СКВАЖИННЫЙ НАСОСНЫЙ УЗЕЛ И СКВАЖИННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2018 года по МПК E21B43/12 F04B47/08 F04B9/105 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к скважинному насосному узлу, предназначенному для введения в скважину внутрь обсадной колонны и погружения в текучую среду скважины. Настоящее изобретение дополнительно относится к скважинной системе, содержащей скважинный насосный узел, и к способу повышения давления в затрубном барьере с использованием скважинного насосного узла.

Уровень техники

Скважинные работы часто включают в себя прокачивание насосом текучих сред для выполнения различных задач. Известные системы для выполнения операций прокачивания, например, колтюбинговый газлифт для удаления воды, требуют наличия большого количества наземного оборудования, например катушек для навивки и резервуаров для хранения газа. Кроме того, известные насосы часто требуют большого количества энергии, которая не может быть подана через стандартные проводные кабели. Следовательно, требуются специальные кабели, для которых необходимо наличие дополнительного наземного оборудования, что весьма усложняет и удорожает эти операции. Таким образом, существует потребность в скважинном насосном узле, выполненном с возможностью его развертывания при использовании стандартного одножильного или многожильного кабеля, для которого необходим минимум наземного оборудования, планирования и логистики.

Другая проблема, с которой сталкиваются при выполнении скважинных работ, заключается в том, что не все компоненты обсадной колонны способны выдерживать давление, необходимое для обеспечения разжимания затрубных барьеров. Таким образом, существует потребность в альтернативном решении. Кроме того, при наличии затрубных барьеров предпочтительно поочередное разжимание затрубных барьеров.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является полное или частичное устранение вышеуказанных недостатков предшествующего уровня техники. Более конкретно, задачей является создание простого и надежного кабельного насосного устройства, которое может быть использовано для различных скважинных насосных работ, например, для повышения давления в затрубных барьерах в скважине.

Вышеуказанные задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и свойства, очевидные из нижеследующего описания, выполнены с помощью технического решения согласно данному изобретению посредством скважинного насосного узла, предназначенного для введения в скважину внутрь обсадной колонны и погружения в текучую среду скважины, причем скважинный насосный узел вытянут в продольном направлении и выполнен с возможностью соединения с кабелем, при этом скважинный насосный узел содержит насосную секцию, содержащую:

- трубчатый насосный корпус, образующий насосную камеру;

- впускное отверстие, выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем впускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой;

- первый клапан, являющийся обратным клапаном, предназначенным для открытия и закрытия впускного отверстия для обеспечения возможности протекания текучей среды в камеру;

- плунжер, расположенный с возможностью скольжения в насосной камере;

- насосную штангу, в рабочем состоянии присоединенную к плунжеру и проходящую от плунжера через трубчатый насосный корпус;

- выпускное отверстие, выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем выпускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой; и

- второй клапан, являющийся обратным клапаном, предназначенным для регулирования потока текучей среды, выходящего из камеры через выпускное отверстие;

причем скважинный насосный узел дополнительно содержит:

- линейное исполнительное устройство, связанное с трубчатым насосным корпусом и выполненное с возможностью приведения в действие насосной штанги, при этом, когда скважинный насосный узел по меньшей мере частично погружен в текучую среду скважины, обеспечена возможность втягивания текучей среды скважины в трубчатый насосный корпус через впускное отверстие и ее вытеснения через выпускное отверстие в трубчатом насосном корпусе;

при этом насосная секция дополнительно содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент для изоляции первой части обсадной колонны от второй части обсадной колонны.

Насосная секция может содержать два уплотнительных элемента, выполненных с каждой стороны выпускного отверстия.

Помимо этого, насосная секция может содержать два уплотнительных элемента, расположенных вокруг корпуса и выполненных с возможностью изоляции изолированной секции, расположенной напротив отверстия в обсадной колонне.

Также, насосная секция может дополнительно содержать второй уплотнительный элемент, при этом два уплотнительных элемента могут быть расположены вокруг насосного корпуса по одному с каждой стороны выпускного отверстия, причем уплотнительные элементы выполнены с возможностью обеспечения наличия изолированной секции в затрубном пространстве между скважинным насосным узлом и обсадной колонной.

Таким образом, прокачивание происходит при перемещении плунжера в одном направлении для всасывания текучей среды в насосную камеру через впускное отверстие, регулируемое первым клапаном, а затем в противоположном направлении для вытеснения текучей среды, имеющейся в насосной камере, через выпускное отверстие, регулируемое вторым клапаном.

Кроме того, плунжер может содержать выступ, например, кольцеобразный выступ, выступающий от первой поверхности плунжера, причем выступ предназначен для предотвращения блокирования плунжером впускного отверстия насосной камеры.

Дополнительно, выступ может иметь отверстия для обеспечения возможности прохождения текучей среды даже при вхождении выступа в контакт с торцевой поверхностью камеры.

Также, первый клапан может быть расположен во впускном отверстии, а второй клапан может быть расположен в выпускном отверстии, при этом первый клапан и второй клапан обеспечивают возможность протекания текучей среды в насосную камеру и из насосной камеры, соответственно.

Помимо этого, уплотнительные элементы могут являться шевронными уплотнениями.

Кроме того, уплотнительные элементы могут являться сжимаемыми элементами, так что при сжатии увеличивается наружный диаметр уплотнительных элементов.

Дополнительно, уплотнительные элементы могут быть надувными или разжимными за счет закачивания текучей среды.

Кроме того, уплотнительные элементы могут являться манжетными уплотнениями.

