ПОРШНЕВОЙ СКВАЖИННЫЙ НАСОС С ПРИВОДОМ ОТ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК E21B43/12 E21B34/06 F04B47/06 

Данная заявка испрашивает приоритет по временной патентной заявке 61/920,292, выложена 23 декабря 2013 г., по временной патентной заявке 61/985,614, выложена 29 апреля 2014 г., и безусловной патентной заявке США 14/579,585, выложена 22 декабря 2014 г., полностью включены в виде ссылки в данном документе.

Область изобретения.

Данное изобретение относится в общем к поршневым скважинным насосам и, в частности, к поршневому скважинному насосу, приводимому в действие скважинным электрическим двигателем.

Предпосылки:

Многие нефтяные скважины требуют оснащения насосом для получения скважинной текучей среды. Обычно применяют скважинный насос поршневого типа. Насосная штанга проходит вглубь скважины до плунжера насоса. Подъемный механизм на поверхности создает ход насосной штанги для подъема скважинной текучей среды. Создание колонны насосных штанг, продолжающейся вглубь до насоса, является проблематичным для глубоких скважин и скважин, где насос установлен в наклонно-направленной нижней части.

Также широко применяются роторные насосы с приводом от скважинного электрического двигателя. Насос может являться центробежным насосом, имеющим много ступеней крыльчаток и диффузоров. Нефтяные роторные скважинные насосы также включают в себя винтовые насосы, в которых ротор вращается в эластомерном статоре. Ротор и статор имеют геликоидальные контуры.

Также сделаны различные предложения по приведению в действие поршневого насоса скважинным электрическим двигателем. В одном таком варианте применяется двигатель, который вращает приводной вал. Геликоидальный винтовой механизм преобразует вращение в линейное перемещение для создания ходов насоса. В другом предложенном варианте линейный двигатель применяется для осуществления ходов насоса. Линейный двигатель имеет электромагнитные катушки и приводной механизм с постоянными магнитами, установленный в канале катушечной сборки. При подаче импульса энергии одного вида, приводной механизм осуществляет ход линейно в одном направлении. Импульс энергии другого вида создает ход приводного механизма в противоположном направлении.

По различным причинам, поршневые насосы с забойными электрическими двигателями не находят коммерческого применения ни в каком виде.

Сущность изобретения.

Компоновка погружного скважинного насоса, раскрытая в данном документе, имеет кожух насоса с выкидом насоса на верхнем конце. Цилиндр насоса установлен в кожухе насоса с образованием кольцевого прохода между цилиндром и кожухом насоса. Плунжер возвратно-поступательно перемещается в корпусе. Двигатель установлен под кожухом насоса и функционально соединен с плунжером для обеспечения возвратно-поступательного перемещения плунжера между ходом вниз и ходом вверх. Клапанное средство в кожухе насоса направляет скважинную текучую среду в цилиндре под плунжером в кольцевой проход и на выход в выкид во время ход плунжера вниз. Клапанное средство впускает скважинную текучую среду в цилиндр под плунжером во время ход плунжера вверх.

Клапанное средство содержит выпускное окно цилиндра под плунжером, которое создает сообщение скважинной текучей среды в цилиндре со скважинной текучей средой в кольцевом проходе. Соединительная штанга проходит между двигателем и плунжером. Соединительная штанга работает на растяжение во время хода вниз. Клапанное средство может также содержать впуск скважинной текучей среды на верхнем конце кожуха насоса, который впускает скважинную текучую среду снаружи компоновки в кожух насоса.

В некоторых вариантах осуществления впуск скважинной текучей среды сообщается текучей средой с внутренним пространством цилиндра над плунжером. Впуск скважинной текучей среды может направлять скважинную текучую среду из впуска в цилиндр над плунжером во время хода вверх плунжера а также хода вниз.

В некоторых вариантах осуществления проход плунжера продолжается аксиально через плунжер. Подвижный клапан установлен на плунжере для перемещения с ним. Подвижный клапан открывает проход плунжера для обеспечения прохода скважинной текучей среды во внутреннем пространстве цилиндра вниз через проход плунжера во время хода вверх. Подвижный клапан закрывается во время хода вниз, предотвращая проход скважинной текучей среды под плунжером вверх через проход плунжера.

В некоторых вариантах осуществления двигатель имеет наружный кожух двигателя и внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в наружном кожухе двигателя. Внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток. Катушечные обмотки установлены в камере обмоток, погруженными в диэлектрическую текучую среду, содержащуюся в камере обмоток. Приводной механизм установлен во внутреннем кожухе двигателя, приводной механизм содержит вал с множеством магнитов, проходящих по длине вала. Электропитание, подаваемое на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси. Приводной механизм функционально соединен с плунжером для обеспечения хода вверх и хода вниз плунжера.

Расширительная камера может соединяться с наружным кожухом двигателя. Расширительная камера имеет перемещающийся элемент, который содержит диэлектрическую текучую среду. Перемещающийся элемент перемещается, реагируя на перепад между давлением скважинной текучей среды снаружи расширительной камеры и давлением диэлектрической текучей среды. Проход для сообщения диэлектрической текучей средой ведет из расширительной камеры в камеру обмоток, создавая сообщение с диэлектрической текучей средой в камере обмоток. Двигатель может иметь проход скважинной текучей среды двигателя, продолжающийся во внутреннее пространство внутреннего кожуха двигателя для погружения приводного механизма в скважинную текучую среду.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания признаков, преимуществ и задач изобретения, а также других позиций, требующих разъяснения, приведено более подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи вариантов осуществления изобретения, кратко изложенного выше, чертежи являются частью подробного описания. Следует отметить, вместе с тем, что чертежи иллюстрируют только предпочтительный вариант осуществления изобретения и не должны считаться ограничивающим его объем, поскольку изобретение может допускать другие равно эффективные варианты осуществления.

На фиг. 1 показан вид сбоку первого варианта осуществления компоновки электрического погружного насоса данного изобретения, установленного в скважине.

На фиг. 2A и 2B представлено сечение насоса компоновки насоса фиг. 1.

На фиг. 3 показано поперечное сечение насоса фиг. 2 по линии 3 – 3 фиг. 2A и 2B.

На фиг. 4 показано поперечное сечение насоса фиг. 2 по линии 4 - 4 фиг. 2A и 2B.

На фиг. 5A и 5B представлено сечение линейного двигателя компоновки насоса фиг. 1.

