СИСТЕМА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ПОГРУЖАЕМЫМ В НЕФТЬ ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК E21B43/00 F04B47/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТНИЕ

[0001] Изобретение относится к насосным системам для добычи нефти и, более конкретно, относится к высокоэффективной насосной системе для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В традиционной насосной установке для добычи нефти в большинстве случаев принято применять балансирный станок-качалку (станок-качалку) для откачки нефти. В процессе откачки нефти станок-качалка, который служит в качестве устройства для подведения механической энергии, соединен через штангу нефтяного насоса с плунжером нефтяного насоса, расположенного на глубине в несколько тысяч метров под землей. Штанга нефтяного насоса сообщает возвратно-поступательное движение плунжеру нефтяного насоса для подъема нефти на поверхность земли. Насосная установка для добычи нефти в основном имеет следующие недостатки: большое потребление энергии, низкий коэффициент полезного действия насоса, эксцентричный износ между штангой нефтяного насоса и трубой для слива нефти, это приводит к прерыванию работы установки для регулировки параметров, и диапазон регулировки параметра является ограниченным.

[0003] Погружной насос, приводимый в действие линейным электродвигателем, выполнен с возможностью преобразовывать электрическую энергию в механическую энергию прямолинейного возвратно-поступательного движения, что не только упрощает процесс механической передачи, но и позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия. Параметр откачки можно непрерывно регулировать, тем самым создавая условия для осуществления автоматического управления и удовлетворяя требованиям технологии нефтяного насоса, это перспективный новый тип насосной установки. Однако существуют возможности для повышения коэффициента полезного действия линейного электродвигателя традиционной насосной установки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В связи с вышеуказанным существует необходимость в создании насосной системы для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем с высоким коэффициентом полезного действия.

[0005] Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем включает в себя погружной линейный электродвигатель, нефтяной насос, герметизирующее устройство и узел уравновешивания давления, которые расположены под землей, при этом погружной линейный электродвигатель содержит статор и приводной механизм, который перемещается возвратно-поступательно внутри статора; нефтяной насос содержит цилиндр, плунжер, наружную гильзу и ситочную трубу для подачи нефти, при этом цилиндр установлен в наружной гильзе, плунжер соединен с верхним концом приводного механизма и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри цилиндра, при этом плунжер и цилиндр образуют расположенную между ними камеру для слива нефти, наружная гильза и цилиндр образуют расположенную между ними первую камеру обратного потока, при этом ситочная труба для подачи нефти установлена на нижнем конце наружной гильзы и сообщена с камерой для перекачки нефти, расположенной в плунжере; герметизирующее устройство установлено между погружным линейным электродвигателем и нефтяным насосом; узел уравновешивания давления установлен на нижнем конце погружного линейного электродвигателя и выполнен для уравновешивания давления внутри и снаружи погружного линейного электродвигателя.

[0006] В одном варианте осуществления статор содержит внутреннюю трубу статора, наружную трубу статора и ряд катушек, установленных между внутренней трубой статора и наружной трубой статора, при этом катушка представляет собой дисковую секцию из провода круглого сечения, образованную намоткой электрического провода и герметизацией электрического провода эпоксидной смолой, при этом две смежные катушки снабжены расположенным между ними пластинчатым узлом из кремнистой стали, при этом катушки изолированы от пластинчатого узла из кремнистой стали.

[0007] В одном варианте осуществления статор дополнительно содержит кабель, соединенный с катушками, при этом статор соединен через кабель с системой управления, расположенной на поверхности земли.

[0008] В одном варианте осуществления статор дополнительно содержит верхнюю соединительную муфту электродвигателя и нижнюю соединительную муфту электродвигателя, установленные на противоположных концах наружной трубы статора, при этом погружной линейный электродвигатель соединен с герметизирующим устройством через верхнюю соединительную муфту электродвигателя и посредством нижней соединительной муфты электродвигателя соединен с узлом уравновешивания давления, при этом пространство между верхней соединительной муфтой электродвигателя и нижней соединительной муфтой электродвигателя и пространство между внутренней трубой статора и наружной трубой статора заполнено клеем, в результате чего статор является затвердевшим как одно целое.

[0009] В одном варианте осуществления приводной механизм содержит внутреннюю трубу приводного механизма; ряд постоянных магнитов, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, причем направление намагничивания каждого постоянного магнита является аксиальным, и направления намагничивания двух смежных постоянных магнитов являются противоположными; ряд магнитных колец, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, и при этом каждое магнитное кольцо расположено между двумя смежными постоянными магнитами; и ряд колец, компенсирующих износ, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, причем между двумя смежными кольцами, компенсирующими износ, установлено несколько постоянных магнитов, при этом ряд колец, компенсирующих износ, и внутренняя труба статора образуют пару трения.

[0010] В одном варианте осуществления статор содержит внутреннюю трубу статора, наружную трубу статора, ряд катушек, установленных между внутренней трубой статора и наружной трубой статора, при этом катушка представляет собой дисковую секцию из провода круглого сечения, образованную намоткой электрического провода и герметизацией электрического провода эпоксидной смолой, при этом две смежные катушки снабжены расположенным между ними пластинчатым узлом из кремнистой стали, при этом катушки изолированы от пластинчатого узла из кремнистой стали.

[0011] В одном варианте осуществления статор дополнительно содержит кабель, подсоединенный к катушкам, при этом статор соединен через кабель с системой управления, расположенной на поверхности земли.