Указанные манжетные уплотнения могут иметь кольцевую часть и выступающий кольцевой фланец, при этом фланцы могут быть обращены друг к другу, так что давление в изолированной секции действует на фланцы в радиальном направлении наружу, заставляя фланцы входить в контакт с обсадной колонной.

Также, уплотнительные элементы могут быть выполнены с возможностью поддержания давления в изолированной секции, которое превышает давление снаружи изолированной секции.

С каждой стороны выпускного отверстия могут быть выполнены два уплотнительных элемента.

Дополнительно, два уплотнительных элемента могут быть первым уплотнительным элементом и вторым уплотнительным элементом, при этом первый уплотнительный элемент и второй уплотнительный элемент представляют собой уплотнительные элементы разных типов.

Помимо этого, первый клапан и/или второй клапан могут быть расположены в трубчатом насосном корпусе.

Кроме того, первый клапан может быть расположен во впускном отверстии, а второй клапан может быть расположен в выпускном отверстии.

Кроме того, скважинный насосный узел может получать питание посредством кабеля.

В альтернативном варианте скважинный насосный узел может получать питание от батареи.

Помимо этого, корпус может содержать проточные каналы для надувания или разжимания уплотнительных элементов.

Скважинный насосный узел может дополнительно содержать удерживающие средства для сжатия по меньшей мере одного из манжетных уплотнений при введенном в скважину скважинном насосном узле.

Также, плунжер может разделять камеру на первое отделение и второе отделение, причем второе отделение соединено с возможностью передачи текучей среды с затрубным пространством снаружи изолированной секции.

Кроме того, расстояние между двумя уплотнительными элементами, расположенными по одному с каждой стороны выпускного отверстия, может быть менее 5 метров, предпочтительно менее 3 метров, более предпочтительно менее 1 м.

В варианте осуществления изобретения насосная секция может дополнительно содержать процеживающий элемент или фильтрующий элемент, предназначенный для фильтрации скважинной текучей среды перед поступлением этой текучей среды во впускное отверстие.

Помимо этого, впускное отверстие может быть выполнено в торцевой поверхности или в боковой стенке насосной камеры, и выпускное отверстие может быть выполнено в торцевой поверхности или в боковой стенке насосной камеры.

Дополнительно, впускное отверстие может быть выполнено в торцевой поверхности или в боковой стенке насосной камеры, и выпускное отверстие может быть выполнено в боковой стенке или в торцевой поверхности насосной камеры.

Скважинный насосный узел, описанный выше, может дополнительно содержать плечо, выполненное с возможностью взаимодействия с выемкой, выполненной в обсадной колонне, для регулирования расположения насосного узла в скважине.

Помимо этого, линейное исполнительное устройство может содержать:

- трубчатый цилиндр регулятора хода плунжера, содержащий один или более поршневых корпусов;

- один или более поршневых элементов, расположенных с возможностью скольжения в поршневом корпусе для разделения поршневого корпуса на первую камеру и вторую камеру;

- вал регулятора хода плунжера, присоединенный в рабочем состоянии к поршневому элементу и выполненный с возможностью соединения с насосной штангой для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера;

- насос для попеременной подачи гидравлической текучей среды под давлением к первой камере и второй камере трубчатого цилиндра регулятора хода плунжера для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера в трубчатом цилиндре регулятора хода плунжера; и

- электрический двигатель для приведения в действие насоса.

В варианте осуществления изобретения линейное исполнительное устройство может содержать множество поршневых элементов, расположенных с возможностью скольжения во множестве поршневых корпусов и присоединенных в рабочем состоянии к валу регулятора хода плунжера, соединенному с насосной штангой.

Также, линейное исполнительное устройство может содержать линейный электрический двигатель, при этом вал регулятора хода плунжера выполнен с возможностью приведения в действие линейным электрическим двигателем для соединения с насосной штангой для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера.

Скважинный насосный узел, описанный выше, может дополнительно содержать анкерную секцию для анкерного закрепления скважинного насосного узла в скважине, при этом анкерная секция содержит множество анкерных элементов, выполненных с возможностью их гидравлической активации и выдвижения в направлении от корпуса инструмента для вхождения во взаимодействие с обсадной колонной.

Настоящее изобретение дополнительно относится к скважинной системе, содержащей скважинный насосный узел, описанный выше, и обсадную колонну.

Обсадная колонна может содержать затрубный барьер, содержащий трубчатую часть, установленную в виде части обсадной колонны, и разжимную муфту, окружающую трубчатую часть с отверстием, через которое текучая среда поступает для разжимания муфты, при этом насосная секция скважинного насосного узла может быть расположена напротив отверстия для разжимания муфты посредством текучей среды под давлением в изолированной секции.

Помимо этого, обсадная колонна может быть соединена с сетчатым фильтром, расположенным снаружи обсадной колонны, имеющей отверстие, при этом насосная секция скважинного насосного узла может быть расположена напротив впускного отверстия сетчатого фильтра для удаления элементов на наружной стороне сетчатого фильтра посредством текучей среды под давлением в изолированной секции.

Данное изобретение также относится к способу удаления элементов на наружной стороне сетчатого фильтра с использованием скважинного насосного узла, описанного выше, содержащему следующие этапы:

- введение скважинного насосного узла в ствол скважины;

- расположение насосной секции скважинного насосного узла так, что уплотнительные элементы расположены с каждой стороны отверстия к сетчатому фильтру с обеспечением тем самым герметизации изолированной секции обсадной колонны; и

- управление насосной секцией для закачивания текучей среды в изолированную секцию обсадной колонны с обеспечением тем самым продвижения текучей среды сквозь сетчатый фильтр через впускное отверстие и наружу в ствол скважины.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу разжимания затрубного барьера с использованием скважинного насосного узла, описанного выше, содержащему следующие этапы:

- введение скважинного насосного узла в ствол скважины;

- расположение насосной секции скважинного насосного узла так, что уплотнительные элементы расположены с каждой стороны отверстия затрубного барьера с обеспечением тем самым герметизации изолированной секции обсадной колонны; и

- управление насосной секцией для закачивания текучей среды в изолированную секцию обсадной колонны с обеспечением тем самым продвижения текучей среды в отверстие и разжимания разжимной муфты затрубного барьера.

