СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к скважинным насосным установкам со штанговыми приводами для подъема жидкости из скважин с больших глубин, особенно из сильно искривленных скважин, с высоковязкими нефтями, с большим содержанием твердых частиц и с большим газовым фактором.

Известна насосная установка для подъема жидкости из скважины, содержащая гидроприводной диафрагменный насос, выполненный с кожухом, образующим внутри кожуха полость, и размещенной в кожухе эластичной диафрагмой, разделяющей полость на камеры для приводной и откачиваемой жидкостей, из которых камера для откачиваемой жидкости сообщена через всасывающий клапан, расположенный со стороны нижней торцевой стенки камеры со скважиной, а через нагнетательный клапан, расположенный со стороны верхней торцевой стенки, - с каналом отвода откачиваемой жидкости в колонну подъемных труб, а камера для приводной жидкости сообщена каналом приводной жидкости с источником ее подачи, причем в камере для откачиваемой жидкости вдоль ее стенок установлена перфорированная стенка, формирующая поверхность контакта с эластичной диафрагмой при избыточном давлении в камере для приводной жидкости (см. RU 2090779 С1, 20.09.1997).

Недостатком вышеупомянутой насосной установки для подъема жидкости из скважины является ограниченный объем приводной жидкости в рабочей камере погружного гидропривода, что приводит к уменьшению ее объема в процессе работы насоса и, как следствие, к уменьшению подачи насоса. Кроме того, верхняя часть подвижного плунжера гидропривода соприкасается с откачиваемой жидкостью, содержащей агрессивную среду и твердые частицы, которые уменьшают срок службы подвижного плунжера гидропривода и его верхнего уплотнения. Попытка добавить некоторое количество приводной жидкости посредством установки расширительного бачка также не устраняет вышеизложенные недостатки (см. RU 2292488 С1, 23.08.2005).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является глубинный плунжерный насос, содержащий корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб. Управляющая камера с приводной жидкостью отделена при помощи перегородки от насосной камеры. Между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью, с образованием гидрозатвора. В управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный посредством штока с колонной штанг. Верхняя часть плунжера размещена в разделительной камере. Последняя образована над управляющей камерой и отделена от нее цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, и заполнена разделительной жидкостью, отделенной от находящейся в колонне насосно-компрессорных труб перекачиваемой жидкости свободно перемещающимся разделителем, уплотненным относительно внутренней стенки корпуса и штока соответственно наружным и внутренним кольцевыми уплотнениями, (см. RU 2413095 С1, 06.11.2009).

Недостатком вышеупомянутой насосной установки для подъема жидкости из скважины является ограниченный объем приводной жидкости в рабочей камере погружного гидропривода и невозможность ее пополнения.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в полной изоляции и защите приводного плунжера гидроприводного объемного насоса от негативного воздействия откачиваемой жидкости и ее ингредиентов, в размещении смазывающей жидкости между трущимися поверхностями и возможности добавления приводной жидкости в рабочую камеру привода объемного насоса.

Технический результат заключается в повышении надежности работы насоса при увеличении срока его межремонтной эксплуатации и уменьшение энергии, затрачиваемой на работу скважинной штанговой насосной установки.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в скважинной насосной установке, состоящей из лифтовой колонны, подвижной длинномерной гибкой штанги, расположенной внутри неподвижной длинномерной гибкой трубы с образованием кольцевого пространства, заполненного смазывающей жидкостью, длинномерная гибкая штанга соединена своим верхним концом с источником возвратно-поступательного движения и нижним концом с плунжером погружного гидропривода объемного насоса, в котором приводная жидкость в рабочей камере погружного гидропривода является одновременно рабочей жидкостью погружного объемного насоса, идентичной смазывающей жидкости, находящейся в кольцевом пространстве.

Согласно изобретению верхняя часть плунжера погружного гидропривода расположена в полости кольцевого пространства со смазывающей жидкостью, которая соединена с полостью рабочей камеры погружного гидропривода посредством канала, выполненного внутри плунжера, соединяющего верхнее и нижнее отверстия, выполненные на концах плунжера, и в нем установлен, по крайней мере, один тарированный на расчетное давление перепускной клапан.