[0012] В одном варианте осуществления статор дополнительно содержит верхнюю соединительную муфту электродвигателя и нижнюю соединительную муфту электродвигателя, установленные на противоположных концах наружной трубы статора, при этом погружной линейный электродвигатель соединен с герметизирующим устройством посредством верхней соединительной муфты электродвигателя и соединен с узлом уравновешивания давления посредством нижней соединительной муфты электродвигателя, при этом пространство между верхней соединительной муфтой электродвигателя и нижней соединительной муфтой электродвигателя и пространство между внутренней трубой статора и наружной трубой статора заполнено клеем, в результате чего статор является затвердевшим как одно целое.

[0013] В одном варианте осуществления приводной механизм содержит: внутреннюю трубу приводного механизма; ряд постоянных магнитов, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, при этом направление намагничивания каждого постоянного магнита является аксиальным и направления намагничивания двух смежных постоянных магнитов являются противоположными; ряд магнитных колец, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, и при этом каждое магнитное кольцо расположено между двумя смежными постоянными магнитами; и ряд колец, компенсирующих износ, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, причем между двумя смежными кольцами, компенсирующими износ, установлено несколько постоянных магнитов, при этом ряд колец, компенсирующих износ, и внутренняя труба статора образуют пару трения.

[0014] В одном варианте осуществления приводной механизм дополнительно содержит ряд наружных труб приводного механизма, при этом каждая наружная труба приводного механизма насажена на постоянные магниты и магнитные кольца и установлена между двумя смежными кольцами, компенсирующими износ, при этом наружный диаметр наружной трубы приводного механизма меньше наружного диаметра кольца, компенсирующего износ.

[0015] В одном варианте осуществления приводной механизм дополнительно содержит две стопорные гайки, установленные на противоположных концах наружной трубы приводного механизма и выполненные для сжатия постоянных магнитов и магнитных колец.

[0016] В одном варианте осуществления внутренняя труба приводного механизма является полой, при этом приводной механизм и статор заполнены расположенным между ними смазочным маслом, причем смазочное масло может проходить внутри внутренней трубы приводного механизма.

[0017] В одном варианте осуществления цилиндр содержит верхний цилиндр и нижний цилиндр, соединенный с верхним цилиндром; плунжер содержит верхний плунжер и нижний плунжер, соединенный с верхним плунжером, при этом камера для перекачки нефти образована в верхнем плунжере, камера для слива нефти образована между верхним плунжером и верхним, при этом верхний плунжер снабжен на его верхнем конце подвижным клапаном, соединяющим камеру для перекачки нефти и камеру для слива нефти, верхний цилиндр снабжен на его верхнем конце неподвижным клапаном, соединяющим камеру для слива нефти и первую камеру обратного потока, при этом нижний плунжер и верхний цилиндр образуют расположенную между ними вторую камеру обратного потока, которая сообщена с первой камерой обратного потока.

[0018] В одном варианте осуществления нижний плунжер образует заключенную в нем камеру для всасывания нефти, при этом нижний плунжер и верхний плунжер снабжены расположенным между ними клапаном одностороннего действия, в результате чего нефть из камеры для всасывания нефти может поступать в камеру для перекачки нефти через клапан одностороннего действия.

[0019] В одном варианте осуществления конец нижнего плунжера снабжен соединителем, выполненным с возможностью соединения с приводным механизмом, при этом соединитель образует собой ряд впускных отверстий для нефти, в результате чего нефть может поступать в камеру для всасывания нефти через ряд впускных отверстий для нефти из ситочной трубы для подачи нефти.

[0020] В одном варианте осуществления нефтяной насос дополнительно содержит трубу для слива нефти и трубу для удаления ила, при этом труба для слива нефти соединена с наружной гильзой, труба для удаления ила расположена внутри трубы для слива нефти, при этом труба для слива нефти и труба для удаления ила образуют кольцевое пространство между ними для удаления ила.

[0021] В одном варианте осуществления герметизирующее устройство содержит наружный цилиндр, соединительный шток и герметизирующий узел, при этом наружный цилиндр установлен между погружным линейным электродвигателем и нефтяным насосом, соединительный шток размещен в наружном цилиндре с возможностью перемещения, нижний конец соединительного штока жестко соединен с приводным механизмом, верхний конец соединительного штока жестко соединен с плунжером, герметизирующий узел установлен между соединительным штоком и наружным цилиндром.

[0022] В одном варианте осуществления герметизирующее устройство дополнительно содержит песочный скребок, расположенный между соединительным штоком и наружным цилиндром, при этом наружный цилиндр образует собой отверстие для сточных вод, в результате чего примеси, прилипшие к соединительному штоку, могут быть сняты песочным скребком и отведены через отверстие для сточных вод.

[0023] В одном варианте осуществления герметизирующее устройство дополнительно содержит верхнюю соединительную деталь для закрепления верхнего конца наружного цилиндра к ситочной трубе для подачи нефти, при этом верхняя соединительная деталь снабжена размещенным в ней демпфирующим вкладышем, который демпфирует ударные нагрузки, действующие со стороны плунжера.

[0024] В одном варианте осуществления герметизирующее устройство дополнительно содержит два центрирующих вкладыша, установленных на противоположных концах герметизирующего узла.