На фиг. 6 схематично показан второй вариант осуществления компоновки электрического погружного насоса данного изобретения, установленной в скважине.

На фиг. 7A и 7B представлено сечение насоса компоновки фиг. 6.

На фиг. 8 показано сечение насоса фиг. 7A и 7B, плунжер показан в другом положении.

На фиг. 9 показан в изометрии третий вариант осуществления насоса данного изобретения.

На фиг. 10A и 10B представлено сечение четвертого варианта осуществления насоса данного изобретения.

На фиг. 11A, 11B и 11C представлено сечение линейного электрического двигателя, соединенного с насосом фиг. 10A и 10B.

На фиг. 12 показано сечение части блока расширительной камеры для применения с двигателем фиг. 11A - 11C.

Подробное описание изобретения

Способы и системы настоящего изобретения описаны более полно ниже в данном документе со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны варианты осуществления. Способы и системы настоящего изобретения могут иметь много отличающихся форм и не должны считаться ограниченными иллюстративными вариантами осуществления, изложенными в данном документе; напротив, данные варианты осуществления обеспечивают глубину и полноту раскрытия и должны давать полное представление его объема специалисту в данной области техники. Одинаковые цифры относятся к одинаковым элементам по всему описанию.

Также понятно, что объем настоящего изобретения не ограничен показанными и описанными конкретными деталями конструкции, работы, конкретными материалами или вариантами осуществления, поскольку модификации и эквиваленты понятны специалисту в данной области техники. В чертежах и описании раскрыты иллюстративные варианты осуществления и, хотя использованы конкретные термины, они применяютcя только в видовом и описательном смысле и не для ограничения.

Показанная на фиг. 1 скважина 11 имеет обсадную колонну 13, проперфорированную для приема скважинной текучей среды. Компоновка 15 насоса показана закрепленной на эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб, спущенной в скважину 11. Альтернативно, компоновку 15 насоса может нести другая конструкция, например гибкая насосно-компрессорная труба. Хотя компоновка 15 насоса показана установленной вертикально, ее можно устанавливать в наклонно-направленной или горизонтальной секции скважины 11. Компоновку 15 насоса можно применять для подачи скважинной текучей среды на прием верхней компоновки насоса (не показано), установленной над ней.

Компоновка 15 насоса включает в себя линейный двигатель 19, соединенный с нижним концом поршневого насоса 21. Термины “верхний” и “нижний” применяютcя в данном документе только для удобства, поскольку компоновку 15 насоса можно ориентировать горизонтально. Силовой кабель 23 проходит вниз от оборудования устья скважины к двигателю 19 для подачи электропитания. В данном примере компоновка 15 насоса является реверсивной, имеющий верхний прием 25 и нижний прием 27, оба расположенные над линейным двигателем 19. Альтернативно, компоновка 15 насоса может являться нереверсивный и, если так, предпочтительно рабочий ход, которым поднимается скважинная текучая среда по насосно-компрессорной трубе 17, происходит во время хода вниз и заполняющий ход для впуска текучей среды в насос 21 во время хода вверх.

Как показано на фиг. 5B, двигатель 19 имеет нижний конец или основание 29. Цилиндрический наружный кожух 31 имеет нижний конец, который крепится к основанию 29. Цилиндрический внутренний кожух 33 коаксиально установлен на основание 29 в наружном кожухе 31 вдоль продольной оси 32 компоновки 15 насоса. Комплект электрoмагнитных катушек или обмоток 35 установлен в кольцевом пространстве 34 между внутренним и наружным кожухами 33, 31. Катушки 35 могут иметь устройство со щелями или без щелей. Нижний конец катушки 35 отнесен вверх от основания 29 на заданное расстояние.

Приводной механизм 37 во внутреннем кожухе 33 содержит вал с постоянными магнитами 39, расположенными по его длине. Приводной механизм 37 перемещается линейно во внутреннем кожухе 33 вдоль оси 32, реагируя на электрoмагнитное поле, генерируемое катушками 35, действующее на магниты 39. Управляющая цепь (не показано), установленная смежно с оборудованием устья скважины, циклически подает электропитание на катушку 35 для обеспечения хода приводного механизма 37 вверх и вниз. Расстояние от самого верхнего магнита 39 до самого нижнего магнита 39 составляет около удвоенной аксиальной длины катушек 35. Альтернативно, аксиальное расстояние между самым верхним и самым нижним магнитами 39 может составлять половину аксиальной длины катушек 35. Магниты 39 показаны с наружными диаметрами больше диаметра приводного механизма 37. Магниты 39 могут скользить по внутренней поверхности внутреннего кожуха 33, вместе с тем, они не образуют уплотнений с внутренним кожухом 33. Магниты 35 могут намагничиваться радиально, аксиально или как в магнитной сборке Халбаха.

Диэлектрическая смазка, если необходимо, может располагаться во внутреннем кожухе 33, изолировано от скважинной текучей среды в пространстве снаружи двигателя 19. При этом, выполнение ходов приводного механизма 37 не оказывает перекачивающего действия на смазку во внутреннем кожухе 33. Аналогично, изолированная диэлектрическая текучая среда может располагаться в кольцевом пространстве 34 между внутренним кожухом 33 и наружным кожухом 31, если необходимо, изолированной от любой смазки во внутреннем кожухе 33. Если необходимо, уравнитель давления или расширительная камера (не показано) должна сообщать гидростатическое давление текучей среды в скважине любой смазке и/или диэлектрической текучей среде, содержащейся в наружном кожухе 31 и внутреннем кожухе 33.

Соединительная штанга 41, установленная на оси 32, соединяется с приводным механизмом 37 соединительным устройством 43. Как показано на фиг. 5A, внутренний кожух 33 крепится с уплотнением к нижнему концу крышки 45 двигателя. Соединительная штанга 41 проходит через верхний конец внутреннего кожуха 33 и через крышку 45 двигателя. Соединительная штанга 41 проходит с уплотнением через аксиальный проход в крышке 45 двигателя. Силовой кабель 23 соединяется с двигателем 19 кабельной соединительной муфтой 47. Питающие провода двигателя (не показано) проходят от кабельной соединительной муфты 47 через кольцевое пространство 34 на катушки 35. Крышка 45 двигателя имеет соединительное устройство 49 на своем верхнем конце, которое может содержать резьбу, либо внутреннюю, как показано, или наружную. Альтернативно, можно использовать соединяющиеся болтами фланцы.

