусом, при этом клапан насоса может находиться в первом положении, в котором указанный клапан насоса подает рабочий флюид так, что поршень перемещается в выдвинутое положение, и во втором положении, в котором клапан насоса подает рабочий флюид так, что поршень перемещается во втянутое положение; верхний упор, который соединен с клапаном насоса так, что клапан насоса перемещается в первое положение, когда верхний упор находится в контакте с поршнем, находящимся во втянутом положении, и нижний упор, который соединен с клапаном насоса так, что клапан насоса перемещается во второе положение, когда указанный нижний упор находится в контакте с указанным поршнем в выдвинутом положении. Клапан насоса может находиться в гидравлической связи с источником рабочего флюида. Внешний корпус насоса может соединяться с внутренним корпусом насоса гибким соединением. Указанная система может содержать диафрагму, соединенную с внешним корпусом насоса так, что внешний корпус насоса разделяется на рабочую камеру и насосную камеру, причем поршень расположен внутри рабочей камеры, всасывающий и выпускной клапаны, которые управляют движением флюида в насосную камеру. Указанная система может содержать корпус клапана, соединенный с внутренним корпусом, и золотник с центральным каналом, который поддерживает верхний упор и нижний упор, при этом центральный канал частично расположен внутри поршня. Поршень может включать фланец, окружающий центральный канал, который расположен между верхним упором и нижним упором, при этом фланец имеет внешний край, входящий в герметичный контакт с внутренним корпусом, и внутренний край, входящий в герметичный контакт с центральным каналом так, что внутри корпуса клапана образуется камера корпуса и поршневая камера. В указанной системе первая линия подачи флюида может подавать рабочий флюид при первом давлении к клапану насоса, а вторая линия подачи флюида подает рабочий флюид при втором давлении к клапану насоса. Камера корпуса и поршневая камера могут находиться в гидравлической связи с первой линией подачи флюида при перемещении поршня в выдвинутое положение. Указанная система может быть выполнена так, что при перемещении поршня во втянутое положение камера корпуса находится в гидравлической связи со второй линией подачи флюида, и поршневая камера находится в гидравлической связи с первой линией подачи флюида. Золотник может содержать фиксатор, который разъемным образом соединяет золотник с указанным корпусом клапана, когда клапан насоса находится в первом или втором положении, при этом фиксатор освобождается, когда верхний упор или нижний упор контактирует с указанным поршнем. Указанную систему можно выполнить с возможностью работы с рабочим флюидом с вязкостью, меньшей чем 4·10^-3 Па·c.

Для достижения указанного технического результата способ насосной подачи, в котором размещают насосную установку с поршнем, подвижным относительно ее внутреннего корпуса, в скважине, перемещают поршень в выдвинутое положение путем подачи рабочего флюида к клапану насоса, находящемуся в первом положении, смещают клапан насоса во второе положение посредством контакта поршня с нижним упором, когда поршень находится в выдвинутом положении, перемещают поршень во втянутое положение путем подачи рабочего флюида к клапану насоса, находящемуся во втором положении, смещают клапан насоса в первое положение посредством контакта поршня с верхним упором, когда поршень находится во втянутом положении. В способе насосную установку можно расположить во внешнем корпусе со всасывающим и выпускным клапанами, при этом перемещением поршня во втянутое положение обеспечивают всасывание флюида из скважины в корпус флюида через всасывающий клапан, при этом перемещением поршня в выдвинутое положение обеспечивают отвод флюида из корпуса через выпускной клапан. В способе можно сделать так, что диафрагмой разделяют корпус насоса на рабочую камеру и насосную камеру, причем поршень располагают внутри рабочей камеры, управляют движением флюида в насосную камеру и из нее всасывающими и выпускными клапанами. Способ может быть выполнен так, что рабочий флюид выпускают в скважину во время перемещения поршня во втянутое положение.

Таким образом, варианты данного изобретения включают погружную насосную систему, в которой имеется подвижный в осевом направлении относительно корпуса поршень, положение которого изменяется между выдвинутым положением и втянутым положением. Клапан насоса соединен с корпусом и может принимать первое положение, в котором клапан насоса подает рабочий флюид таким образом, что поршень перемещается в выдвинутое положение, и второе положение, в котором клапан насоса подает рабочий флюид таким образом, что поршень перемещается во втянутое положение. Насосная система включает также верхний упор, который соединен с клапаном насоса таким образом, что клапан перемещается в первое положение, когда верхний упор находится в контакте с поршнем, находящимся во втянутом положении. Насосная система включает также нижний упор, который соединен с клапаном насоса таким образом, что клапан насоса перемещается во второе положение, когда нижний упор находится в контакте с поршнем в выдвинутом положении.