[0025] В системе не используется штанга нефтяного насоса традиционной насосной системы для добычи нефти, что позволяет исключить возможность потерь хода из-за протяженности насосной штанги. Кроме того, это позволяет исключить потери энергии из-за эксцентричного износа между штангой нефтяного насоса и полой штангой, повысив тем самым коэффициент полезного действия системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0026] Эти и другие признаки изобретения очевидны из приведенного ниже описания и графических материалов. На всех графических материалах соответствующие детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Кроме того, компоненты на графических материалах не обязательно вычерчены с соблюдением масштаба, вместо этого упор делается на то, чтобы понятно пояснить принципы изобретения.

[0027] На фиг. 1 представлен вид в разрезе насосной системы для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем согласно одному варианту осуществления;

[0028] на фиг. 2 представлен вид в увеличенном масштабе погружного линейного электродвигателя по фиг. 1;

[0029] на фиг. 3a представлен вид в разрезе в увеличенном масштабе нефтяного насоса по фиг. 1 в одном состоянии;

[0030] на фиг. 3b представлен вид в разрезе в увеличенном масштабе нефтяного насоса по фиг. 1 в другом состоянии; и

[0031] на фиг. 4 представлен вид в увеличенном масштабе части герметизирующего устройства по фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0032] Ниже более подробно описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Однако различные варианты осуществления изобретения могут иметь много других форм осуществления, и изложенные в описании изобретения варианты осуществления изобретения не должны истолковываться как носящие ограничительный характер. Скорее, эти варианты осуществления представлены так, чтобы данное описание изобретения было исчерпывающим и полным, и чтобы объем изобретения из него был полностью понятен специалисту в области техники, к которой относится изобретение. Элементы, которые идентифицированы с использованием одинаковых или аналогичных ссылочных номеров, относятся к одним и тем же или аналогичным элементам.

[0033] Очевидно, что когда элемент упоминается как «подсоединенный» или «соединенный» с другим элементом, он может быть непосредственно соединен или связан с другим элементом или могут присутствовать промежуточные элементы.

[0034] Если не указано иное, все термины (в том числе технические и научные термины), употребляемые в данном описании, имеют одно и то же значение, что в большинстве случаев понятно специалисту в области техники, к которой относится изобретение. Должно быть также понятно, что такие термины, на примере тех, чьи определения даны в общеупотребительных толковых словарях, следует истолковывать как имеющие значение, которое согласуется с их значением в рамках релевантной области техники и не должно истолковываться в идеализированном или слишком формальном значении, если только это явно не оговорено в данном описании изобретения.

[0035] Как видно из фиг. 1, насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем содержит погружной линейный электродвигатель 100, нефтяной насос 200, герметизирующее устройство 300 и узел 400 уравновешивания давления, все из которых установлены под землей. Нефтяной насос 200 установлен над погружным линейным электродвигателем 100, узел 400 уравновешивания давления установлен под погружным линейным электродвигателем 100. Герметизирующее устройство 300 установлено между нефтяным насосом 200 и погружным линейным электродвигателем 100.

[0036] Как видно из фиг. 2, погружной линейный электродвигатель 100 является источником энергии для системы в целом и содержит статор 10 и приводной механизм 20, размещенный в статоре 10 для возвратно-поступательного перемещения.

[0037] Статор 10 содержит внутреннюю трубу 14 статора, наружную трубу 13 статора и ряд обмоток 11, установленных между внутренней трубой 14 статора и наружной трубой 13 статора. Наружная труба 13 статора изготовлена из металлического материала, имеющего высокую магнитную проницаемость. Следует учитывать жесткость наружной трубы 13 статора, чтобы исключить возможность магнитного насыщения электродвигателя и защитить внутренние элементы конструкции электродвигателя. Внутренняя труба 14 статора изготовлена из износостойкого металла, который не обладает магнитной проводимостью. Внутренняя труба 14 статора служит в качестве компонента, непосредственно контактирующего с приводным механизмом 20, и поэтому ее поверхность должна быть гладкой и износостойкой. Внутренняя труба 14 статора может быть подвергнута специальной обработке для повышения поверхностной твердости, такой как обработка азотом, хроматирование или сварка со струйным переносом металла, для адаптации к жестким условиям окружающей среды различных нефтяных скважин. Обмотки 11, образованные соединением катушек трех фаз, представляют собой дисковые секции из медного (или алюминиевого) провода круглого сечения, образованные скручиванием электрического провода и герметизацией эпоксидной смолой. Обмотки 11 расположены вдоль осевого направления внутренней трубы 14 статора. Между двумя смежными обмотками 11 имеется пластинчатый узел 12 из кремнистой стали. Пластинчатый узел 12 из кремнистой стали состоит из ряда наслоенных друг на друга пластин из кремнистой стали и благодаря этому у него лучше магнитные свойства и меньше потери в сердечнике. Между обмотками 11 и пластинчатым узлом 12 из кремнистой стали введены изолирующие слои. Изолирующий слой изготовлен из изоляционного материала с более высоким свойством теплопроводности для значительно лучших характеристик теплоотдачи и изоляции и повышения надежности электродвигателя. Статор 10 дополнительно включает в себя кабель 15, подсоединенный к обмоткам 11. Кабель 15 может представлять собой бронированный плоский кабель, предназначенный специально для нефтепромысла. Конец кабеля 15 проходит к месту его соединения с системой управления (не показано), находящейся на поверхности земли. Вывод проводов кабеля 15 на электродвигателе герметизирован закупоривающим наполнителем, который может подвергаться воздействию окружающих сред высокого давления до 30 МПа. Статор 10, кроме того, содержит верхнюю соединительную муфту 16 электродвигателя и нижнюю соединительную муфту 17 электродвигателя на противоположных концах наружной трубы 13 статора. Погружной линейный электродвигатель 100 соединен с герметизирующим устройством 300 посредством верхней соединительной муфты 16 электродвигателя и соединен с узлом 400 уравновешивания давления посредством нижней соединительной муфты 17 электродвигателя. Верхняя соединительная муфта 16 электродвигателя, нижняя соединительная муфта 17 электродвигателя, внутренняя труба 14 статора и наружная труба 13 статора совместно образуют герметичную полость для защиты обмоток 11 и пластинчатого узла 12 из кремнистой стали. В герметичную полость инжектируется эпоксидная смола до полного заполнения зазоров внутри статора, и затем весь статор затвердевает с образованием сплошного тела, благодаря чему обеспечивается значительное повышение жесткости и надежности.