Как показано на фиг. 2B, насос 21 имеет основание 53 на своем нижнем конце, которое соединяется с соединительным устройством 49 двигателя, например, резьбой или фланцами с болтами. Насос 21 имеет кожух 55, цилиндрический и концентрический относительно оси 32. Насос 21 имеет верхний клапанный узел 57, который содержит верхний прием 25, и нижний клапанный узел 59, который содержит нижний прием 27. Цилиндр 61 проходит коаксиально между верхним клапанным узлом 57 и нижним клапанным узлом 59 в кожухе 55 насоса. Верхний клапанный узел 57 соединяется с эксплуатационной колонной 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1) и имеет выкидной проход 63 насоса на своем верхнем конце, сообщающийся с внутренним пространством насосно-компрессорной трубы 17. Кожух 55 насоса и цилиндр 61 образуют кольцевое пространство 65 насоса между собой. Поршень или плунжер 67 насоса взаимодействует с возможностью скольжения с внутренним диаметром цилиндра 61. Соединительная штанга 41 соединяется с нижним концом плунжера 67, обеспечивая плунжеру 67 ход в унисон с приводным механизмом 37 двигателя(фиг. 5B).

Верхний клапанный узел 57 включает в себя верхний клапанный корпус 68, имеющий верхний приемный клапан 69, который расположен в проходе, параллельном оси 32 и смещенном от нее. Верхний приемный клапан 69 является обратным клапаном, который может принадлежать к различным типам. В данном примере верхний приемный клапан 69 имеет шар 71, который перемещается между седлом 73 сверху и клеткой 75 снизу. Верхний прием 25 расположен сверху и ведет вниз к седлу 73 верхнего приемного клапана 69.

Верхний переводник 70 крепится между верхним клапанным корпусом 68 и верхним концом кожуха 55 насоса резьбовыми соединениями или фланцевым соединением. Верхний переводник 70 можно выполнять интегрально с верхним клапанным корпусом 68. Верхний переводник 70 имеет верхний приемный проход 77, который проходит вверх и наружу от нижнего до верхнего конца верхнего переводника 70. Приемный проход 77 верхнего переводника имеет нижний конец, сообщающийся текучей средой с внутренним пространством цилиндра 61, и верхний конец, сообщающийся текучей средой с нижней стороной верхнего приемного клапана 69. Когда плунжер 67 осуществляет ход вниз, шар 71 опирается на клетку 75 клапана, и скважинная текучая среда проходит через верхний прием 25, верхний приемный клапан 69 и в цилиндр 61 над плунжером 67.

Верхний клапанный узел 57 имеет верхний выкидной клапан 79, смещенный от оси 32 в направлении противоположном верхнему приемному клапану 69. Верхний выкидной клапан 79 может являться идентичным верхнему приемному клапану 69, но перевернутым. Выкидной проход 81 верхнего переводника в верхнем переводнике 70 проходит вверх и наружу из внутреннего пространства цилиндра 61 в канал 83 верхнего выкидного клапана в верхнем клапанном корпусе 68. Канал 83 верхнего выкидного клапана проходит в выкидной проход 63 насоса. Верхний выкидной клапан 79 установлен в канале 83 верхнего выкидного клапана, и когда плунжер 67 осуществляет ход вверх, скважинная текучая среда в цилиндре 61 над плунжером 67 проходит через выкидной проход 81 верхнего переводника, верхний выкидной клапан 79 и в выкидной проход 63 насоса.

Как показано пунктирными линиями на фиг. 2A и в поперечном сечении фиг. 3, верхний проход 85 кольцевого пространства проходит из кольцевого пространства 65 через верхний переводник 70 и корпус 68 клапана в выкидной проход 63 насоса. Верхний проход 85 кольцевого пространства является параллельным и смещенным от оси 32 и канала 83 верхнего выкидного клапана. Верхний конец верхнего прохода 85 кольцевого пространства сообщается текучей средой с верхним концом канала 83 верхнего выкидного клапана над верхним выкидным клапаном 79. В данном примере верхний проход 85 кольцевого пространства проходит в выкидной проход 63 насоса, как показано на фиг. 3.

Показанный на фиг. 2B, нижний клапанный узел 59 имеет нижний клапанный корпус 89, который крепится, например, резьбовым соединением, к основанию 53 насоса. Нижний переводник 91 крепится к верхнему концу нижнего клапанного корпуса 89 и нижнему концу кожуха 55 насоса. Нижний приемный клапан 93, который может являться идентичным, но перевернутым относительно верхнего приемного клапана 69 (фиг. 5A) установлен в нижнем клапанном корпусе 89 смещенным от оси 32. Нижний приемный клапан 93 расположен над и сообщающимся текучей средой с нижним приемом 27. Приемный проход 95 нижнего переводника в нижнем переводнике 91 имеет верхний конец, сообщающийся текучей средой с внутренним пространством цилиндра 61 под плунжером 67. Приемный проход 95 нижнего переводника проходит вниз и наружу из цилиндра 61 в нижний приемный клапан 93. Когда плунжер 67 перемещается ходом вверх, скважинная текучая среда проходит через нижний прием 27, нижний приемный клапан 93 и приемный проход 95 нижнего переводника в цилиндр 61 под плунжером 67.

Нижний выкидной клапан 97 установлен в нижнем выкидном клапанном канале 99 в нижнем клапанном корпусе 89 параллельно и со смещением на 180 градусов от нижнего приемного клапана 93. Нижний выкидной клапан 97 может являться идентичным верхнему выкидному клапану 79 но перевернутым. Выкидной проход 101 нижнего переводника сообщается текучей средой с выкидной стороной нижнего выкидного клапана 97. Выкидной проход 101 нижнего переводника проходит вверх и внутрь через нижний переводник 91 со смещением от приемного прохода 95 нижнего переводника. Верхний конец выкидного прохода 101 нижнего переводника проходит из внутреннего пространства цилиндра 61 под плунжером 67 в нижний выкидной клапанный канал 99 над нижним выкидным клапаном 97.

Выкидная или нижняя сторона нижнего выкидного клапана 97 сообщается текучей средой с нижним проходом 103 кольцевого пространства (показано пунктирными линиями), который проходит через нижний переводник 91. Нижний проход 103 кольцевого пространства связывает нижнюю сторону выкидного клапана 97 с кольцевым пространством 65. Нижний проход 103 кольцевого пространства является параллельным и смещенным от нижнего выкидного клапанного канала 99, как показано на фиг. 4. Соединительный проход 105 в нижнем клапанном корпусе 89 проходит частично в направлении по окружности для соединения нижнего конца нижнего выкидного клапанного канала 99 и нижнего прохода 103 кольцевого пространства друг с другом.