Варианты данного изобретения включают сочетание признаков и преимуществ, позволяющих значительно усовершенствовать погружные насосные системы. Эти и различные другие отличительные черты и преимущества данного изобретения будут легко поняты специалистами в данной области после прочтения следующего далее подробного описания предпочтительных вариантов изобретения с помощью ссылок на сопровождающие чертежи.

Краткое описание чертежей

Для понимания деталей данного изобретения даются ссылки на следующие сопровождающие чертежи:

Фиг.1 - схематический вид в разрезе погружной насосной установки, показанной в первом положении;

Фиг.2 - погружная насосная установка фиг.1, показанная во втором положении;

Фиг.3 - схематический вид в разрезе погружной насосной установки, показанной в первом положении;

Фиг.4 - погружная насосная установка фиг.3, показанная во втором положении;

Фиг.5 - схематический вид в разрезе погружной насосной установки;

Фиг.6 - частичный вид в разрезе уплотнения поршня;

Фиг.7 - схематический вид в разрезе насосной установки, состоящей из сочлененных секций.

Осуществление изобретения

В следующем далее описании и на чертежах соответственно одинаковые или сходные детали или части всюду помечены одинаковыми ссылочными номерами. Детали на чертежах необязательно представлены в правильном масштабе. Некоторые признаки изобретения могут быть представлены в преувеличенном масштабе или в несколько схематичной форме, а некоторые детали общеизвестных элементов могут быть для большей ясности опущены.

Обратимся к фиг.1 и 2, где показана насосная установка 10, включающая внутренний корпус 12, поршень 14, клапан 16 насоса, корпус 18 клапана и цилиндрический золотник клапана (далее - "золотник") 20. Линии 22, 24 подачи флюида под давлением (далее также - "напорные линии") подают рабочий флюид к клапану 16 насоса. Клапан 16 насоса позволяет поршню 14 под действием флюида, подаваемого по линиям 22 и 24 подачи флюида, перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 18 клапана и корпуса 12. Насосная установка 10 расположена во внешнем корпусе 11 насоса, находящегося внутри скважины 13. Внешний корпус 11 насоса включает входной, или всасывающий, клапан 15 и выходной, или выпускной, клапан 17, которые управляют движением флюида через насосную камеру 21. Диафрагма 19 может быть соединена с корпусом 12 таким образом, что в ней находится поршень 14 внутри рабочей камеры 23, которая изолирована от скважинных флюидов, находящихся в насосной камере 21.

На фиг.1 показана насосная установка 10 в состоянии, в котором поршень выдвинут, в этом состоянии поршень 14 максимально выдвинут из корпуса 12. Когда поршень 14 выдвигается, давление в насосной камере 21 и в рабочей камере 23 увеличивается, благодаря чему открывается выпускной клапан 17, и флюид поступает в насосно-компрессорную колонну 25. На фиг.2 показана насосная установка 10 в состоянии, в котором поршень втянут; в этом состоянии поршень максимально втянут в корпус 12. Когда поршень 14 втягивается в корпус 12, давление внутри насосной камеры и рабочей камеры 23 уменьшается, благодаря чему открывается всасывающий клапан 15, и флюид всасывается из скважины в насосную камеру. Таким образом, скважинные флюиды прокачиваются вверх через насосно-компрессорную колонну 25 поршнем 14 при его возвратно-поступательном движении между выдвинутым и втянутым положениями.

Возвратно-поступательное движение поршня 14 производится клапаном 16 насоса, включающим корпус 18 клапана и золотник 20. Золотник 20 включает фиксирующий механизм (далее - "фиксатор") 26, центральный канал 28, верхний упор 30 и нижний упор 32. Поршень 14 является, в общем, полым элементом, включающим фланец 34, который окружает центральный канал 28 и находится между верхним упором 30 и нижним упором 32.

Внешний край фланца 34 находится в герметичном контакте с корпусом 12, а внутренний край фланца находится в герметичном контакте с центральным каналом 28. Герметичный контакт фланца 34 изолирует флюид, находящийся в камере 36 корпуса, от флюида, находящегося в поршневой камере 38.

Обратимся теперь к фиг.1, где показано, как флюид высокого давления поступает через линию 22 подачи флюида при давлении, более высоком, чем давление флюида, в который погружена насосная установка 10. Флюид высокого давления поступает через отверстие 39 в камеру 36 корпуса и через центральный канал 28 в поршневую камеру 38. Хотя гидравлическое давление по разные стороны фланца 34 сбалансировано, флюид высокого давления в камерах 36 и 38 вызывает несбалансированность давления по разные стороны поршня 14, что заставляет поршень выдвигаться из корпуса 12. Поршень 14 будет выдвигаться до тех пор, пока фланец 34 не войдет в контакт с нижним упором 32.