[0038] Приводной механизм 20 включает в себя внутреннюю трубу 21 приводного механизма, наружную трубу 22 приводного механизма, ряд постоянных магнитов 23, ряд магнитных колец 24, ряд колец 25, компенсирующих износ, и две стопорные гайки 26. Внутренняя труба 21 приводного механизма имеет полую трубчатую конструкцию. Материал постоянных магнитов 23 предпочтительно изготовлен из сплава неодим-железо-бор высокого качества и с большой коэрцитивной силой. Постоянный магнит 23 в целом имеет кольцевую форму. Ряд постоянных магнитов 23 насажен на внутреннюю трубу 21 приводного механизма. Направление намагничивания каждого постоянного магнита 23 ориентировано вдоль осевого направления. Направления намагничивания двух смежных постоянных магнитов 23 являются противоположными. Магнитное кольцо 24 тоже в целом имеет кольцевую форму и имеет такой же диаметр, как и диаметр постоянного магнита 23. Ряд магнитных колец 24 насажен на внутреннюю трубу 21 приводного механизма, и каждое магнитное кольцо 24 расположено между двумя смежными постоянными магнитами 23. Магнитное кольцо 24 изготовлено из металлического материала, имеющего более высокую магнитную проводимость. Кольцо 25, компенсирующее износ, имеет кольцевую форму. Ряд колец 25, компенсирующих износ, насажен на внутреннюю трубу 21 приводного механизма, при этом между каждыми двумя кольцами 25, компенсирующими износ, введен ряд постоянных магнитов 23. В рассматриваемом варианте осуществления каждые пять постоянных магнитов 23 расположены между двумя кольцами 25, компенсирующими износ. Наружный диаметр кольца 25, компенсирующего износ, немного больше наружного диаметра магнитного кольца 24 и поэтому поверхность кольца 25, компенсирующего износ, выступает относительно поверхности магнитного кольца 24. Кольцо 25, компенсирующее износ, изготовлено из твердого сплава, такого как стеллит, который обладает высокой твердостью и более высокими магнитными характеристиками. Кольцо 25, компенсирующее износ, и внутренняя труба 14 статора трутся друг о друга во время работы электродвигателя, что позволяет достичь плавного рабочего хода электродвигателя без вибрации, такая пара трения имеет высокую надежность и большой срок службы. Кроме того, наружная труба 22 приводного механизма насажена на постоянный магнит 23 и магнитное кольцо 24, каждая наружная труба 22 приводного механизма установлена между двумя кольцами 25, компенсирующими износ. Наружный диаметр наружной трубы 22 приводного механизма немного меньше наружного диаметра кольца 25, компенсирующего износ, в результате чего наружная труба 22 приводного механизма не будет тереться о внутреннюю трубу 14 статора. Наружная труба 22 приводного механизма изготовлена из немагнитного металлического материала. Поскольку постоянный магнит обладает низкой коррозионной стойкостью и является хрупким, наружная труба 22 приводного механизма может эффективно предохранять постоянный магнит 23 от коррозии и ударной нагрузки. Стопорные гайки 26 установлены на противоположных концах наружной трубы 22 приводного механизма, чтобы сжимать постоянный магнит 23 и магнитное кольцо 24 и препятствовать их откреплению.

[0039] Во время эксплуатации с помощью наземного устройства числового программного управления может быть установлен параметр согласно реальному требованию, и мощность подается согласно конкретной программе, обеспечивая, таким образом, создание статором 10 переменного магнитного поля. Магнитное поле статора 10 вместе с магнитным полем приводного механизма 20 создают электромагнитное усилие приведения в действие, побуждая таким образом приводной механизм 20 перемещаться вверх и вниз. Предпочтительно противоположные концы электродвигателя герметизированы, в результате чего образована герметичная полость вместе с приводным механизмом 20 и статором 10. Камера заполнена смазочным маслом. При возвратно-поступательном перемещении электродвигателя, ввиду того, что внутренняя труба 20 приводного механизма имеет полую конструкцию, поток смазочного масла может быстро проходить внутри внутренней трубы 21 приводного механизма, то есть перемещаться от одного конца приводного механизма 20 к противоположному концу приводного механизма 20, образуя контур, тем самым обеспечивая уменьшение сопротивления.