В работе варианта осуществления, показанного на фиг. 1 - 5, цепь управления подает электропитание переменного тока в фазовом режиме на катушки 35 для взаимодействия с магнитами 39 для получения линейного перемещения вдоль оси 32 приводного механизма 37 двигателя (фиг. 5B). Приводной механизм 37 двигателя обеспечивает линейное перемещение плунжера 67 насоса (фиг. 2A и 2B). При условии, что перемещение происходит в направлении хода вверх, скважинная текучая среда проходит в нижнем приеме 27, через нижний приемный клапан 93 и приемный проход 95 нижнего переводника во внутреннее пространство цилиндра 61 под плунжером 67. Скважинная текучая среда в цилиндре 61 над плунжером 67 от предыдущего хода вниз выталкивается вверх во время хода вверх через выкидной проход 81 верхнего переводника и верхний выкидной клапан 79 в выкидной проход 63 насоса. Скважинная текучая среда в выкидном проходе 63 насоса проходит вверх в эксплуатационную колонну 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Перемещение вверх скважинной текучей среды в цилиндре 61 во время хода вверх плунжера 67 не приводит к выливанию из верхнего приема 25, поскольку верхний приемный клапан 69 должен закрываться шаром 71, сидящим в седле 73. Аналогично, во время хода вверх скважинная текучая среда, выкидываемая в выкид 63 насоса не стекает по верхнему проходу 85 кольцевого пространства в кольцевое пространство 65, поскольку выкидное давление на выкиде 63 насоса должно сообщаться с нижним выкидным клапаном 97, закрывая его. Данное выкидное давление на выкиде 63 насоса сообщается с кольцевым пространством 65, которое сообщается с нижней стороной нижнего выкидного клапана 97 через нижний проход 103 кольцевого пространства, соединительный проход 105 и нижний выкидной клапанный канал 99. Таким образом, во время хода вверх плунжера 67 нижний приемный клапан 93 и верхний выкидной клапан 79 открыты, и нижний выкидной клапан 97 и верхний приемный клапан 69 закрыты.

Датчики (не показано) должны передавать сигналы в цепь управления, когда приводной механизм 37 двигателя достигает верхнего конца хода вверх. Контроллер (не показано) координирует подачу питания на катушки 35 для обеспечения начала хода вниз приводного механизма 37. Во время хода вниз скважинная текучая среда проходит в верхнем приеме 25 через верхний приемный клапан 69 и приемный проход 77 верхнего переводника во внутреннее пространство цилиндра 61. Одновременно, скважинная текучая среда в цилиндре 61 под плунжером 67 должна выталкиваться на выход во время хода вниз. Выталкиваемая скважинная текучая среда проходит через выкидной проход 101 нижнего переводника и через нижний выкидной клапан 97 и соединительный проход 105 в нижний проход 103 кольцевого пространства. Скважинная текучая среда проходит вверх по нижнему проходу 103 кольцевого пространства в кольцевое пространство 65. Скважинная текучая среда проходит из кольцевого пространства 65 через верхний проход 85 кольцевого пространства к выкидному проходу 63 насоса и вверх по эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Выкидное давление во время хода вниз не вызывает выливания скважинной текучей среды из нижнего приема 27, поскольку должно обеспечивать закрытие нижнего приемного клапана 93. Выкидное давление в выкиде 63 насоса во время хода вниз не вызывает прохождения скважинной текучей среды через верхний выкидной клапан 79, поскольку должно закрывать верхний выкидной клапан 79. Таким образом, во время хода вниз нижний выкидной клапан 97 и верхний приемный клапан 69 открыты, а верхний выкидной клапан 79 и нижний приемный клапан 93 закрыты. Во время хода вниз соединительная штанга 41 работает на растяжение, хотя ход вниз является рабочим ходом, обеспечивающим подъем скважинной текучей среды в эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб.

Второй вариант осуществления насоса показан на фиг. 6 – 8. Как показано на фиг. 6, реверсивно действующая компоновка 111 поршневого насоса установлена в стволе 113 скважины вдоль в общем вертикальной оси “A”. Хотя компоновка 111 насоса показана установленной в общем в вертикальной секции ствола 113 скважины, компоновку 111 насоса можно альтернативно устанавливать в наклонно-направленной или горизонтальной секции (не показано) ствола 113 скважины. Ствол 113 скважины имеет крепление обсадной колонной 115, которая проперфорирована или имеет отверстия 117 для обмена скважинной текучей средой с окружающим геологическим пластом “F”.

Компоновка 111 насоса показана закрепленной на эксплуатационной колонне 119 насосно-компрессорных труб, проходящей в корпусе 113 скважины в направлении к устью скважины от компоновки 111 насоса. Альтернативно, компоновку 111 насоса может нести гибкая насосно-компрессорная труба или другая конструкция с функциональными возможностями транспортировки скважинных текучих сред на площадку и с площадки на поверхности (не показано). Компоновка 111 насоса соединена с двигателем или исполнительным механизмом 121, установленным под ней, или со стороны забоя скважины от компоновки 111 насоса. Как описано более подробно ниже, исполнительный механизм 121 выполнен с функциональной возможностью аксиального перемещения соединительной штанги 123 компоновки 111 насоса в возвратно-поступательном режиме. Исполнительный механизм 121 может включать в себя погружной роторный электрический двигатель, имеющий преобразователь вращения в линейное перемещение, и может получать электропитание по электрическому кабелю (не показано), проходящему на площадку на поверхности. В других вариантах осуществления исполнительный механизм 121 может включать в себя гидравлический исполнительный механизм, электрический линейный двигатель или другие исполнительные механизмы с функциональными возможностями создания линейного возвратно-поступательного движения соединительной штанги 123.