Когда фланец 34 войдет в контакт с нижним упором 32, движение выдвигающегося поршня 14 заставит золотник 20 двигаться вниз вместе с поршнем. Движение вниз золотника 20 заставит фиксатор 26 освободить золотник и позволить ему двигаться вместе с поршнем 14. Золотник 20 перемещается до тех пор, пока фиксатор 26 не войдет в некоторый момент в зацепление, когда золотник займет положение, соответствующее втянутому состоянию поршня, как показано на фиг.2. Когда поршень втянут, камера 36 корпуса находится в гидравлической связи с напорной линией 24, тогда как поршневая камера 38 остается в гидравлической связи с напорной линией 22.

Напорная линия 24 подает флюид низкого давления в насосную установку 10. Когда золотник 20 находится в положении, соответствующем втянутому положению поршня, как показано на фиг.2, напорная линия 24 флюида низкого давления находится в гидравлической связи с камерой 36 корпуса. Флюид высокого давления в напорной линии 22 остается в гидравлической связи с поршневой камерой 38. Разность давлений по разные стороны фланца 34 заставляет фланец и поршень 14 двигаться вверх, то есть заставляет поршень втягиваться в корпус 12. Поршень 14 продолжает втягиваться до тех пор, пока не войдет в контакт с верхним упором 30.

Когда фланец 34 находится в контакте с верхним упором 30, движение втягиваемого поршня 14 заставляет золотник 20 двигаться вверх вместе с поршнем. Движение вверх золотника 20 заставляет фиксатор 26 освободить золотник и позволить ему двигаться вместе с поршнем 14. Золотник 20 перемещается до тех пор, пока фиксатор 26 не войдет в некоторый момент в зацепление, когда золотник достигнет положения, соответствующего выдвинутому положению поршня, как показано на фиг.1. Когда поршень втянут, обе камеры 36 и 38 находятся в гидравлической связи с напорной линией 22, и цикл повторяется.

На фиг.3 и 4 показана альтернативная конструкция погружной насосной установки 40, которая включает корпус 42, поршень 44, клапан 46 насоса, корпус 48 клапана и золотник 50. Напорные линии 52, 54 флюида подают гидравлический флюид к клапану 46. Клапан 46 насоса позволяет поршню 44 перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 48 клапана и корпуса 42 под действием флюида, подаваемого через линии 52 и 54 подачи флюида. Насосная установка 40 находится внутри корпуса 70 насоса, который расположен в скважине 72. Корпус 70 насоса содержит всасывающий клапан 74, выпускной клапан 76 и диафрагму 78. Диафрагма 78 изолирует флюиды скважины внутри насосной камеры 80 от рабочей камеры 82.

На фиг.3 показана насосная установка 40 в состоянии, когда поршень выдвинут; в этом состоянии поршень 44 максимально выдвинут из корпуса 42. Когда поршень 44 выдвигается, давление в насосной камере 80 и в рабочей камере 82 увеличивается, благодаря чему открывается выпускной клапан 76, и флюид поступает в насосно-компрессорную колонну. На фиг.4 показана насосная установка 40 в состоянии, когда поршень втянут; в этом состоянии поршень 44 максимально втянут в корпус 42. Когда поршень 44 втягивается в корпус 42, давление внутри насосной камеры 80 и рабочей камеры 82 уменьшается, благодаря чему открывается всасывающий клапан 74, и флюид всасывается из скважины в насосную камеру. Таким образом, скважинные флюиды прокачиваются вверх через насосно-компрессорную колонну поршнем 44 при его возвратно-поступательном движении между выдвинутым и втянутым положениями.

Возвратно-поступательное движение поршня 44 производится клапаном 46 насоса, включающим корпус 48 клапана и золотник 50. Золотник 50 включает фиксатор 56, центральный канал 58, верхний упор 60 и нижний упор 62.

Поршень 44 является, в общем, полым элементом, включающим фланец 64, окружающий центральный канал 58 и находящийся между верхним упором 60 и нижним упором 62. Внешний край фланца 64 находится в герметичном контакте с корпусом 42, а внутренний край фланца находится в герметичном контакте с центральным каналом 58. Герметичный контакт фланца 64 изолирует флюид внутри камеры 66 корпуса от флюида внутри поршневой камеры 68.