Наконец, в данном способе согласно настоящему изобретению скважинная текучая среда может быть втянута в насосную камеру через впускное отверстие и вытеснена в изолированную секцию обсадной колонны через выпускное отверстие при работе насосной секции.

В другом варианте осуществления изобретения линейное исполнительное устройство может содержать:

- трубчатый цилиндр регулятора хода плунжера, обеспечивающий наличие одного или более поршневых корпусов;

- один или более поршневых элементов, расположенных с возможностью скольжения в поршневом корпусе для разделения поршневого корпуса на первую камеру и вторую камеру;

- вал регулятора хода плунжера, присоединенный в рабочем состоянии к поршневому элементу для соединения с насосной штангой для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера;

- насос для попеременной подачи гидравлической текучей среды под давлением к первой камере и второй камере трубчатого цилиндра регулятора хода плунжера для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера в трубчатом цилиндре регулятора хода плунжера; и

- электрический двигатель для приведения в действие насоса.

Кроме того, линейное исполнительное устройство может содержать множество поршневых элементов, расположенных с возможностью скольжения во множестве поршневых корпусов и присоединенных в рабочем состоянии к валу регулятора хода плунжера.

Кроме того, линейное исполнительное устройство может содержать линейный электрический двигатель и вал регулятора хода плунжера, выполненный с возможностью приведения в действие линейным электрическим двигателем для соединения с насосной штангой и обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера.

Также, скважинный насосный узел может быть выполнен с возможностью прокачивания при расходе предпочтительно около 5-15 литров в минуту.

Кроме того, скважинный насосный узел может дополнительно содержать устройство для установки пробки вместо одного из уплотнительных элементов, расположенного дальше всего от устья скважины, для обеспечения уплотнения в затрубном пространстве между скважинным насосным узлом и обсадной колонной. Устройство для установки пробки может содержать базовую часть, соединенную с трубчатым насосным корпусом, и может иметь сквозной канал и один или более уплотнительных элементов, расположенных вокруг базовой части и выполненных с возможностью разжимания от базовой части для герметизации затрубного пространства.

Таким образом, предложено простое и надежное насосное устройство, выполненное с возможностью работы с использованием стандартного кабеля и введения скважины в действие путем прокачивания скважинной текучей среды с одной стороны устройства для установки пробки к изолированной секции. Кроме того, так как насосное устройство выполнено с возможностью его введения в эксплуатацию с использованием стандартного кабеля, то количество оборудования, необходимое для введения в эксплуатацию данного устройства, существенно уменьшается по сравнению с известными способами введения в действие скважин. Сниженная потребность в оборудовании значительно уменьшает сложность работы по введению в действие с уменьшением тем самым времени и стоимости таких работ.

Помимо этого, устройство для установки пробки может дополнительно содержать анкерный механизм для закрепления скважинного насосного узла в скважине, при этом анкерный механизм расположен с возможностью скольжения вокруг базовой части и содержит множество посадочных клиньев, выполненных с возможностью их выдвижения от базовой части по существу в радиальном направлении для соединения с системой труб или обсадной колонной.

Помимо этого, устройство для установки пробки может дополнительно содержать создающую сжатие муфту, расположенную с возможностью скольжения вокруг базовой части для сжатия одного или более уплотнительных элементов. При этом уплотнительные элементы могут быть выполнены с возможностью разжимания от базовой части для изоляции затрубного пространства, когда создающая сжатие муфта смещается в продольном направлении к одному или более уплотнительным элементам с приложением тем самым сжимающего усилия к одному или более уплотнительным элементам.

Создающая сжатие муфта может содержать конусообразную секцию, обращенную к анкерному механизму, причем конусообразная секция выполнена с возможностью продвижения посадочных клиньев в радиальном направлении по меньшей мере после приведения в действие анкерного механизма, когда множество посадочных клиньев смещается в направлении создающей сжатие муфты с вхождением тем самым во взаимодействие с конусообразной секцией.

Дополнительно, создающая сжатие муфта может быть выполнена с возможностью перемещения за счет перемещения анкерного механизма, что приводит в результате к дополнительному сжатию уплотнительных элементов посредством создающей сжатие муфты.

Кроме того, скважинный насосный узел может содержать уравнительный клапан для выравнивания перепада давления на уплотнительных элементах, когда устройство для установки пробки установлено в скважине.

Помимо этого, скважинный насосный узел может дополнительно содержать один или более датчиков для измерения перепада давления на устройстве для установки пробки, когда уплотнительные элементы установлены в скважине.

Дополнительно, скважинный насосный узел может содержать анкерную секцию для закрепления скважинного насосного узла в скважине, при этом анкерная секция содержит множество анкерных элементов с гидроприводом, выполненных с возможностью выдвижения от корпуса инструмента для вхождения во взаимодействие с обсадной колонной.