В работе варианта осуществления фиг. 6 - 8 исполнительный механизм 121 активируется для перемещения соединительной штанги 123 попеременно ходом вниз (в направлении к забою скважины) и ходом вверх (в направлении к устью скважины). Как описано более подробно ниже, ход вниз втягивает скважинную текучую среду внутрь компоновки насоса через впускные окна 125. Скважинная текучая среда, движущаяся в направлении к впускным окнам 125 между обсадной колонной 115 и компоновкой 111 насоса по направлению стрелок “L”, образует поток относительно низкого давления. Скважинная текучая среда меняет направление на обратное после входа во впускные окна 125. Данный реверс может вызывать сепарирование газа от жидкости в скважинной текучей среде аналогично работе газового сепаратора с реверсом потока для минимизации объема газа, входящего в компоновку 111 насоса. Ход вниз также обеспечивает давление для выкида скважинной текучей среды из компоновки 111 насоса в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб. Скважинная текучая среда, движущаяся в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб по направлению стрелок “H”, создает поток относительно высокого давления. Во время хода вверх происходит обмен скважинных текучих сред в компоновке 111 насоса. Путь потока, проходящего через компоновку насоса, описан ниже.

Как понятно специалисту в данной области техники, рабочий ход или ход вниз создает растяжение соединительной штанги 123, а ход заполнения или ход вверх создает сжатие соединительной штанги. Величина сжатия при ходе вверх меньше величины растяжения при ходе вниз, поскольку ход вверх служит в основном для обмена текучих сред в компоновке 111 насоса в “цикле пополнения”, а ход вверх является “рабочим циклом” сообщения энергии скважинной текучей среде для перемещения к устью скважины через эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб. Такое устройство снижает вероятность выпучивания соединительной штанги 123 во время работы, и таким образом обеспечивает надежную работу компоновки 111 насоса.

Показанная на фиг. 7A и 7B, компоновка 111 насоса включает в себя кольцевой кожух 131 насоса, имеющий верхний конец 131a и нижний конец 131b. Связанные термины, например, “верхний”, “нижний” и т.п. применяютcя в данном документе только для удобства, поскольку компоновка 111 насоса также является работоспособной в горизонтальной или наклонно-направленной ориентации, как указано выше. Крышка 133 насоса соединена с верхний концом 131а кожуха 131 насоса. Крышка 133 насоса включает в себя центральную внутреннюю камеру 135, которая сообщается текучей средой с впускными окнами 125. Выкидные окна 137 проходят через крышку 133 насоса и радиально разнесены по окружности внутренней камеры 135. Выкидные окна 137 сообщаются текучей средой с соединительным устройством 139, выполненным в крышке 133, что обеспечивает механическое и гидравлическое соединение компоновки 111 насоса с эксплуатационной колонной 119 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Всасывающий клапан 143 соединен с крышкой 133 насоса и подвешен на ней неподвижно или стационарно в кожухе 131 насоса. Всасывающий клапан 143 включает в себя уплотнительный элемент 145, с функциональными возможностями избирательно обеспечивать или сдерживать прохождение потока скважинных текучих сред через всасывающий клапан 143. Как показано, уплотнительный элемент 145 является шаром, пассивно функционирующим, открывая и обеспечивая прохождение потока скважинной текучей среды через всасывающий клапан 143, когда давление под всасывающим клапаном 143 меньше давления над всасывающим клапаном 143, что должно возникать во время хода вниз. Наоборот, уплотнительный элемент 145 пассивно закрывается с упором в седло, когда давление под всасывающим клапаном 143 больше давления над всасывающим клапаном 143, что возникает во время хода вверх. Альтернативно, уплотнительный элемент 145 может являться дроссельной заслонкой, или другим механизмом с пассивным или активным управлением для открытия во время хода вниз, и закрытия во время хода вверх.

Цилиндр 149 насоса проходит под всасывающий клапан 143 в кожух 131 насоса. Цилиндр 149 насоса сконструирован, как трубчатый корпус с резьбами, выполненными на его верхнем и нижнем концах. Резьба на верхнем конце цилиндра 149 насоса свинчивается с первым адаптером 151, который соединен с всасывающим клапаном 143 вторым адаптером 153. Внутренняя полость 155 образована на внутреннем пространстве цилиндра 149 насоса, и кольцевой проход 157 образован между цилиндром 149 насоса и кожухом 131 насоса. Внутренняя полость 155 сообщается текучей средой с всасывающим клапаном 143, и кольцевой проход 157 сообщается текучей средой с выкидными окнами 137, выполненными в крышке 133 насоса. Перенаправляющие окна 159 выполнены проходящими через трубчатый корпус цилиндра 149 насоса, и сообщаются текучей средой с кольцевым проходом 157. Резьба на нижнем конце цилиндра 149 насоса свинчивается с муфтовым элементом 161.

Муфтовый элемент 161 также соединен с нижним концом 131b кожуха 131 насоса резьбой. Муфтовый элемент 161, таким образом, поддерживает радиальное разделение между цилиндром 149 насоса и кожухом 131 насоса. Соединительная штанга 123 радиально окружена муфтовым элементом 161, который в некоторых вариантах осуществления может включают в себя направляющие фланцы 163, при этом муфтовый элемент 161 служит в качестве подшипника для опирания возвратно-поступательно перемещающейся аксиально соединительной штанги 123. Муфтовый элемент 161 несет элемент 165 основания на своем нижнем конце. Элемент 165 основания вмещает уплотнение 167, которое взаимодействует с соединительной штангой 123 и работает, изолируя скважинные текучие среды снаружи компоновки 111 насоса от скважинных текучих сред относительно более высокого давления внутри компоновки 111 насоса. Уплотнение 167 также работает, предотвращая попадание скважинной текучей среды в исполнительный механизм 121 (фиг. 1). Уплотнение 167 может включают в себя эластомерные кольца круглого сечения, сильфонные элементы или другие устройства динамического уплотнения известные в технике для уплотнения вокруг возвратно-поступательно перемещающегося элемента.

С верхним концом соединительной штанги 123, соединен перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175. Каждый из следующего: перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175 возвратно-поступательно перемещаются с соединительной штангой 123 в цилиндре 149 насоса, и установлены с плотным прилеганием в цилиндре 149 насоса. Перфорированный цилиндр 171 включает в себя радиальные отверстия 177, выполненные в нем, через которые скважинная текучая среда может проходить. Плунжер 173 включает в себя аксиальное отверстие 179, проходящее через него, которое осуществляет сообщение текучей средой перфорированного цилиндра 171 и подвижного клапана 175. Подвижный клапан 175 включает в себя уплотнительный элемент 181, который выполнен с функциональными возможностями открываться во время хода вверх и закрываться во время хода вниз. Как показано, уплотнительный элемент 181 является шаром, расположенным под седлом так, что более высокое давление под шаром, напр., в аксиальном отверстии 179, чем над шаром, например, во внутренней полости 155, заставляет шар уплотняться на седле. Как описано ниже, уплотнительный элемент 181 пассивно открывается и закрывается в ответ на перепад давления, создаваемый возвратно-поступательным перемещением соединительной штанги 123.