Обратимся теперь к фиг.3, где показано, как флюид низкого давления поступает через линию 52 подачи флюида при давлении, более высоком, чем давление флюида, в который погружена насосная установка 40. Флюид низкого давления поступает через отверстие в камере 66 корпуса и через центральный канал 58 - в поршневую камеру 68. Хотя гидравлическое давление по разные стороны фланца 64 сбалансировано, флюид высокого давления в камерах 66 и 68 вызывает несбалансированность давлений по разные стороны поршня 44, что заставляет поршень выдвигаться из корпуса 42. Поршень 44 будет выдвигаться до тех пор, пока фланец 64 не войдет в контакт с нижним упором 62.

Когда фланец 64 войдет в контакт с нижним упором 62, движение выдвигающегося поршня 44 заставит золотник 50 двигаться вместе с поршнем вниз. Движение вниз золотника 50 заставляет фиксатор 56 освободить золотник и позволить ему двигаться вместе с поршнем 44. Золотник 50 перемещается до тех пор, пока фиксатор 56 не войдет в некоторый момент в зацепление, когда золотник займет положение, соответствующее втянутому состоянию поршня, как показано на фиг.4. Когда поршень втянут, камера 66 корпуса остается в гидравлической связи с напорной линией 52, тогда как поршневая камера 68 остается в гидравлической связи с напорной линией 54.

Напорная линия 54 подает флюид высокого давления в насосную установку 40. Когда золотник 50 находится в положении, соответствующем втянутому положению поршня, как показано на фиг.4, напорная линия 54 флюида высокого давления находится в гидравлической связи с камерой 66 корпуса. Разность давлений, возникающая по разные стороны фланца 64, заставляет фланец и поршень 44 двигаться вверх, то есть заставляет поршень втягиваться в корпус 42. Поршень 44 продолжает втягиваться до тех пор, пока он не войдет в контакт с верхним упором 60.

Когда фланец 64 находится в контакте с верхним упором 60, движение втягиваемого поршня 44 заставляет золотник 50 двигаться вверх вместе с поршнем. Движение вверх золотника 50 заставляет фиксатор 56 освободить золотник и позволить ему двигаться вместе с поршнем 44. Золотник 50 перемещается до тех пор, пока фиксатор 56 не войдет в некоторый момент в зацепление, когда золотник достигнет положения, соответствующего выдвинутому положению поршня, как показано на фиг.3. Когда поршень втянут, обе камеры 66 и 68 находятся в гидравлической связи с напорной линией 52, и цикл повторяется.

Должно быть понятно, что любой из узлов насосного клапана, таких как описанные выше, может использоваться в любой из описанных насосных установок и в ряде других погружных и непогружных насосов. Погружные насосы, в которых применяются клапаны насоса, такие, как здесь описанные, можно ввести в скважину через колонну, с помощью стальных канатов или опустить в скважину с использованием соединенных с насосной установкой линий подвода флюидов. В некоторых вариантах линии подвода флюидов могут быть объединены в насосно-компрессорные колонны и соединены с насосной установкой с помощью специально сконструированного посадочного ниппеля колонны или другого соединительного устройства.

В погружных насосах можно в качестве рабочего флюида использовать любой флюид. Погружные насосы могут приводиться в действие с помощью рабочего флюида, имеющего малую вязкость, с целью снизить потерю напора при движении флюида через линии подачи флюида. В некоторых вариантах рабочим флюидом может быть вода, вода в смеси с обеспечивающими износостойкость добавками или антифризами, или другим флюидом, имеющим вязкость, меньшую чем 4×10^-3 Па × с. Нагнетание флюида, имеющего малую вязкость, может потребовать применения специально разработанных насосных систем.

В некоторых вариантах насосная система для флюида малой вязкости может включать два флюида, разделенных некоторым барьером. Создание давления и функции управления могут осуществляться с помощью флюида более высокой вязкости, а мощность может передаваться к погружному насосу флюидом малой вязкости. Барьер, реализованный, например, на основе резинового мембранного аккумулятора, несмешивающихся флюидов или гидромультипликаторов давления, разделяет два флюида и позволяет эффективно передавать давление от одного флюида к другому.

Мультипликаторы давления флюидов (fluid intensifiers) функционируют в гидравлических системах, преобразуя скорость потока в давление для увеличения давления и уменьшения скорости потока с целью снижения потерь. Мультипликаторы давления могут применяться в системах, в которых в главном гидронасосе используются флюиды высокой вязкости. Например, если система, в которой используются флюиды высокой вязкости, может получать флюид под давлением 2500 фунтов на квадратный дюйм, то для увеличения давления в системе, где используются флюиды низкой вязкости, до 5000 фунтов на квадратный дюйм при уменьшении скорости потока в два раза, может применяться двукратный мультипликатор давления. Сходная, но работающая "в обратном режиме" конструкция может использоваться вблизи погружного насоса для увеличения скорости потока в направлении выдвижения цилиндра насоса для того, чтобы насос работал с более высокой скоростью, но при менее высоком давлении.