Также, скважинный насосный узел может дополнительно содержать приводной модуль для продвижения вперед скважинного насосного узла в скважине, например, в наклонных скважинах или горизонтальных частях скважины.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его многочисленные преимущества описаны ниже более подробно со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых с иллюстративной целью показаны некоторые не ограничительные варианты осуществления, и на которых:

на фиг. 1 показан скважинный насосный узел, расположенный напротив затрубного барьера, предназначенного для разжимания;

на фиг. 2 показан поперечный разрез насосной секции скважинного насосного узла;

на фиг. 3а показан поперечный разрез другой насосной секции скважинного насосного узла;

на фиг. 3b показан поперечный разрез устройства для установки пробки;

на фиг. 4 показан поперечный разрез одного варианта осуществления линейного исполнительного устройства;

на фиг. 5 показан поперечный разрез другого варианта осуществления линейного исполнительного устройства;

на фиг. 6 показан скважинный насосный узел, содержащий насосную секцию в установленном состоянии внутри обсадной колонны напротив сетчатого фильтра;

на фиг. 7 показан скважинный насосный узел, содержащий приводной модуль и анкерную секцию;

на фиг. 8 показана система, содержащая скважинный насосный узел, расположенный напротив отверстия затрубного барьера, предназначенного для разжимания;

на фиг. 9 показан вид в поперечном разрезе части скважинного насосного узла;

на фиг. 10A показан уплотнительный элемент в неразжатом состоянии;

на фиг. 10В показан уплотнительный элемент, изображенный на фиг. 10A, в разжатом состоянии;

на фиг. 11 показан уплотнительный элемент, являющийся надувным элементом; и

на фиг. 12 показан скважинный насосный узел, содержащий четыре уплотнительных элемента.

Все чертежи являются весьма схематическими и не обязательно выполнены в масштабе, при этом на них показаны только те части, которые необходимы для объяснения изобретения, поэтому другие части не показаны или показаны без объяснения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан скважинный насосный узел 1, содержащий насосную секцию 2, линейное исполнительное устройство 40 и секцию 7 с электроникой. Скважинный насосный узел является скважинным узлом, выполненным с возможностью подвешивания в обсадной колонне 61 в скважине с образованием скважинной системы 100. Скважинный насосный узел дополнительно содержит два уплотнительных элемента 29, расположенных по одному с каждой стороны выпускного отверстия 27 узла и напротив отверстия 86 в обсадной колонне 61, создавая изолированную секцию 87 для текучей среды под давлением, которая должна быть вытеснена через отверстие 86, например, с разжиманием затрубного барьера 64, как показано на чертеже.

Скважинный насосный узел 1 использует кабель 60, в рабочем состоянии присоединенный к верхнему концу 15 скважинного насосного узла. Скважинный насосный узел 1 также может получать питание от батареи и, соответственно, может быть беспроводным. Как показано на фиг. 1, обсадная колонна содержит затрубный барьер 64, имеющий трубчатую часть 67, установленную в виде части обсадной колонны, и разжимную муфту 65, окружающую трубчатую часть с отверстием 86, через которое текучая среда поступает для разжимания муфты. Насосная секция 2 скважинного насосного узла расположена напротив отверстия 86 для разжимания муфты 65 посредством текучей среды под давлением, имеющейся в изолированной секции 87.

Насосная секция 2 в рабочем состоянии присоединена к линейному исполнительному устройству 40, при этом линейное исполнительное устройство обеспечивает подведение питания, необходимого для приведения в действие насосной секции 2. Скважинный насосный узел снабжается энергией через кабель 60, а секция с электроникой обеспечивает регулирование энергоснабжения и управление остальной части скважинного насосного узла. Линейное исполнительное устройство 40 дополнительно содержит насос 5 для приведения в действие гидравлического цилиндра 4 исполнительного устройства, приводящего в действие насосную секцию, при этом для приведения в действие насоса предусмотрено наличие электрического двигателя 6. Насосная секция 2 содержит трубчатый насосный корпус 20, также составляющий корпус инструмента. Насосный корпус 20 определяет границы насосной камеры 201. В насосной камере 201 расположен с возможностью скольжения плунжер 23, размещенный на насосной штанге 26, с разделением насосной камеры на первое отделение 202 и второе отделение 203. Насосный корпус снабжен впускным отверстием 21, соединенным с возможностью передачи текучей среды с первым отделением 202 насосной камеры 201, при этом насосный корпус дополнительно снабжен выпускным отверстием 27, также соединенным с возможностью передачи текучей среды с первым отделением 202 насосной камеры.

В другом варианте осуществления изобретения линейное исполнительное устройство вместо насоса и гидравлического цилиндра может содержать систему зубчатой передачи для преобразования вращательной энергии двигателя в линейное движение плунжера.

Как показано на фиг. 2, во впускном отверстии 21 расположен первый клапан 22 для регулирования потока текучей среды через впускное отверстие 21, а в выпускном отверстии 27 расположен второй клапан 24 для регулирования потока текучей среды через выпускное отверстие 27. Кроме того, выступ 232, например, кольцеобразный выступ, проходит от первой поверхности 231 плунжера, обращенной к впускному и/или выпускному отверстию. Кольцеобразный выступ обеспечивает определенное минимальное расстояние между поверхностью плунжера и торцевой поверхностью насосной камеры, при этом отверстия 79 предотвращают блокирование плунжером впускного отверстия, выполненного в стенке насосного корпуса. Кроме того, для фильтрации скважинной текучей среды перед ее поступлением в насосную камеру или впускное отверстие может быть выполнен процеживающий элемент 88. Также, насосная секция 2 содержит насосную штангу 26, присоединенную в рабочем состоянии к плунжеру 23 и проходящую от плунжера через трубчатый насосный корпус для соединения с валом 45 регулятора хода плунжера линейного исполнительного устройства 40, показанного на фиг. 4 или 5.