[0040] Как видно из фиг. 3a, нефтяной насос 200 представляет собой двунаправленный плунжерный насос и содержит цилиндр 32, плунжер 34, наружную гильзу 36, ситочную трубу 38 для подачи нефти и трубу 39 для слива нефти. Наружная гильза 36 насажена на цилиндр 32 таким образом, что между наружной гильзой 36 и цилиндром 32 образована камера 362 обратного потока. Плунжер 34 установлен в цилиндре 32 с возможностью перемещения, при этом внутренняя боковая стенка цилиндра 32 и наружная боковая стенка плунжера 34 должны быть подвергнуты обработке для повышения поверхностной твердости, такой как хроматирование. Ситочная труба 38 для подачи нефти, которая закреплена к нижнему концу наружной гильзы 36, выполнена с возможностью отфильтровывания механических примесей, содержащихся в скважинной жидкости.

[0041] Цилиндр 32 включает в себя верхний цилиндр 322 и нижний цилиндр 324, закрепленный к верхнему цилиндру 322, при этом диаметр верхнего цилиндра 322 больше диаметра нижнего цилиндра 324. Верхний цилиндр 322 на своем верхнем конце снабжен неподвижным клапаном 321. Скважинная жидкость может поступать в первую камеру 362 обратного потока через неподвижный клапан 321. Верхний цилиндр 322, кроме того, образует на своем нижнем конце отверстие 323 для обратного потока.

[0042] Плунжер 34 включает в себя верхний плунжер 342 и нижний плунжер 344, закрепленный к верхнему плунжеру 342, при этом верхний плунжер 342 может перемещаться вверх и вниз соответственно в верхнем цилиндре 322. Верхний плунжер 342 образует собой камеру 341 для перекачки нефти. Между верхней частью верхнего плунжера 342 и верхним цилиндром 322 образована камера 345 для слива нефти. Верхний плунжер 342 дополнительно снабжен на своем верхнем конце подвижным клапаном 346. Скважинная жидкость может поступать в камеру 345 для слива нефти из камеры 341 для перекачки нефти через подвижный клапан 346. Нижний плунжер 344 может перемещаться вверх и вниз соответственно в нижнем цилиндре 324. Нижний плунжер 344 образует находящуюся в нем камеру 343 для всасывания нефти. Между нижним плунжером 344 и верхним плунжером 342 имеется клапан 347 одностороннего действия. Скважинная жидкость может поступать в камеру 341 для перекачки нефти из камеры 341 для всасывания нефти через клапан 347 одностороннего действия. Диаметр нижнего плунжера 344 меньше диаметра верхнего цилиндра 322, в результате чего между нижним плунжером 344 и верхним цилиндром 322 образована вторая камера 364 обратного потока. Первая камера 362 обратного потока сообщена со второй камерой 364 обратного потока через отверстие 323 для обратного потока. Нижний плунжер 344 дополнительно снабжен на своем крайнем конце соединительной муфтой 348. Посредством соединительной муфты 348 плунжер 34 соединен с приводным механизмом 20 погружного линейного электродвигателя 100. Соединительная муфта 348 образует ряд впускных отверстий 349 для нефти. Через впускные отверстия 349 для нефти скважинная жидкость поступает из ситочной трубы 343 для подачи нефти в камеру 343 для всасывания нефти.

[0043] Верхний конец наружной гильзы 36 соединен с трубой 39 для слива нефти посредством соединительной муфты 37. Труба 39 для слива нефти снабжена находящейся в ней трубой 392 для удаления ила, диаметр которой меньше диаметра трубы 39 для слива нефти. Между трубой 39 для слива нефти и трубой 392 для удаления ила образовано кольцевое пространство 394 для осаждения песка, которое способствует защите насоса и электродвигателя от износа.

[0044] Ниже приведено полное описание работы нефтяного насоса 200 со ссылкой на фиг. 3a и 3b.

[0045] Как видно из фиг. 3a, при движении плунжера 34 вниз неподвижный клапан 321 закрыт, подвижный клапан 346 и клапан 347 одностороннего действия открыты. Скважинная жидкость фильтруется ситочной трубой 38 для подачи нефти и поступает в камеру 343 для всасывания нефти, а затем через камеру 341 для перекачки нефти поступает в камеру 345 для слива нефти. При этом верхний плунжер 342 движется вниз и сжимает объем второй камеры 364 обратного потока, таким образом скважинная жидкость, находящаяся во второй камере 364 обратного потока, через отверстия 323 для обратного потока может поступать в первую камеру 362 обратного потока и через соединительную муфту 37 поступает в трубу 39 для слива нефти.

[0046] Как видно из фиг. 3b, при движении плунжера 34 вверх неподвижный клапан 321 открыт, при этом подвижный клапан 346 и клапан 347 одностороннего действия закрыты. Вследствие того, что верхний плунжер 342 сжимает объем камеры 345 для слива нефти, скважинная жидкость, находящаяся в камере 345 для слива нефти, может поступать через неподвижный клапан 321 в первую камеру 362 обратного потока. Часть скважинной жидкости поступает через соединительную муфту 37 в трубу 39 для слива нефти, остальная часть скважинной жидкости, которая затем, во время следующего хода вниз плунжера 34, будет поступать в трубу 39 для слива нефти, поступает через отверстие 323 для обратного потока во вторую камеру 364 обратного потока.