В некоторых вариантах размеры напорных линий, по которым флюиды поступают к погружному насосу, могут быть выбраны такими, что будут улучшены скоростные параметры флюидов, протекающих через линию. Погружные насосы действуют в режиме выдвижения и режиме втягивания. В режиме низкого давления, когда поршень выдвигается, используется большее количество флюида на единицу величины перемещения, и, следовательно, необходима большая скорость потока, чем в режиме высокого давления, когда поршень втягивается. Поэтому в некоторых вариантах напорная линия, соединенная со стороной клапана, соответствующей выдвижению, может иметь больший диаметр, чем напорная линия, соединенная со стороной, соответствующей втягиванию.

В некоторых вариантах погружной насос может иметь только одну напорную линию, по которой рабочий флюид подается к насосу. Рабочий флюид, выходящий из насоса, поступает в насосно-компрессорную колонну и возвращается на поверхность вместе со скважинным флюидом. На фиг.5 показана имеющая одну напорную линию погружная насосная установка 90, в которой рабочий флюид поступает к насосу через линию 92 подачи флюида. Как и в случае насосной установки 40, описанной выше, рабочий флюид, поступающий по линии 92 подачи флюида, обеспечивает передачу мощности, необходимой для выдвижения и втягивания поршня 94. Когда поршень 94 втягивается, рабочий флюид удаляется из насосной установки 90 через выход 96.

Таким образом, обратный поток флюида от стороны низкого давления насосной установки 90 смешивается с поднимаемым скважинным флюидом и возвращается на поверхность через насосно-компрессорную колонну 98. При использовании такой конфигурации могут быть получены существенные преимущества, особенно, если рабочий флюид либо является водой, которую можно отфильтровывать на поверхности и возвращать к гидравлическому насосу, либо является газом или флюидом, полученным с помощью пенообразующего агента. Если рабочим флюидом является газ или вспененный флюид, то при смешивании выходящего из клапана флюида с поднимаемым флюидом образуются пузырьки 100. Пузырьки 100 снижают плотность флюида в столбе поднимаемого флюида, тем самым, уменьшая нагрузку на насос. В некоторых диапазонах параметров функционирования насос может работать на одной лишь химической энергии, высвобождаемой реакцией вспенивания.

В описанных выше вариантах движение поршня приводит к тому, что скважинные флюиды втягиваются и затем удаляются через запорные (односторонние) клапаны, благодаря чему осуществляется нагнетающее воздействие. Внутри диафрагмы содержится чистый флюид, которой смешивается с флюидом, находящимся в цилиндре; диафрагма служит барьером между поднимаемым скважинным флюидом и областью вблизи уплотнения поршня. Уплотнение поршня, как и другие средства герметизации в цилиндре, обычно изготовляется из упругого материала и служит для того, чтобы обеспечить нулевой зазор с помощью форсированного силой упругости контакта между уплотнением и штоком поршня. При отсутствии диафрагмы уплотнения подвергались бы действию осколочных частиц, что существенно сократило бы срок эксплуатации насоса.

В некоторых вариантах упругое уплотнение поршня может быть заменено бесконтактным уплотнением поршня, которое функционирует благодаря жестко ограниченной траектории и твердым материалам, обеспечивающим герметичность. Обратимся к фиг.6, где насосная установка 110 включает поршень 112, цилиндр 114 и бесконтактное уплотнение 116 поршня между ними. Уплотнение 116 поршня имеет небольшой зазор 118, порядка 1.25·10^-5 м, и имеет значительную протяженность 120, по крайней мере, в 5000 раз большую, чем величина зазора. В некоторых вариантах расположенные друг против друга (далее - "смежные") поверхности поршня и/или цилиндра могут иметь структурные особенности, вызывающие турбулентность (не показаны), например, канавки или углубления.

Смежные поверхности могут также включать жесткие материалы и/или покрытия, обеспечивающие гладкость и износоустойчивость поверхностей в области герметизации. Предпочтительно, чтобы применяемые материалы обладали более высокой твердостью, чем любые осколки материалов, взаимодействие с которыми возможно в данном применении. Примерами таких материалов могут служить твердый хром, карбид, алмаз, азотированная сталь, карбидная сталь и неметаллические материалы, такие как керамика, включая керамические покрытия. Могут применяться и другие подобные материалы.