При этом длинномерная гибкая труба с длинномерной гибкой штангой внутри нее может быть размещена как внутри лифтовой колонны, так и снаружи нее.

В качестве гидроприводного погружного объемного насоса может быть применен диафрагменный насос, либо гидрозатворный насос.

На фиг. 1 показана скважинная насосная установка с диафрагменным насосом с верхним положением приводного плунжера и отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой. На фиг. 2 показана скважинная насосная установка с диафрагменным насосом с нижним положением приводного плунжера и отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой. На фиг. 3 показан отдельно приводной плунжер в разрезе. На фиг. 4 показана скважинная насосная установка с гидрозатворным насосом с верхним положением приводного плунжера и отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой. На фиг. 5 показана скважинная насосная установка с гидрозатворным насосом с нижним положением приводного плунжера и отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой. На фиг. 6 показана скважинная насосная установка с диафрагменным насосом с верхним положением приводного плунжера и штанговой длинномерной гибкой трубой, находящейся внутри лифтовой колонны. На фиг. 7 показана скважинная насосная установка с диафрагменным насосом с нижним положением приводного плунжера и штанговой длинномерной гибкой трубой, находящейся внутри лифтовой колонны.

Скважинная насосная установка с погружным диафрагменным насосом (фиг. 1 и 2) или с погружным гидрозатворным насосом (фиг. 4 и 5) состоит из неподвижной длинномерной гибкой трубы 1, внутри которой находится подвижная длинномерная гибкая штанга 2. Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 находится отдельно от лифтовой колонны 3 или находится внутри нее (фиг. 6 и 7), которая представляет собой, например, колонну насосно-компрессорных труб или длинномерную гибкую трубу (колтюбинг). Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 своей нижней частью через переходник 4 соединена с верхним концом насосного патрубка 5, длина которого больше максимального хода приводного плунжера 8 на расчетную величину. Нижний конец насосного патрубка 5 соединен с уплотнительным узлом 6, в котором находится уплотнение 7 приводного плунжера 8. Приводной плунжер 8 своим верхним концом соединен с нижним концом подвижной длинномерной гибкой штанги 2. Нижний конец приводного плунжера 8 постоянно находится ниже уплотнительного узла 6 в приводной рабочей камере 9 погружного гидропривода 11, заполненной приводной жидкостью 10. Приводная рабочая камера 9 соединена с насосной рабочей камерой 12 погружного диафрагменного насоса 13 (фиг. 1 и 2) или с насосной рабочей камерой 14 погружного гидрозатворного насоса 15 (фиг. 5 и 4) посредством гидравлического канала 16. Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 своей верхней частью через переходник 17 соединена с нижним концом устьевого патрубка 18, длина которого больше максимального хода приводного плунжера 8 на расчетную величину. Верхний конец устьевого патрубка 18 соединен с устьевой скважинной головкой 19, на которой размещен уплотнительный узел 20, в котором находится уплотнение 21 устьевого полированного штока 22. Устьевой полированный шток 22 соединен с подвижной длинномерной гибкой штангой 2 при помощи муфты 23. В кольцевом пространстве 24 размещена смазывающая жидкость 25. Приводная жидкость 10 и смазывающая жидкость 25 являются идентичными. Длина приводного плунжера 8 больше длины его максимального хода на расчетную величину. На концах приводного плунжера 8 (фиг. 3) имеются верхнее отверстие 26 и нижнее отверстие 27, соединенные между собой каналом 28, проходящим внутри приводного плунжера 8. Верхнее отверстие 26 на верхнем конце приводного плунжера 8 при любом его положении постоянно находится выше уплотнительного узла 6 в полости насосного патрубка 5, а нижнее отверстие 27 на нижнем конце приводного плунжера 8 при любом его положении постоянно находится ниже уплотнительного узла 6 в приводной рабочей камере 9. Верхнее отверстие 26 и нижнее отверстие 27 могут быть выполнены на торцах приводного плунжера 8. В канале 28 установлен тарированный клапан 29, который при превышении расчетного давления смазывающей жидкости 25 в неподвижной длинномерной гибкой трубе 1 открывается и обеспечивает ее переток в приводную рабочую камеру 9 гидропривода 11, что позволяет поддерживать в ней расчетный объем приводной жидкости 10. Количество перетекающей смазывающей жидкости 25 в приводную рабочую камеру 9 контролируется работой устьевого гидронасоса (не показан) через канал 38. В исполнительной насосной камере 30 находятся всасывающий клапан 31 и нагнетательный клапан 32. Исполнительная насосная камера 30 соединена со скважиной 33 через входное окно 34 и всасывающий клапан 31 и с лифтовой колонной 3 через нагнетательный клапан 32 и обводной канал 35. Диафрагменный насос состоит из свободно перемещающегося эластичного разделителя 36, приводной жидкости 10, откачиваемой жидкости 37 и перфорированного ограничителя 38. В погружном гидрозатворном насосе 15 использован расчетный объем жидкости 39 с большим удельным весом, например ртути, галистана и т.д. или их комбинации, находящейся в гидрозатворе 40 и разделяющей исполнительную насосную 30 и насосную рабочую 14 камеры друг от друга. В скважинной насосной установке с отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой можно использовать электрические провода, кабели и капиллярные трубопроводы, прокладывая их между лифтовой колонной и неподвижной длинномерной гибкой трубой и креплением клямсами или помещая их непосредственно внутри лифтовой колонны. В случае использования многоканального колтюбинга, выпускаемого канадской компанией CJS Technologies (www.cjstech.com), где все гидравлические и электрические линии исполнены как единый многоканальный колтюбинг в термоластиковой оболочке, наматываемый на барабан колтюбинговой установки, резко убыстряются спуско-подъемные операции, и нет необходимости использования подъемников для ремонта скважин. В скважинной насосной установке с лифтовой колонной и размещенной внутри нее штанговой длинномерной гибкой трубой можно использовать электрические провода, кабели и капиллярные трубопроводы, прокладывая их в затрубном пространстве между лифтовой колонной и неподвижной длинномерной гибкой трубой внутри лифтовой колонны. В случае использования колтюбинга в качестве лифтовой колонны с применением колтюбинговой установки резко убыстряются спуско-подъемные операции, и нет необходимости использования подъемников для ремонта скважин.