[0047] В результате анализа вышеуказанных движений можно сделать вывод, что во время хода вверх и хода вниз плунжера 34 нефтяной насос 200 все время осуществляет слив нефти и поэтому может быть повышен коэффициент полезного действия насоса и увеличена производительность насоса.

[0048] Можно понять, что в альтернативном варианте осуществления диаметр нижнего цилиндра 324 может быть равен диаметру верхнего цилиндра 322. К тому же может отсутствовать отверстие 323 для обратного потока. При движении плунжера 34 вниз происходит фильтрация скважинной жидкости, и она поступает из ситочной трубы 38 для подачи нефти в камеру 343 для всасывания нефти, и затем скважинная жидкость поступает через камеру 341 для перекачки нефти в камеру 345 для слива нефти. При движении плунжера 34 вверх скважинная жидкость, находящаяся в камере 345 для слива нефти, поступает через неподвижный клапан 321 в первую камеру 362 обратного потока, и затем она поступает через соединительную муфту 37 в трубу 39 для слива нефти. Нефтяной насос 200 представляет собой нефтяной насос одностороннего действия согласно варианту осуществления.

[0049] Между погружным линейным электродвигателем 100 и нефтяным насосом 200 установлено герметизирующее устройство 300, которое предназначено для герметизации электродвигателя и тем самым исключения возможности поступления скважинной жидкости и осадочных отложений в электродвигатель от верхней части электродвигателя, что гарантирует надежную работу электродвигателя, увеличение срока службы электродвигателя.

[0050] Из фиг. 4 также видно, что герметизирующее устройство 300 включает в себя наружный цилиндр 40, соединительный шток 42, герметизирующий узел 44 и песочный скребок 46.

[0051] Наружный цилиндр 40 в целом представляет собой цилиндрическую трубу и установлен между погружным линейным электродвигателем 100 и нефтяным насосом 200. В частности, нижний конец наружного цилиндра 40 жестко соединен с верхней электродвигательной соединительной муфтой 16 погружного линейного электродвигателя 100 посредством нижней герметичной соединительной детали 402. Верхний конец наружного цилиндра 40 жестко соединен посредством верхней герметичной соединительной детали 404 с ситочной трубой 38 для подачи нефти нефтяного насоса 200. Наружный цилиндр 40, кроме того, образует собой отверстие 41 для сточных вод. В рассматриваемом варианте осуществления верхняя герметичная соединительная деталь 404 дополнительно снабжена размещенным в ней демпфирующим вкладышем 47, выполненным с возможностью демпфирования ударных нагрузок, исходящих со стороны плунжера 34 нефтяного насоса 200.

[0052] Соединительный шток 42 представляет собой твердый стержень, проходящий внутри наружного цилиндра 40 с возможностью перемещения, причем поверхность соединительного шток 42 может быть подвергнута обработке для повышения поверхностной твердости, такой как хроматирование. Нижний конец соединительного штока 42 закреплен к приводному механизму 20 погружного линейного электродвигателя 100. Верхний конец соединительного штока 42 закреплен к плунжеру 34 нефтяного насоса 200, поэтому к плунжеру 32 могут передаваться движения вверх и вниз приводного механизма 20.

[0053] Герметизирующий узел 44 установлен между соединительным штоком 42 и внутренней боковой стенкой наружного цилиндра 40. Герметизирующий узел 44 действует таким образом, чтобы препятствовать попаданию в электродвигатель примесей, таких как скважинная жидкость и осадочные отложения. В рассматриваемом варианте осуществления герметизирующий узел 44 представляет собой комбинацию уплотнительных элементов, таких как U-образное уплотнительное кольцо и M- или V-образные уплотнительные кольца. Уплотнительное кольцо изготовлено из материала, который является износостойким и антикоррозионным, обеспечивая, таким образом, достаточно большой срок службы и герметичность герметизирующего устройства. Верхний конец и нижний конец герметизирующего узла 44 снабжены стопорными гайками 43, предназначенными для закрепления и сжатия герметизирующего узла 44. Верхний конец и нижний конец герметизирующего узла 44 снабжены центрирующим вкладышем 45, предназначенным для центрирования соединительного штока 42, обеспечивая, таким образом, расположение соединительного штока 42 по центру наружного цилиндра 40.

[0054] Песочный скребок 46 установлен между соединительным штоком 42 и внутренней боковой стенкой наружного цилиндра 40 и расположен над герметизирующим узлом 44. Верхний конец песочного скребка 46 изготовлен из упругого материала, и он всегда может находиться в плотном контакте с соединительным штоком 42, благодаря чему примеси, такие как осадочные отложения, прилипшие к соединительному штоку 42, могут соскабливаться и сливаться из герметизирующего устройства 300 через отверстие 41 для сточных вод на наружном цилиндре 40.

[0055] На нижнем конце погружного линейного электродвигателя 100 установлен узел 400 уравновешивания давления, который действует таким образом, что уравновешивает внутренне давление и наружное давление электродвигателя, при этом он может уменьшать вероятность поступления в электродвигатель примесей, улучшая тем самым герметизирующий эффект, надежность и срок службы системы в целом. Внутренний объем узла 400 уравновешивания давления и электродвигателя заполнен одним и тем же смазочным маслом и сообщается по текучей среде с внутренним объемом электродвигателя, что позволяет уравновешивать внутреннее давление и наружное давление электродвигателя, получая эффективный герметизирующий эффект. Узел 400 уравновешивания давления имеет длинную трубу-хвостовик, соединенную посредством витков резьбы с нижней частью капсульного протектора. Примесям, таким как осадочные отложения, трудно достичь нижней части узла уравновешивания давления из-за собственного веса, дополнительно уменьшая таким образом вероятность попадания примесей в электродвигатель, улучшая герметизирующий эффект и повышая надежность и срок службы системы в целом.