Так как рабочий флюид будет медленно просачиваться через уплотнение 116, предпочтительно, чтобы система с бесконтактным уплотнением могла восполнять неизбежную потерю рабочего флюида.

Поступление флюида через уплотнение 116 может иметь и положительный эффект. Во-первых, такой эффект имеет место, когда рабочий флюид содержит вещества, уменьшающие коррозию или обеспечивающие протекание в скважине благоприятных химических реакций. В некоторых вариантах поступление рабочего флюида через уплотнение может оказаться достаточным для того, чтобы отпала необходимость в применении вспомогательного насоса высокого давления для химически активных веществ, обычно используемого в сочетании со скважинными насосными системами для введения таких веществ. Во-вторых, поток чистого рабочего флюида через уплотнение может уносить от уплотнения осколочные частицы, что уменьшает возможность повреждения уплотнения или его засорения осколочными частицами. В некоторых вариантах для дальнейшего усиления защиты зазора может быть применено устройство, подобное стеклоочистителю, направляющее частицы от уплотнения.

Многие скважины проходятся в горизонтальном направлении с целью увеличения контакта между скважиной и резервуаром углеводородов. Связанные с насосами операции для таких горизонтальных скважин могут осложняться проблемами, возникающими из-за кривизны обсадной трубы, создающей необходимость перемещения погружного насоса в горизонтальные секции скважины через изогнутые участки. Таким образом, погружные насосные системы могли бы использоваться для более широкого множества скважин, если бы погружной насос мог легко перемещаться через изогнутые и отклоняющиеся от прямой линии участки скважины. Чтобы получить возможность легко перемещать погружной насос через изогнутые и отклоняющиеся от прямой линии участки, суммарная длина жестких секций насоса должна быть такой, что насос сможет пройти через изогнутые участки обсадной трубы. В случаях, когда это не может быть достигнуто простым уменьшением габаритов насоса, насос может быть сконструирован в виде сочлененной конструкции, в которой жесткая часть подразделяется на гибко соединенные между собой секции меньшей длины, как показано на фиг.7. Гибкие соединения могут быть специально разработанными сочленениями или представлять собой гибкие шланги, обеспечивающие гидравлическую связь между смежными секциями.

На фиг.7 показана погружная насосная установка 200, состоящая из сочлененных секций, включающая силовую секцию 202, гидравлическую секцию 204 и клапанную секцию 206. Силовая секция 202 соединена с гидравлической секцией 204 гибким соединением 208. Гидравлическая секция 204 соединена с клапанной секцией 206 гибким соединением 210. Силовая секция 202 включает клапан 212 насоса, в котором имеются золотник 214 и поршень 216. Клапанная секция 206 включает всасывающий клапан 218, выпускной клапан 220 и диафрагму 222. Нагнетательные линии флюида подают гидравлический флюид к клапанной секции 206.

Предпочтительно, чтобы гибкие соединения 208 и 210, которые соединяют смежные секции насосной установки 200, могли противостоять толкающим и тяговым усилиям, прилагаемым к насосу, а также давлению, развиваемому насосной системой. Когда насосная установка 200 перемещается через угловой или изогнутый участок скважины, гибкие соединения 208 и 210 позволяют соединенным между собой секциям 202, 204 и 206 изменять ориентацию относительно друг друга таким образом, что насосная установка может пройти через угловой или изогнутый участок скважины.

Предпочтительные варианты данного изобретения относятся к оборудованию для подъема флюидов из скважины. Данное изобретение дает возможность реализовывать варианты в различной форме. Подробно проиллюстрированы чертежами и описаны конкретные варианты данного изобретения, но следует иметь в виду, что данное раскрытие изобретения должно рассматриваться как иллюстрирующее на примерах принципы изобретения и не имеет целью ограничить изобретение приведенными здесь иллюстрирующими примерами и описанием. В частности, различные варианты данного изобретения дают возможность разрабатывать оборудование и способы для улучшения функционирования погружной насосной системы. Изложение относится к применению концепций данного изобретения к погружным насосным системам, но использование концепций данного изобретения не ограничено таким применением и может служить в любых других применениях, включая другие системы, в которых используется возвратно-поступательное движение. Должно быть совершенно понятно, что для достижения желаемых результатов различные описания обсуждаемых вариантов можно использовать по отдельности или в любых подходящих сочетаниях.