Скважинная насосная установка работает следующим образом. При движении вверх приводного плунжера 8 (фиг. 1) происходит процесс всасывания откачиваемой жидкости 37 из скважины 33, когда увеличиваются объем приводной рабочей камеры 9 привода 11 и связанный с ней через свободно перемещающийся эластичный разделитель 36 объем насосной рабочей камеры 12 диафрагменного насоса 13 или насосной рабочей камеры 14 гидрозатворного насоса 15, что приводит к уменьшению давления в насосной камере 30 и открытию всасывающего клапана 31. Откачиваемая жидкость 37 из скважины 33 через входное окно 34 начинает поступать в расширяющуюся исполнительную насосную камеру 30. При достижении приводным плунжером 8 своей верхней точки заполнение исполнительной насосной камеры 30 откачиваемой жидкостью 37 из скважины 33 прекращается, закрывается всасывающий клапан 31, и происходит переход процесса всасывания в процесс нагнетания. При движении вниз приводного плунжера 8 (фиг. 2) происходит процесс нагнетания откачиваемой жидкости 37 из исполнительной насосной камеры 30 в лифтовую колонну 3, когда уменьшаются объем приводной рабочей камеры 9 привода 11 и связанный с ней через свободно перемещающийся эластичный разделитель 36 объем насосной рабочей камеры 12 диафрагменного насоса 13 или насосной рабочей камеры 14 гидрозатворного насоса 15, что приводит к увеличению давления в исполнительной насосной камере 30 и открытию нагнетательного клапана 32. Откачиваемая жидкость 37 из исполнительной насосной камеры 30 через нагнетательный клапан 32 и обводной канал 35 начинает поступать в лифтовую колонну 3 и далее на поверхность. При достижении приводным плунжером 8 своей нижней точки поступление откачиваемой жидкости 37 из насосной камеры 30 в лифтовую колонну 3 прекращается, закрывается нагнетательный клапан 32, происходит переход процесса нагнетания в процесс всасывания, и начинается следующий цикл работы скважинной насосной установки.