Линейное исполнительное устройство 40 расположено в соединении с трубчатым насосным корпусом 20, как показано на фиг. 1. Как показано на фиг. 4, линейное исполнительное устройство 40 содержит трубчатый цилиндр 4 регулятора хода плунжера, определяющий границы поршневого корпуса 47, и поршневой элемент 46, расположенный с возможностью скольжения в поршневом корпусе для разделения поршневого корпуса на первую камеру 41 и вторую камеру 42. Вал 45 регулятора хода плунжера, проходящий от поршневого элемента, соединен в рабочем состоянии с насосной штангой насосной секции, как описано выше, для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера в насосной камере.

Линейное исполнительное устройство дополнительно содержит насос 5 (показанный на фиг. 1) для попеременной подачи гидравлической текучей среды под давлением в первую камеру 41 и вторую камеру 42 трубчатого цилиндра регулятора хода плунжера, при этом для приведения в действие насоса предусмотрен электрический двигатель 6. При попеременной подаче текучей среды в первую камеру 41 и вторую камеру 42 поршневой элемент совершает возвратно-поступательное движение в трубчатом цилиндре регулятора хода плунжера с созданием тем самым линейного движения. Линейное движение передается через вал 45 регулятора хода плунжера к насосной штанге 26 (показанной на фиг. 2 и 3а) с обеспечением тем самым возвратно-поступательного движения плунжера в насосной камере, вызывая в результате прокачивание, которое должно быть создано.

Согласно варианту осуществления насосной секции, показанному на фиг. 2, когда плунжер 23 перемещается от впускного отверстия 21 и первого клапана 22, то скважинная текучая среда всасывается через впускное отверстие 21 с прохождением через открытый первый клапан 22 в первое отделение 202 насосной камеры. Первый клапан является обратным клапаном, например, невозвратным клапаном, допускающим прохождение текучей среды только в насосную камеру. Таким образом, по мере достижения плунжером 23 верхнего крайнего положения заполняется первое отделение насосной камеры. Последующий ход плунжера вниз, при котором плунжер 23 движется в направлении торцевой поверхности 204 насосной камеры, вытесняет текучую среду через выпускное отверстие 27 с прохождением через второй клапан 24. Второй клапан 24 также является обратным клапаном, например, невозвратным клапаном, но допускающим прохождение текучей среды только из насосной камеры в изолированную секцию 87 (показанную на фиг. 3 или 3а). Первый клапан 22 и второй клапан 24 выполнены в виде невозвратных клапанов шарового типа, содержащих смещаемый шар 221, 241 клапана, взаимодействующий с седлом 222, 242 клапана для регулирования направления движения потока. Однако специалисту в области техники очевидно, что может быть предусмотрено множество других типов клапанов, обеспечивающих аналогичную функциональность.

Как показано на фиг. 3а, скважинный насосный узел 1 содержит четыре уплотнительных элемента 29 в виде уплотнительных манжет, расположенных по два элемента с каждой стороны отверстия 86 в обсадной колонне 61, например, для удаления элементов на наружной стороне сетчатого фильтра 58, расположенного на наружной поверхности обсадной колонны. При таком способе при выходе из строя одного уплотнения другое принимает на себя его функции. Кроме того, впускное отверстие 21 расположено во втором конце скважинного насосного узла 1, так что текучая среда, всасываемая в первое отделение 202 камеры, является текучей средой из нижней и второй части обсадной колонны или из первой и верхней части обсадной колонны, как показано на фиг. 2. Когда плунжер 23 перемещается в направлении впускного отверстия, то текучая среда из первой части обсадной колонны всасывается в отверстие 18 и по мере возврата плунжера текучая среда во втором отделении вытесняется снова в первую часть обсадной колонны. Во второй части 16 скважинного насосного узла предусмотрен фильтрующий или процеживающий элемент 88 для предотвращения поступления частиц грязи в камеру скважинного насосного узла. Плунжер имеет окружной выступ 57, препятствующий закрытию плунжером отверстий 18, благодаря чему текучая среда всегда может поступать во второе отделение.

Детали, относящиеся к конструкции линейного исполнительного устройства, изображены на фиг. 4 и 5, показывающих различные варианты осуществления линейного исполнительного устройства. В обоих вариантах осуществления вал 45 регулятора хода плунжера проходит через трубчатый цилиндр 4 регулятора хода плунжера с его разделением на один или более поршневых корпусов 47 перегородками 48. Перегородки содержат уплотнительные средства 49b, например уплотнительное кольцо, для обеспечения уплотняющего соединения между перегородками и валом 45 регулятора хода плунжера. В каждом из поршневых корпусов 47 предусмотрен поршневой элемент 46, расположенный вокруг вала 45 регулятора хода плунжера, так что вал 45 регулятора хода плунжера может перемещаться назад и вперед внутри цилиндра 4 регулятора хода плунжера для обеспечения линейного движения. Каждый из поршневых элементов 46 разделяет каждый из одного или более поршневых корпусов на первую камеру 41 и вторую камеру 42, при этом поршневые элементы снабжены уплотнительными средствами 49а для обеспечения уплотняющего соединения между внутренней стороной поршневого корпуса 47 и наружной стороной поршневого элемента 46. Как показано на фиг. 4, текучую среду попеременно подают в первую камеру 41 и вторую камеру 42 через соответствующие проточные каналы 43, 44.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 5, изображены лишь проточные каналы, соединенные с возможностью передачи текучей среды с первым поршневым корпусом. Однако другие поршневые корпусы выполнены с аналогичным расположением проточных каналов. Для обеспечения линейного движения линейного исполнительного устройства насос линейного исполнительного устройства прокачивает текучую среду в первую камеру посредством всасывания соответствующего объема текучей среды из второй камеры 42 и наоборот. Когда первая камера 41 является по существу заполненной, то насос изменяет направление своей подачи и прокачивает текучую среду из первой камеры 41 во вторую камеру 42. Следовательно, поршневые элементы 46 продвигаются в противоположном направлении, а вал 45 регулятора хода плунжера продвигается назад и вперед с обеспечением тем самым линейного движения. Как показано на фиг. 4, первая камера 41 выполнена с проточным каналом 43, расположенным у одного конца поршневого корпуса 48, а вторая камера 42 выполнена с проточным каналом 44, расположенным у противоположного конца поршневого корпуса 47. Таким образом, текучая среда может быть втянута или прокачана в каждую камеру, пока поршневой элемент практически не примкнет к перегородкам 48. Таким образом, линейное исполнительное устройство представляет собой замкнутую систему, что означает, что одна и та же текучая среда циркулирует при ее прокачивании назад и вперед в поршневом корпусе 47 для перемещения одного или более поршневых элементов 46 назад и вперед.