Варианты, здесь описанные, являются лишь иллюстрирующими и не ограничивают охватываемую изобретением область и подробности. Должно быть ясно, что могут быть созданы многие другие модификации и усовершенствования в отношении данного здесь раскрытия изобретения без выхода за пределы охватываемой изобретением области и раскрытых здесь концепций. Так как возможны многочисленные варианты, в которых изменения и модификации изобретения остаются в рамках описанной здесь концепции изобретения, включая такие эквивалентные конструкции и материалы, которые могут быть предложены в будущем, и так как возможны многочисленные модификации вариантов, описанных здесь подробно в соответствии с юридическими требованиями к описаниям, должно быть ясно, что приведенные здесь детали должны интерпретироваться как имеющие иллюстративный, а не ограничительный смысл.

Изобретение относится к насосному машиностроению и нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в способах и оборудовании для погружных насосов, при насосно-компрессорной добыче нефти и газа из малодебитных скважин. Погружная насосная система включает подвижный в осевом направлении относительно корпуса поршень, положение которого изменяется между выдвинутым положением и втянутым положением. Клапан насоса, соединенный с корпусом, может находиться в первом положении, в котором клапан насоса подает рабочий флюид таким образом, что поршень перемещается в выдвинутое положение, и во втором положении, в котором клапан насоса подает рабочий флюид таким образом, что поршень перемещается во втянутое положение. Насосная система включает также верхний упор, который соединен с клапаном насоса таким образом, что клапан насоса перемещается в первое положение, когда верхний упор контактирует с поршнем во втянутом положении. Насосная система включает также нижний упор, который соединен с клапаном насоса таким образом, что клапан насоса перемещается во второе положение, когда нижний упор контактирует с поршнем в выдвинутом положении. Уменьшается стоимость установки и увеличивается эффективность работы. 3 н. и 24 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Погружная насосная система, включающая в себя внешний корпус, внутренний корпус, поршень, установленный с возможностью перемещения между выдвинутым и втянутым положением в осевом направлении относительно указанного внутреннего корпуса, клапан насоса, связанный с внутренним корпусом и имеющий первое положение подачи рабочего флюида и перемещения поршня в выдвинутое положение, второе положение подачи флюида и перемещения поршня во втянутое положение, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя верхний упор, связанный с клапаном насоса при перемещении указанного клапана в первое положение и при контакте верхнего упора в контакте с поршнем, расположенным во втянутом положении, и нижний упор, связанный с клапаном насоса при перемещении указанного клапана во второе положение при контакте нижнего упора с указанным поршнем в выдвинутом положении.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она имеет источник рабочего флюида, связанный с клапаном насоса посредством магистрали рабочего флюида.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит всасывающий клапан управления движением флюида во внешний корпус насоса и выпускной клапан управления движением флюида из внешнего корпуса насоса, при этом внешний корпус связан с внутренним корпусом.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит диафрагму, связанную с внутренним корпусом с образованием внутри внешнего корпуса рабочей камеры и насосной камеры, при этом поршень расположен внутри рабочей камеры, а всасывающий и выпускной клапаны установлены с возможностью управления движением флюида в насосную камеру и из нее.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что внешний корпус насоса связан с внутренним корпусом насоса посредством гибкого соединения.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что клапан насоса содержит корпус клапана, связанный с внутренним корпусом, золотник с центральным каналом, который поддерживает верхний упор и нижний упор, при этом центральный канал частично расположен внутри указанного поршня.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что поршень имеет фланец, окружающий центральный канал и расположенный между верхним упором и нижним упором, при этом внешний край фланца расположен в герметичном контакте с внутренним корпусом, а внутренний край фланца расположен в герметичном контакте с центральным каналом с образованием внутри внутреннего корпуса клапана камеры корпуса и поршневой камеры.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что она содержит первую и вторую линии подачи флюида, причем первая линия подачи флюида подает рабочий флюид при первом давлении к указанному клапану насоса, а вторая линия подачи флюида подает рабочий флюид при втором давлении к указанному клапану насоса.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что поршневая камера и камера внутреннего корпуса связаны каналом флюида с первой линией подачи флюида при перемещении поршня в выдвинутое положение.

10. Система по п.8, отличающаяся тем, что при положении поршня во втянутом положении камера корпуса связана каналом флюида со второй линией подачи флюида, а поршневая камера связана каналом флюида с первой линией подачи флюида.

11. Система по п.6, отличающаяся тем, что золотник снабжен фиксирующим механизмом, соединяющим разъемным образом золотник с корпусом клапана при расположении клапана насоса в первом или втором положении, в которых фиксирующий механизм освобождается при контакте верхнего или нижнего упора с поршнем.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы с рабочим флюидом с вязкостью, меньшей чем 4·10^-3 Па × с.