В работе во время хода вниз исполнительный механизм 121 тянет вниз всех, соединительную штангу 123, перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175, (фиг. 1) из конфигурации, показанной на фиг. 7A и 7B, в направлении к конфигурации, показанной на фиг. 8. Поскольку по меньшей мере плунжер 173 входит с плотным прилеганием в цилиндр 149 насоса, данное движение вниз нагнетает давление в скважинных текучих средах под уплотнительным элементом 181, и при этом удерживает подвижный клапан 175 в закрытой конфигурации во время хода вниз. Скважинная текучая среда под уплотнительным элементом 181 выталкивается вниз и проходит через перенаправляющие окна 159, при этом скважинная текучая среда меняет направление на обратное в кольцевом проходе 157. В верхней части кольцевого прохода 157 скважинная текучая среда входит в выкидные окна 137, выполненные в крышке 133 насоса и выходит из компоновки 111 насоса. Выкидываемая скважинная текучая среда проходит в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб (фиг. 1) и на устье скважины в направлении к площадке на поверхности.

Также во время хода вниз разрежение или уменьшенное давление генерируется над уплотнительным элементом 181 подвижного клапана 175. Данное создает давление во внутренней полости 155 над подвижным клапаном 175 ниже давления во внутренней камере 135 крышки 133 насоса. Данный перепад давления обуславливает выход уплотнительного элемента 145 из сцепления со своим седлом и обеспечивает проход скважинной текучей среды через всасывающий клапан 143. Скважинная текучая среда, таким образом, проходит в компоновку 111 насоса через впускные окна 125 и через внутреннюю камеру 135 крышки 133 насоса, а затем через стационарный клапан 143. Данный поток текучей среды заполняет внутреннюю полость 155 скважинной текучей средой.

Когда ход вниз завершен, начинается ход вверх, поскольку исполнительный механизм 121 (фиг. 6) меняет на обратное направление перемещения соединительной штанги 123, перфорированного цилиндра 171, плунжера 173 и подвижного клапана 175. Данное перемещение вверх увеличивают давление над плунжером 173, и при этом вызывает выход уплотнительного элемента 181 из сцепления со своим седлом и открытие подвижного клапана 175. Данное увеличение давления над плунжером 173 вызывает закрытие всасывающего клапана 143 и обеспечивает проход скважинной текучей среде, вошедшей во внутреннюю полость 155 во время предыдущего хода вверх, через подвижный клапан 175 и через аксиальное отверстие 179 плунжера 173. Ход вверх, таким образом, обеспечивает пополнение объема под плунжером скважинной текучей средой, и данную текучую среду получают после последующего хода вверх. Цикл хода вниз и хода вверх повторяется для получения скважинных текучих сред на устье скважины.

На фиг. 9 показан третий вариант осуществления насоса. При отличающейся конструкции компоновка 201 насоса является аналогичной в работе компоновке 111 насоса, описанной выше. Компоновка 201 насоса включает в себя крышку 203 насоса и элемент 205 основания, несущий наружный кольцевой кожух 207 насоса и внутренний кольцевой цилиндр 209 насоса между ними. Всасывающий клапан 211 соединен с крышкой 203 насоса, и подвижный клапан 213 соединен с плунжером 215 и соединительной штангой 217. Соединительная штанга 217 может соединяться с исполнительным механизмом 121 (фиг. 6), установленным под компоновкой 201 насоса, как описано выше.

Соединительная штанга 217 включает в себя радиальные отверстия 219, образованные в ней для обеспечения замены скважинной текучей среды из частей внутреннего пространства соединительной штанги 217 на находящуюся снаружи соединительной штанги 217. Перенаправляющие окна 221 выполнены в элементе 205 основания, а не в цилиндре 149, как перенаправляющие окна 159 (фиг. 7B) второго варианта осуществления. Перенаправляющие окна 221 выполнены с функциональными возможностями перенаправления проходящего вниз потока скважинных текучих сред из цилиндра 209 насоса к направленному вверх потоку в кольцевом проходе 223, образованном между буферным цилиндром 209 и кожухом 207 насоса.

В работе варианта осуществления фиг. 9 первый ход вниз обеспечивает относительно низкое давление текучей среды снаружи кожуха 207 насоса (стрелки “A”) для входа в компоновку 201 насоса через впускные окна 225 (стрелка “B”). Поток текучей среды низкого давления перенаправляется к потоку вниз (стрелка “C”), где текучая среда проходит через открытый всасывающий клапан 211 (стрелка “D”) к закрытому подвижному клапау 213. Следующий ход вверх вызывает открытие подвижного клапана 113 для обеспечения потоку текучей среды низкого давления прохода подвижного клапана 213 к пространству, образованному под плунжером 215 (стрелка “E”). Второй ход вниз затем нагнетает давление в текучей среде под подвижным клапаном 213 и создает поток текучей среды относительно высокого давления, проходящий вниз и через перенаправляющие окна 221 (стрелки “F”). Поток текучей среды высокого давления продолжает прохождение через кольцевой проход 223 и через выкидные окна 227 (стрелки “G”). Поток текучей среды высокого давления может затем продолжить проход к устью скважины через трубу, например, эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб (фиг. 6).

На фиг. 10 – 12 показан четвертый вариант осуществления компоновки насоса. Как показано на фиг. 10A, насос 301 имеет выкидной адаптер 303 на верхнем конце, который обычно соединен с эксплуатационной колонной 304 насосно-компрессорных труб, ведущей вверх к оборудованию устья скважины. Крышка 305 насоса крепится резьбовыми соединениями к выкидному адаптеру 303. Цилиндрический кожух 307 насоса крепится резьбовыми соединениями к крышке 305 насоса. Выкидные окна 309 скважинной текучей среды проходят через крышку 305 насоса от нижнего конца до верхнего конца. Прием или впускное окно 311 скважинной текучей среды проходит снаружи крышки 305 насоса до центральной полости 313 в крышке 305 насоса, центральная полость 313 имеет закрытый верхний конец в крышке 305 насоса.