В другом варианте осуществления изобретения линейное исполнительное устройство может содержать линейный электрический двигатель 51, приводящий в действие вал регулятора хода плунжера, как показано на фиг. 8.

На фиг. 3b показан скважинный насосный узел, дополнительно содержащий устройство 59 для установки пробки, расположенное в нижнем конце скважинного насосного узла в продолжение насосной секции. Создающее пробку устройство может быть неотъемлемой частью скважинного насосного узла и может быть использовано вместо одного из уплотнительных элементов, расположенного дальше всего от устья скважины. Устройство для установки пробки выполнено с возможностью закрепления скважинного насосного узла в скважине и для обеспечения периферического уплотнения в затрубном пространстве 62 между скважинным насосным узлом и обсадной колонной 61 (показанной на фиг. 1). Как показано на фиг. 3b, устройство 59 для установки пробки содержит базовую часть 31, имеющую сквозной канал 32, проходящий в продольном направлении, и множество уплотнительных элементов 34, расположенных вокруг базовой части для герметизации затрубного пространства. Выше уплотнительных элементов 34 вокруг базовой части расположены с возможностью скольжения создающая сжатие муфта 38 и анкерный механизм 33. Анкерный механизм содержит множество посадочных клиньев 331, выполненных с возможностью их выдвижения от базовой части по существу в радиальном направлении. Когда устройство для установки пробки присоединено к насосной секции, то канал 32 устройства для установки пробки соединен с возможностью передачи текучей среды с впускным отверстием насосной секции, показанной на фиг. 3b. Таким образом, скважинная текучая среда может быть втянута в насосную камеру 201 (показанную на фиг. 2) насосной секции через канал 32.

Как показано на фиг. 3b, для установки или приведения в действие устройства для установки пробки, к анкерному механизму 33 прикладывают усилие в продольном направлении, перемещая тем самым анкерный механизм в направлении уплотнительных элементов. По мере перемещения анкерного механизма посадочные клинья 331 входят в соединение с конусообразной секцией 381 создающей сжатие муфты 38, обращенной к анкерному механизму. Конусообразная форма создающей сжатие муфты обеспечивает продвижение посадочных клиньев в радиальном направлении наружу для вхождения во взаимодействие с обсадной колонной, когда скважинный насосный узел установлен внутри скважины. Так как создающая сжатие муфта также расположена с возможностью скольжения вокруг базовой части 31, то перемещение анкерного механизма 33 обеспечивает перемещение создающей сжатие муфты в том же направлении к уплотнительным элементам. Уплотнительные элементы 34 выполнены с возможность разжимания от базовой части 31 для герметизации затрубного пространства при перемещении создающей сжатие муфты. Перемещение создающей сжатие муфты обеспечивает приложение силы сжатия к уплотнительным элементам 34 с обеспечением тем самым сжатия уплотнительных элементов в продольном направлении, что в результате приводит к выпячиванию уплотнительных элементов наружу. Таким образом, совместное взаимодействие анкерного механизма, создающей сжатие муфты 38 и уплотнительных элементов 34 приводит к одновременному разжиманию от базовой части 31 посадочных клиньев 331 и уплотнительных элементов 34 для закрепления устройства для установки пробки.

Для облегчения извлечения скважинного насосного узла, давление на уплотнительных элементах, то есть давление в первой части обсадной колонны, расположенной выше уплотнительных элементов, и давление во второй части обсадной колонны, расположенной ниже уплотнительных элементов (показанной на фиг. 1), может быть выровнено посредством работы уравнительного клапана 37, выполненного в части скважинного насосного узла, как показано на фиг. 2. После выравнивания давления скважинный насосный узел вытягивают в лубрикатор и затем извлекают из скважины. После этого скважинный насосный узел может быть легко перемещен к следующей скважине для выполнения аналогичной операции по вводу в действие.

На фиг. 6 показан скважинный насосный узел 1, выполненный с возможностью повышения давления в разжимной муфте 65 затрубного барьера 64. Как очевидно специалисту в области техники, показанный скважинный насосный узел и описанный ниже связанный с ним способ также могут быть использованы для разжимания других типов барьеров или пробок в скважине. Показанный скважинный насосный узел погружен во внутреннюю часть обсадной колонны 61 и содержит насосную секцию, показанную на фиг. 8.

Плечо 95, выполненное в насосном устройстве, взаимодействует с выемкой 96 в обсадной колонне 61 для фиксации положения скважинного насосного узла и гарантии того, что насосная секция установлена в правильном положении относительно отверстия в затрубном барьере. Часть обсадной колонны, содержащая выемку 96, может являться опорным ниппелем, известным специалисту в области техники. Как показано на фиг. 6 и 8, два уплотнительных элемента 29 расположены по одному с каждой стороны отверстия 86. Каждый уплотнительный элемент является шевронным уплотнением, соответственно, обеспечивающим изолированную секцию 87 в затрубном пространстве между скважинным насосным узлом и обсадной колонной для герметизации секции 87 обсадной колонны напротив затрубного барьера, предназначенного для разжимания.