При применении в скважинной насосной установке электрических проводов, кабелей можно устанавливать в скважине различные датчики, например, давления, температуры, влажности и объема приводной жидкости 10 в насосной рабочей камере 12 или 14, что позволит в текущем режиме отслеживать взаимодействие системы скважина-пласт и поддерживать требуемый объем приводной жидкости 10 в насосной рабочей камере 12 или 14. Свободный внутренний объем лифтовой колонны в компоновке с отдельными лифтовой колонной и штанговой длинномерной гибкой трубой облегчает удаление асфальто-смолисто-парафинистых отложений и позволяет устанавливать внутри лифтовой колонны греющий кабель. Кроме того, обеспечивается автоматическое установление откачки жидкости из скважины в точном соответствии с интенсивностью притока жидкости из пласта в скважину. Использование в скважинной насосной установке компоновки с капиллярными трубопроводами позволит доставлять во всасывающую линию насоса химреагенты, например, ингибиторы и т.д. За счет близкого расположения неподвижных всасывающего и нагнетательного клапанов, которые можно применять с большими диаметрами, расширяется возможность откачки высоковязких жидкостей, кроме того, за счет близкого и неподвижного расположения всасывающего и нагнетательного клапанов уменьшается процесс газообразования в насосной камере, а образовавшийся свободный газ легко выталкивается в лифтовую колонну в процессе нагнетания. Описываемая скважинная насосная установка дает возможность работать в сильно искривленных и в скважинах, имеющих участки с большими зенитными углами.

Изобретение относится к скважинным насосным установкам со штанговыми приводами для подъема жидкости из скважин, особенно из сильно искривленных, с высоковязкими нефтями, с большим содержанием твердых частиц и с большим газовым фактором. Установка состоит из лифтовой колонны, подвижной длинномерной гибкой штанги, расположенной внутри неподвижной длинномерной гибкой трубы с образованием кольцевого пространства, заполненного смазывающей жидкостью. Гибкая штанга соединена своим верхним концом с источником возвратно-поступательного движения и нижним концом с плунжером погружного гидропривода объемного насоса. Приводная жидкость в рабочей камере погружного гидропривода является одновременно рабочей жидкостью погружного объемного насоса. Верхняя часть плунжера погружного гидропривода расположена в полости кольцевого пространства со смазывающей жидкостью, которая соединена с полостью рабочей камеры гидропривода посредством канала, выполненного внутри плунжера. В нем установлен, по крайней мере, один тарированный на расчетное давление перепускной клапан. Повышается надежность работы, увеличивается срок межремонтной эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Скважинная насосная установка, состоящая из лифтовой колонны, подвижной длинномерной гибкой штанги, расположенной внутри неподвижной длинномерной гибкой трубы с образованием кольцевого пространства, заполненного смазывающей жидкостью, а длинномерная гибкая штанга соединена своим верхним концом с источником возвратно-поступательного движения и нижним концом с плунжером погружного гидропривода объемного насоса, в котором приводная жидкость в рабочей камере погружного гидропривода является одновременно рабочей жидкостью погружного объемного насоса, идентичной смазывающей жидкости, находящейся в кольцевом пространстве, отличающаяся тем, что верхняя часть плунжера погружного гидропривода расположена в полости кольцевого пространства со смазывающей жидкостью, которая соединена с полостью рабочей камеры погружного гидропривода посредством канала, выполненного внутри плунжера, соединяющего верхнее и нижнее отверстия, выполненные на концах плунжера, и в нем установлен, по крайней мере, один тарированный на расчетное давление перепускной клапан.

2. Скважинная насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что длинномерная гибкая труба с длинномерной гибкой штангой внутри нее может быть размещена как внутри лифтовой колонны, так и снаружи нее.

3. Скважинная насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве гидроприводного погружного объемного насоса применен диафрагменный насос.

4. Скважинная насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве гидроприводного погружного объемного насоса применен гидрозатворный насос.