Всасывающий клапан 315 крепится к верхнему концу крышки 305 насоса в выкидном адаптере 303. Всасывающий клапан 315 имеет нижнее седло 317 с шаром 319 под ним. Когда давление на шар 319 сверху выше, чем снизу, шар 319 закрывается, блокируя проходящий вниз поток из эксплуатационной колонны 304 насосно-компрессорных труб в выкидные окна 309. Когда давление на шар 319 сверху меньше, чем снизу, шар 319 открывается, обеспечивая проходящий вверх поток скважинной текучей среды из выкидных окон 309 из верхнего конца выкидного адаптера 303 в эксплуатационную колонну 304 насосно-компрессорных труб. Всасывающий клапан 315 не действует на впуск 311 скважинной текучей среды, который может оставаться открытым все время.

Цилиндр или ствол 321 коаксиально установлен в кожухе 307 насоса. Муфта 323 на верхнем конце цилиндра 321 с уплотнением соединяет цилиндр 321 с подвешенной изоляционной трубой 325, проходящей вниз от полости 313 крышки насоса. Цилиндр 321, который не перемещается в кожухе 307 насоса, образует кольцевой проход 327 между цилиндром 321 и кожухом 307 насоса. Цилиндр 321 имеет открытый канал 329 коаксиальный с продольной осью 331 насоса 301. Муфта 323 создает сообщение скважинной текучей средой полости 313 крышки насоса с каналом 329 цилиндра.

Как показано на фиг. 10B, нижний конец цилиндра 321 соединяется с адаптером 333 цилиндра, который можно считать частью ствола 321. Адаптер 333 цилиндра имеет нижний конец, который крепится к основанию 335 насоса, которое крепится к нижнему концу кожуха 307 насоса. Перенаправляющие или выпускные окна 337 проходят через адаптер 333 цилиндра, создавая путь потока, для скважинной текучей среды, проходящей в канале 329 цилиндра для прохождения потока на выход в нижний участок кольцевого прохода 327.

Плунжер 339 скользит с уплотнением в канале 329 цилиндра вдоль оси 331. Плунжер 339 имеет аксиальный проход 340, проходящий сквозь него. Плунжер 339 перемещается от нижнего конца канала 329 цилиндра до верхнего конца. Соединительная штанга 341 имеет верхний конец, который крепится к плунжеру 339 для перемещения плунжера 339 в унисон с ходом вниз и ходом вверх. Уплотнения 343 уплотняются между соединительной штангой 341 и основанием 335 насоса. Верхний конец соединительной штанги 341 имеет наружный диаметр одинаковый с плунжером 339. Обращенный вниз заплечик 342 на соединительной штанге 341 отделяет участок соединительной штанги 341 большего диаметра от нижнего участка соединительной штанги 341 меньшего диаметра. Заплечик 342 можно считать нижним концом плунжера 339, поскольку текучая среда в корпусе 321 под заплечиком 342 должна выталкиваться вниз во время хода вниз.

В данном примере соединительная штанга 341 имеет плунжерные окна 345, расположенные в полости 347 соединительной штанги на верхнем конце соединительной штанги 341. Плунжерные окна 345 связывают скважинную текучую среду в плунжерном проходе 340 со скважинной текучей средой в канале 329 цилиндра. Альтернативно, плунжерные окна 345 могут располагаться непосредственно в боковой стенке плунжера 339.

Подвижный клапан 349 крепится на верхнем конце плунжера 339 для аксиального перемещения с ним. Подвижный клапан 349 имеет верхнее седло 351, с которым взаимодействует шар 353, когда плунжер 339 перемещается ходом вверх. При взаимодействии закрывается подвижный клапан 349, обуславливая перемещение плунжера 339 вниз для выталкивания скважинной текучей среды, размещенной в канале 329 цилиндра под плунжером 339 наружу. Выходящая наружу скважинная текучая среда должна проходить через перенаправляющие окна 337 в кольцевой проход 327 до прохода нижнего конца плунжера 339 под перенаправляющие окна 337. Во время хода вверх подвижный клапан 349 открывается, обеспечивает скважинной текучей среде, которая вошла в канал 329 цилиндра над плунжером 339, прохождение через подвижный клапан 349 и на выход из плунжерных окон 345 в участок канала 329 цилиндра под плунжером 339.

Во время хода вниз плунжера 339 скважинная текучая среда перекачивается вверх в кольцевом проходе 327 на выход из выкидного адаптера 303 для подъема столба скважинной текучей среды в эксплуатационной колонне 304 насосно-компрессорных труб. Ход вниз можно считать рабочим ходом, и во время хода вниз плунжер 339 перемещается в направлении противоположном потоку скважинной текучей среды в эксплуатационную колонну 304 насосно-компрессорных труб. Во время хода вниз подвижный клапан 349 закрывается. Плунжер 339 выталкивает скважинную текучую среду, которая ранее вошла в канал 329 цилиндра под плунжером 339 на выход из перенаправляющих окон 337 до прохода заплечика 342 под перенаправляющие окна 337 вблизи конца хода вниз. Скважинная текучая среда, проходящая в кольцевой проход 327, должна выталкиваться вверх через выкидные окна 309 и через всасывающий клапан 315, который открыт во время хода вниз.

Во время хода вверх подвижный клапан 349 должен открываться, обеспечивая текучей среде, которая входит в приемное окно 311, проход в канал 329 цилиндра над плунжером 339. Данная входящая скважинная текучая среда проходит вниз через подвижный клапан 353 в плунжерный проход 340. Входящая скважинная текучая среда проходит вниз в плунжерном проходе 340 на выход из плунжерных окон 345 в канал 329 цилиндра под плунжером 339. Скважинная текучая среда, входящая в канал 329 цилиндра, должна сообщаться со скважинной текучей средой в кольцевом проходе 327. Ход вверх таким образом пополняет скважинную текучую среду в канале 329 цилиндра под плунжером 339. Всасывающий клапан 315 должен быть закрыт во время хода вверх, блокируя прохождение вниз скважинной текучей среды в эксплуатационной колонне 304 насосно-компрессорных труб. Когда плунжер 339 достигает верхней точки хода вверх, соединительная штанга 341 меняет направление перемещения на обратное, начиная ход вниз.

Во время хода вниз соединительная штанга 341 должна перемещаться вниз и должна работать на растяжение. Во время хода вверх, соединительная штанга 341 должна работать на сжатие, но величина сжатия значительно меньше величины растяжения, поскольку насос 301 не поднимает столб скважинной текучей среды во время хода вверх.