[0056] Описанная выше насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем имеет следующие преимущества.

[0057] (1) В системе не используется штанга нефтяного насоса традиционной насосной системы для добычи нефти, что позволяет исключить возможность потерь хода из-за протяженности штанги нефтяного насоса. Кроме того, это позволяет исключить потерю энергии из-за эксцентричного износа между штангой нефтяного насоса и полой штангой и повысить коэффициент полезного действия системы, в частности предоставляя более подходящее техническое решение для искривляющейся скважины и горизонтальной скважины.

[0058] (2) Нефтяной насос системы установлен над погружным линейным электродвигателем, в результате чего двигатель все время погружен в скважинную жидкость, что способствует, таким образом, рассеянию тепла, выделяемого электродвигателем и к тому же ведет к снижению шума электродвигателя. Электродвигатель, работающий под землей, позволяет избежать возникновения непредвиденной рабочей нагрузки и расходов на техобслуживание, связанных с повреждениями, вызванными людьми. Кроме того, в традиционной системе, где действующий насос установлен ниже электродвигателя, скважинная жидкость вынуждена проходить через внутреннее отверстие приводного механизма, таким образом, количество жидкости на выпуске ограничено внутренним диаметром приводного механизма. Однако нет необходимости в настоящем варианте осуществления, чтобы скважинная жидкость проходила через внутреннее отверстие приводного механизма, в результате чего не будет ограничиваться количество жидкости на выпуске.

[0059] (3) Электродвигатель снабжен на верхнем конце герметизирующим устройством, и на нижнем конце предусмотрен узел уравновешивания давления, поэтому электродвигатель может оставаться в состоянии полной герметизации, что исключает возможность проникновения в электродвигатель жидкости, содержащей песок, газ, H₂S и CO₂, которые могут вызывать повреждение электродвигателя, обеспечивает высокую надежность и большой срок службы, позволяет приспособить электродвигатель к жестким условиям окружающей среды под землей.

[0060] Для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, очевидно, что, хотя изобретение описано в отношении вариантов его осуществления и лучших способов осуществления изобретения, возможно внесение ряда изменений и дополнений, не выходящих за пределы объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области добычи нефти и, в частности, к насосной системе для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем. Технический результат - создание насосной системы с погружным линейным электродвигателем с высоким коэффициентом полезного действия. Насосная система содержит погружной линейный электродвигатель, нефтяной насос, герметизирующее устройство и узел уравновешивания давления, установленные под землей. Погружной линейный электродвигатель содержит статор и приводной механизм. Он имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри статора. Нефтяной насос содержит цилиндр, плунжер, наружную гильзу и ситочную трубу для подачи нефти. Герметизирующее устройство установлено между погружным линейным электродвигателем и нефтяным насосом. Узел уравновешивания давления установлен на нижнем конце погружного линейного электродвигателя. Он выполнен с возможностью уравновешивания давления внутри и снаружи погружного линейного электродвигателя. Насосная система не включает насосную штангу, как в существующих насосных системах для добычи нефти, что позволяет предотвратить потерю хода, обусловленную длиной насосной штанги, и потерю энергии, обусловленную весом насосной штанги и истиранием штанги с отводом трубы. Благодаря этому обеспечено повышение коэффициента полезного действия системы. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем, содержащая погружной линейный электродвигатель, нефтяной насос, герметизирующее устройство и узел уравновешивания давления, которые расположены под землей, при этом погружной линейный электродвигатель содержит статор и приводной механизм, который имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри статора, нефтяной насос содержит цилиндр, плунжер, наружную гильзу и ситочную трубу для подачи нефти, причем цилиндр установлен в наружной гильзе, плунжер соединен с верхним концом приводного механизма и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри цилиндра, при этом плунжер и цилиндр образуют расположенную между ними камеру для слива нефти, наружная гильза и цилиндр образуют расположенную между ними первую камеру обратного потока, при этом ситочная труба для подачи нефти установлена на нижнем конце наружной гильзы и сообщена с камерой для перекачки нефти, расположенной в плунжере, герметизирующее устройство установлено между погружным линейным электродвигателем и нефтяным насосом, узел уравновешивания давления установлен на нижнем конце погружного линейного электродвигателя и выполнен с возможностью уравновешивания давления внутри и снаружи погружного линейного электродвигателя.

2. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 1, отличающаяся тем, что статор содержит внутреннюю трубу статора, наружную трубу статора и ряд катушек, установленных между внутренней трубой статора и наружной трубой статора, при этом катушка представляет собой дисковую секцию из провода круглого сечения, образованную намоткой электрического провода и герметизацией электрического провода эпоксидной смолой, при этом две смежные катушки снабжены расположенным между ними пластинчатым узлом из кремнистой стали, при этом катушки изолированы от пластинчатого узла из кремнистой стали.

3. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 2, отличающаяся тем, что статор дополнительно содержит кабель, подсоединенный к катушкам, при этом статор соединен через кабель с системой управления, расположенной на поверхности земли.

4. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 2, отличающаяся тем, что статор дополнительно содержит верхнюю соединительную муфту электродвигателя и нижнюю соединительную муфту электродвигателя, установленные на противоположных концах наружной трубы статора, при этом погружной линейный электродвигатель соединен с герметизирующим устройством посредством верхней соединительной муфты электродвигателя и соединен с узлом уравновешивания давления посредством нижней соединительной муфты электродвигателя, при этом пространство между верхней соединительной муфтой электродвигателя и нижней соединительной муфтой электродвигателя и пространство между внутренней трубой статора и наружной трубой статора заполнено клеем, в результате чего статор является затвердевшим как одно целое.

5. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 2, отличающаяся тем, что приводной механизм содержит:

внутреннюю трубу приводного механизма;

ряд постоянных магнитов, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, причем направление намагничивания каждого постоянного магнита является аксиальным и направления намагничивания двух смежных постоянных магнитов являются противоположными;

ряд магнитных колец, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, и при этом каждое магнитное кольцо расположено между двумя смежными постоянными магнитами; и

ряд колец, компенсирующих износ, насаженных на внутреннюю трубу приводного механизма, причем между двумя смежными кольцами, компенсирующими износ, установлено несколько постоянных магнитов, при этом ряд колец, компенсирующих износ, и внутренняя труба статора образуют пару трения.

6. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 5, отличающаяся тем, что приводной механизм дополнительно содержит ряд наружных труб приводного механизма, при этом каждая наружная труба приводного механизма насажена на постоянные магниты и магнитные кольца и установлена между двумя смежными кольцами, компенсирующими износ, при этом наружный диаметр наружной трубы приводного механизма меньше наружного диаметра кольца, компенсирующего износ.

7. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 5, отличающаяся тем, что приводной механизм дополнительно содержит две стопорные гайки, установленные на противоположных концах наружной трубы приводного механизма и выполненные с возможностью сжатия постоянных магнитов и магнитных колец.

8. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 2, отличающаяся тем, что внутренняя труба приводного механизма является полой, при этом приводной механизм и статор заполнены расположенным между ними смазочным маслом, причем смазочное масло может проходить внутри внутренней трубы приводного механизма.

9. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндр содержит верхний цилиндр и нижний цилиндр, соединенный с верхним цилиндром, плунжер содержит верхний плунжер и нижний плунжер, соединенный с верхним плунжером, при этом камера для перекачки нефти образована в верхнем плунжере, камера для слива нефти образована между верхним плунжером и верхним, при этом верхний плунжер снабжен на его верхнем конце подвижным клапаном, соединяющим камеру для перекачки нефти и камеру для слива нефти, верхний цилиндр снабжен на его верхней части неподвижным клапаном, соединяющим камеру для слива нефти и первую камеру обратного потока, при этом нижний плунжер и верхний цилиндр образуют расположенную между ними вторую камеру обратного потока, которая сообщена с первой камерой обратного потока.

10. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 9, отличающаяся тем, что нижний плунжер образует заключенную в нем камеру для всасывания нефти, при этом нижний плунжер и верхний плунжер снабжены расположенным между ними клапаном одностороннего действия, в результате чего нефть из камеры для всасывания нефти может поступать в камеру для перекачки нефти через клапан одностороннего действия.

11. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 9, отличающаяся тем, что конец нижнего плунжера снабжен соединителем, выполненным с возможностью соединения с приводным механизмом, при этом соединитель образует ряд впускных отверстий для нефти, в результате чего нефть может поступать в камеру для всасывания нефти через ряд впускных отверстий для нефти из ситочной трубы для подачи нефти.

12. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 9, отличающаяся тем, что нефтяной насос дополнительно содержит трубу для слива нефти и трубу для удаления ила, при этом труба для слива нефти соединена с наружной гильзой, труба для удаления ила расположена внутри трубы для слива нефти, при этом труба для слива нефти и труба для удаления ила образуют кольцевое пространство между ними для удаления ила.

13. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 1, отличающаяся тем, что герметизирующее устройство содержит наружный цилиндр, соединительный шток и герметизирующий узел, при этом наружный цилиндр установлен между погружным линейным электродвигателем и нефтяным насосом, соединительный шток размещен в наружном цилиндре с возможностью перемещения, нижний конец соединительного штока жестко соединен с приводным механизмом, верхний конец соединительного штока жестко соединен с плунжером, герметизирующий узел установлен между соединительным штоком и наружным цилиндром.

14. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 13, отличающаяся тем, что герметизирующее устройство дополнительно содержит песочный скребок, расположенный между соединительным штоком и наружным цилиндром, при этом наружный цилиндр образует собой отверстие для сточных вод, в результате чего примеси, прилипшие к соединительному штоку, могут быть сняты песочным скребком и отведены через отверстие для сточных вод.

15. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 13, отличающаяся тем, что герметизирующее устройство дополнительно содержит верхнюю соединительную деталь для закрепления верхнего конца наружного цилиндра к ситочной трубе для подачи нефти, при этом верхняя соединительная деталь снабжена размещенным в ней демпфирующим вкладышем, который демпфирует ударные нагрузки, действующие со стороны плунжера.

16. Насосная система для добычи нефти с погружным линейным электродвигателем по п. 13, отличающаяся тем, что герметизирующее устройство дополнительно содержит два центрирующих вкладыша, установленных на противоположных концах герметизирующего узла.