13. Погружная насосная система, включающая в себя внешний корпус насоса, всасывающий клапан управления движением флюида в указанный корпус насоса, выпускной клапан управления движением флюида из указанного корпуса насоса, внутренний корпус, связанный с внешним корпусом насоса, поршень, установленный с возможностью перемещения в осевом направлении относительно внутреннего корпуса между выдвинутым положением и втянутым положением и с возможностью дальнейшего перемещения в выдвинутом положении во внешнем корпусе, клапан насоса, соединенный с внутренним корпусом и имеющий первое положение подачи рабочего флюида для перемещения поршня в выдвинутое положение, и второе положение подачи рабочего флюида для перемещения поршня во втянутое положение, отличающаяся тем, что она дополнительно включает верхний упор, связанный с клапаном насоса с возможностью перемещения клапана насоса в первое положение при контакте верхнего упора с поршнем, расположенным во втянутом положении, и нижний упор, связанный с клапаном насоса с возможностью перемещения клапана насоса во второе положение при контакте указанного нижнего упора с указанным поршнем в выдвинутом положении.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что она содержит источник рабочего флюида, связанный с клапаном насоса посредством магистрали рабочего флюида.

15. Система по п.13, отличающаяся тем, что внешний корпус насоса связан с внутренним корпусом насоса посредством гибкого соединения.

16. Система по п.13, отличающаяся тем, что она содержит диафрагму, связанную с внешним корпусом насоса с образованием деления внешнего корпуса насоса на рабочую камеру и насосную камеру, причем поршень расположен внутри рабочей камеры, а всасывающий и выпускной клапаны установлены с возможностью управления движением флюида в насосную камеру и из нее.

17. Система по п.13, отличающаяся тем, что она содержит корпус клапана, связанный с внутренним корпусом, и золотник с центральным каналом, который поддерживает верхний упор и нижний упор, при этом центральный канал частично расположен внутри поршня.

18. Система по п.17, отличающаяся тем, что поршень имеет фланец, окружающий центральный канал и расположенный между верхним упором и нижним упором, при этом внешний край фланца расположен в герметичном контакте с внутренним корпусом, а внутренний край фланца расположен в герметичном контакте с центральным каналом с образованием внутри внутреннего корпуса клапана камеры корпуса и поршневой камеры.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что она содержит первую и вторую линии подачи флюида, причем первая линия подачи флюида подает рабочий флюид при первом давлении к клапану насоса, а вторая линия подачи флюида подает рабочий флюид при втором давлении к клапану насоса.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что поршневая камера и камера внутреннего корпуса связаны каналом флюида с первой линией подачи флюида при перемещении поршня в выдвинутое положение.

21. Система по п.19, отличающаяся тем, что при положении поршня во втянутом положении камера внутреннего корпуса связана каналом флюида со второй линией подачи флюида, а поршневая камера связана каналом флюида с первой линией подачи флюида.

22. Система по п.17, отличающаяся тем, что золотник снабжен фиксирующим механизмом, соединяющим разъемным образом золотник с указанным корпусом клапана при расположении клапана насоса в первом или втором положении, в которых фиксирующий механизм освобождается при контакте верхнего или нижнего упора с указанным поршнем.

23. Система по п.13, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работы с рабочим флюидом с вязкостью, меньшей чем 4·10^-3 Па × с.

24. Способ насосной подачи, в котором размещают насосную установку с поршнем, подвижным относительно ее внутреннего корпуса, в скважине, перемещают поршень в выдвинутое положение посредством подачи рабочего флюида к клапану насоса, находящемуся в первом положении, смещают клапан насоса во второе положение, перемещают поршень во втянутое положение посредством подачи рабочего флюида к клапану насоса, находящемуся во втором положении, и смещают клапан насоса в первое положение, отличающийся тем, что смещение клапана насоса во второе положение осуществляют посредством контакта поршня с нижним упором при выдвинутом положении поршня; а смещение клапана насоса в первое положение осуществляют посредством контакта поршня с верхним упором при втянутом положении поршня.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что насосную установку располагают во внешнем корпусе со всасывающим и выпускным клапанами, при этом перемещением поршня во втянутое положение обеспечивают всасывание флюида из скважины в корпус флюида через всасывающий клапан, причем перемещением поршня в выдвинутое положение обеспечивают отвод флюида из корпуса через выпускной клапан.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что разделяют посредством диафрагмы корпус насоса на рабочую камеру и насосную камеру, причем поршень располагают внутри рабочей камеры и управляют движением флюида в насосную камеру и из нее всасывающими и выпускными клапанами.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что выпускают рабочий флюид в скважину при перемещении поршня во втянутое положение.