Чтобы улучшить номинальную характеристику смятия затрубного барьера, в насосную камеру 201 насосной секции, до введения скважинного насосного узла в ствол скважины, может быть введен упрочняющий реагент, содержащий текучую среду 209. Таким образом, при работе скважинного насосного узла для закачивания текучей среды в изолированную секцию 87, текучая среда вместе с упрочняющим реагентом закачивается в изолированную секцию и затрубный барьер до закачивания текучей среды из скважины.

Как показано на фиг. 7, скважинный насосный узел 1 снабжен приводным модулем 9 и анкерной секцией 8. Приводная секция выполнена с возможностью продвижения скважинного насосного узла вперед в наклонных секциях скважины, как показано на фиг. 8, при этом анкерная секция может быть использована для фиксации скважинного насосного узла внутри скважины.

Как показано на фиг. 9, скважинный насосный узел 1 содержит лишь один уплотнительный элемент, являющийся кольцевым уплотнением для обеспечения уплотнения вокруг отверстия, при этом уплотнительный элемент имеет форму уплотнительной манжеты, окружающей отверстие 86 в обсадной колонне 61.

Уплотнительные элементы расположены вокруг наружной поверхности 36 корпуса скважинного насосного узла 1. Как показано на фиг. 10A и 10В, уплотнительный элемент 29 является элементом из эластомера, подвергаемым сжатию с одной стороны поршнем 68, соединенным с поршневым штоком 69 гидравлического цилиндра 72. Таким образом, уплотнительный элемент изменяет диаметр для прижатия к внутренней поверхности обсадной колонны.

Уплотнительный элемент 29 также может быть надувной муфтой 73, как показано на фиг. 11, причем данный элемент надувают посредством текучей среды, выпускаемой в пространство 73, границы которого определены муфтой 73а и корпусом 20. Текучую среду выпускают через отверстие 74 в корпусе посредством гидравлического цилиндра 71. При уменьшении размеров муфты и, соответственно, уплотнительного элемента, поршень в гидравлическом цилиндре 71 отводят обратно, при этом текучая среда, находящаяся в пространстве, снова всасывается в цилиндр и уплотнительный элемент уменьшается в размерах.

Скважинный насосный узел 1 может содержать четыре уплотнительных элемента 29, расположенных по два с каждой стороны выпускного отверстия 27, как показано на фиг. 12. Первый уплотнительный элемент 29А является разжимным или надувным уплотнительным элементом, а второй уплотнительный элемент 29В является уплотнительной манжетой. Первый элемент надувают или разжимают для изоляции секции, расположенной напротив выпускного отверстия, при этом по мере повышения давления уплотнительные манжеты разжимаются для уплотнения обсадной колонны. В случае необходимости введения скважинного насосного узла 1 в обсадную колонну с диаметром, большим, чем его собственный наружный диаметр, такое сочетание уплотнительных элементов является предпочтительным. Расстояние 70 между вторыми уплотнительными элементами может варьироваться в диапазоне 0,1-5 м.

Под текучей средой или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газовой смеси, присутствующей в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяной смеси, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.

Под обсадной колонной понимается любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и так далее, используемых в скважине при добыче нефти или природного газа.

В том случае, когда невозможно полностью погрузить узел в обсадную колонну, для проталкивания узла до нужного положения в скважине может быть использован скважинный трактор. Скважинный трактор может иметь выдвигающиеся рычаги с колесами, входящими в контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны для продвижения трактора и узла вперед в скважине. Скважинный трактор представляет собой любой вид приводного инструмента, способного толкать или тянуть инструменты в скважине, например, Well Tractor®.

Также, линейное исполнительное устройство может являться устройством Well Stroker®. Хотя изобретение описано выше на примере предпочтительных вариантов его осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные нижеследующей формулой изобретения.

Настоящее изобретение относится к скважинному насосному узлу, предназначенному для введения в скважину внутрь обсадной колонны и погружения в текучую среду скважины, причем скважинный насосный узел вытянут в продольном направлении и выполнен с возможностью соединения с кабелем. Скважинный насосный узел содержит насосную секцию, содержащую трубчатый насосный корпус, обеспечивающий наличие насосной камеры, впускное отверстие, выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем впускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой, первый клапан, являющийся обратным клапаном, предназначенным для открытия и закрытия впускного отверстия для обеспечения возможности протекания текучей среды в камеру, плунжер, расположенный с возможностью скольжения в насосной камере, насосную штангу, в рабочем состоянии присоединенную к плунжеру и проходящую от плунжера через трубчатый насосный корпус, выпускное отверстие, выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем выпускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой, второй клапан, являющийся обратным клапаном, предназначенным для регулирования потока текучей среды, выходящего из камеры через выпускное отверстие. Скважинный насосный узел дополнительно содержит линейное исполнительное устройство, связанное с трубчатым насосным корпусом и выполненное с возможностью приведения в действие насосной штанги, причем, когда скважинный насосный узел по меньшей мере частично погружен в текучую среду скважины, обеспечена возможность втягивания скважинной текучей среды в трубчатый насосный корпус через впускное отверстие и ее вытеснения через выпускное отверстие в трубчатом насосном корпусе, при этом насосная секция дополнительно содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент для изоляции первой части обсадной колонны от второй части обсадной колонны. Технический результат заключается в повышении эффективности скважинного насосного узла. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Скважинный насосный узел (1), предназначенный для введения в скважину (63) внутрь обсадной колонны (61) и погружения в текучую среду скважины, причем скважинный насосный узел вытянут в продольном направлении (50) и выполнен с возможностью соединения с кабелем (60), при этом скважинный насосный узел содержит насосную секцию (2), содержащую:

- трубчатый насосный корпус (20), образующий насосную камеру (201);

- впускное отверстие (21), выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем впускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой;

- первый клапан (22), являющийся обратным клапаном, предназначенным для открытия и закрытия впускного отверстия для обеспечения возможности протекания текучей среды в камеру;

- плунжер (23), расположенный с возможностью скольжения в насосной камере;

- насосную штангу (26), в рабочем состоянии присоединенную к плунжеру и проходящую от плунжера через трубчатый насосный корпус;

- выпускное отверстие (27), выполненное в трубчатом насосном корпусе, причем выпускное отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с насосной камерой; и

- второй клапан (24), являющийся обратным клапаном, предназначенным для регулирования потока текучей среды, выходящего из камеры через выпускное отверстие;

причем скважинный насосный узел дополнительно содержит:

- линейное исполнительное устройство (40), связанное с трубчатым насосным корпусом и выполненное с возможностью приведения в действие насосной штанги, при этом, когда скважинный насосный узел по меньшей мере частично погружен в текучую среду скважины, обеспечена возможность втягивания скважинной текучей среды в трубчатый насосный корпус через впускное отверстие и ее вытеснения через выпускное отверстие в трубчатом насосном корпусе;

при этом насосная секция дополнительно содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент (29) для изоляции первой части (66) обсадной колонны от второй части (67) обсадной колонны.

2. Скважинный насосный узел (1) по п.1, в котором насосная секция содержит два уплотнительных элемента, выполненных с каждой стороны выпускного отверстия.

3. Скважинный насосный узел (1) по п.2, в котором уплотнительные элементы являются шевронными уплотнениями.

4. Скважинный насосный узел (1) по п.2, в котором уплотнительные элементы являются сжимаемыми элементами, так что при сжатии уплотнительных элементов увеличивается их наружный диаметр.

5. Скважинный насосный узел (1) по п.2, в котором уплотнительные элементы являются надувными или разжимными за счет закачивания текучей среды.

6. Скважинный насосный узел (1) по п.2, в котором уплотнительные элементы являются манжетными уплотнениями.

7. Скважинный насосный узел (1) по п.6, в котором два уплотнительных элемента являются первым уплотнительным элементом (29А) и вторым уплотнительным элементом (29В), при этом первый уплотнительный элемент и второй уплотнительный элемент представляют собой уплотнительные элементы разных типов.

8. Скважинный насосный узел (1) по любому из пп.1-7, в котором впускное отверстие выполнено в торцевой поверхности (204) или в боковой стенке (205) насосной камеры, и выпускное отверстие выполнено в торцевой поверхности или в боковой стенке насосной камеры.

9. Скважинный насосный узел (1) по любому из пп.1-7, в котором линейное исполнительное устройство содержит множество поршневых элементов (46), расположенных с возможностью скольжения во множестве поршневых корпусов (47) и присоединенных в рабочем состоянии к валу регулятора хода плунжера, соединенному с насосной штангой.

10. Скважинный насосный узел (1) по любому из пп.1-7, в котором линейное исполнительное устройство содержит:

линейный электрический двигатель (51); и

вал (45) регулятора хода плунжера, выполненный с возможностью приведения в действие линейным электрическим двигателем для соединения с насосной штангой для обеспечения возвратно-поступательного движения плунжера.

11. Скважинная система (100), содержащая скважинный насосный узел (1) по любому из пп.1-10 и обсадную колонну (61).

12. Скважинная система (100) по п.11, в которой обсадная колонна содержит затрубный барьер (64), содержащий трубчатую часть (67), установленную в виде части обсадной колонны, и разжимную муфту (65), окружающую трубчатую часть с отверстием (86), через которое текучая среда поступает для разжимания муфты, при этом насосная секция скважинного насосного узла расположена напротив отверстия для разжимания муфты посредством текучей среды под давлением в изолированной секции.

13. Скважинная система (100) по п.11 или 12, в которой обсадная колонна соединена с сетчатым фильтром (58), расположенным снаружи обсадной колонны, имеющей отверстие (86), при этом насосная секция скважинного насосного узла расположена напротив впускного отверстия сетчатого фильтра для удаления элементов на наружной стороне сетчатого фильтра посредством текучей среды под давлением в изолированной секции.

14. Способ для удаления элементов на наружной стороне сетчатого фильтра (58) с использованием скважинного насосного узла по любому из пп.1-10, содержащий следующие этапы:

введение скважинного насосного узла в ствол скважины;

расположение насосной секции скважинного насосного узла так, что уплотнительные элементы расположены с каждой стороны отверстия (86) к сетчатому фильтру, с обеспечением тем самым герметизации изолированной секции (87) обсадной колонны; и

управление насосной секцией для закачивания текучей среды в изолированную секцию обсадной колонны с обеспечением тем самым продвижения текучей среды сквозь сетчатый фильтр через впускное отверстие и наружу в ствол скважины.

15. Способ разжимания затрубного барьера с использованием скважинного насосного узла по любому из пп.1-10, содержащий следующие этапы:

введение скважинного насосного узла в ствол скважины;

расположение насосной секции скважинного насосного узла так, что уплотнительные элементы расположены с каждой стороны отверстия (86) затрубного барьера с обеспечением тем самым герметизации изолированной секции (87) обсадной колонны; и

управление насосной секцией для закачивания текучей среды в изолированную секцию обсадной колонны с обеспечением тем самым продвижения текучей среды в отверстие и разжимания разжимной муфты (65) затрубного барьера.