На фиг. 11A-C показан пример линейного двигателя 355 для выполнения ходов соединительной штанги 341. Линейный двигатель 355 имеет крышку 357, которая соединяется с нижним концом насоса 301 (фиг. 10A и 10B) в данном варианте осуществления. Цилиндрический наружный кожух 359 крепится резьбовыми соединениями к нижнему концу крышки 357 двигателя. Уплотнение 361 уплотняется вокруг перемещающейся возвратно-поступательно соединительной штанги 341, уплотнение удерживается стопорной гайкой 363. Крышка 357 двигателя имеет останавливающий упор 365 приводного механизма, который препятствует перемещению соединительной штанги 341 за верхнюю точку хода вверх. Окна 367 двигателя для прохода скважинной текучей среды проходят через крышку 357 двигателя под уплотнение 361 для обеспечения прохода скважинной текучей среды в центральный участок внутреннего пространства наружного кожуха 359 двигателя. Электрическое соединительное устройство 369 в крышке 357 двигателя соединяется с питающими проводами двигателя силового кабеля (не показано) для подачи электропитания в линейный двигатель 355.

Цилиндрический внутренний кожух 371 имеет верхний конец, который крепится к крышке 357 двигателя. Внутренний кожух 371 коаксиально установлен в наружном кожухе 359 и имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха 359 для образования кольцевой камеры 373. Внутренний кожух 371 выполнен из немагнитного материала, который может являться металлом или композитным материалом. Скважинная текучая среда пропускается во внутреннее пространство внутреннего кожуха 371 через окна 367 прохода скважинной текучей среды в крышке 357 двигателя.

Нижний конец соединительной штанги 341 крепится к крышке 374 приводного механизма, как показано на фиг. 11B. Крышка 374 приводного механизма является частью приводного механизма 376, который включает в себя вал или внутреннюю трубу 375, которую несет коаксиально с внутренним кожухом 371, и с наружным диаметром, меньше, чем у крышки 374 приводного механизма. Постоянные магниты 377 установлены вокруг и проходят по длине внутренней трубы 375. Крышка 374 приводного механизма имеет наружный диаметр только немного меньше внутреннего диаметра внутреннего кожуха 371. Внутренняя труба 375 может принимать скважинную текучую среду в свое внутреннее пространство.

Наружный кожух 359 показан состоящим из секций. Соединительное устройство 379 с датчиком и подшипником соединяет верхнюю секцию наружного кожуха 359 со следующей нижней секцией наружного кожуха 359. Соединительное устройство 379 с датчиком и подшипником имеет внутренний диаметр, обеспечивающий плотное прилегание по окружности внутреннего кожуха 371 для создания радиальной опоры. В данном примере внутренний кожух 371 проходит непрерывно по всей длине линейного двигателя 355, но также может выполняться из секций. Датчик 381 крепится на соединительное устройство 379 с датчиком и подшипником в нижнем конце кольцевой камеры 373. Датчик 381 обнаруживает приближение части приводного механизма 376 для определeния верхней точки хода вверх и нижней точки хода вниз. Датчик 381 может являться магнитным датчиком на основе эффекта Холла, который передает магнитное поле внутрь на внутреннем кожухе 371 для обнаружения подхода крышки 374 приводного механизма, когда приводной механизм 376 приближается к нижней точке хода вниз. Дополнительные соединительные устройства (не показано) аналогичные соединительному устройству 379 с датчиком и подшипником могут соединять дополнительные части наружного кожуха 359. Данные соединительные устройства не требуют обязательного оснащения датчиками 381.

Несколько обмоток 383 электрoмагнитных катушек установлено в кольцевой камере 385 обмоток. Камера 385 обмоток содержит кольцевое пространство между внутренним кожухом 371 и частью наружного кожуха 359, проходящей вниз от соединительного устройства 379 с датчиком и подшипником. Верхний конец камеры 385 обмоток образован соединительным устройством 379 с датчиком и подшипником. Камеру 385 обмоток заполняют диэлектрической жидкостью или текучей средой, в которую погружаются катушечные обмотки 383. Проход (не показано) в соединительном устройстве 379 с датчиком и подшипником связывает диэлектрическую текучую среду в камере 385 с диэлектрической текучей средой в кольцевой камере 373. При подаче электрических импульсов катушечные обмотки 383 наводят электрoмагнитные поля на внутреннем кожухе 371 для взаимодействия с магнитами 377 приводного механизма и обуславливают ход приводного механизма 376. Катушечные обмотки 383 не проходят по всей длине камеры 385 обмоток. Аксиальная длина магнитов 377 приводного механизма больше аксиальной длины катушечных обмоток 383. Электрические провода (не показано) для катушечных обмоток 383 проходят от электрического соединительного устройства 369 (фиг. 11A) через проход 386 провода в кольцевую камеру 373. Электрические провода проходят через проходы в соединительном устройстве 379 с датчиком и подшипником (фиг. 11B) на катушечные обмотки 383.

Как показано на фиг. 11C, винтовая пружина 387 окружает нижний конец внутренней трубы 375 приводного механизма и несет нижний конец группы магнитов 377 приводного механизма. Основание 389 приводного механизма с диаметром больше, чем у внутренней трубы 375 приводного механизма несет винтовую пружину 387. Винтовая пружина 387 работает на сжатие между основанием 389 приводного механизма и магнитами 377 приводного механизма, поджимая группу магнитов 377 приводного механизма к крышке 374 приводного механизма (фиг. 11B). Магниты 377 приводного механизма могут аксиально скользить по внутренней трубе 375 приводного механизма, и отклонение винтовой пружины 387 воспринимает тепловое расширение, которое возникает между отличающимися материалами внутренней трубы 375 приводного механизма и магнитами 377 приводного механизма.

Тонкая магнитная муфта 390 заключает в себе магниты 377 приводного механизма и проходит от основания 389 приводного механизма (фиг. 11C) до крышки 374 приводного механизма (фиг. 11B). Магнитная муфта 390 перемещается в унисон с приводным механизмом 376 и скользит во внутреннем кожухе двигателя 371. Магнитная муфта 390 создает защиту магнитов 377 от износа и не изолирована от скважинной текучей среды, находящейся во внутреннем кожухе двигателя 371.

Основание 391 двигателя крепится резьбовыми соединениями к нижнему концу самой нижней части наружного кожуха 359. Нижний конец внутреннего кожуха 371 уплотняется к расточенному отверстию в основании 391 двигателя. Окно 393 скважинной текучей среды проходит в основание 391 двигателя для впуска скважинной текучей среды во внутреннее пространство внутреннего кожуха 371 а также внутреннее пространство трубы 375 приводного механизма. Основание 391 двигателя имеет поперечную барьерную стенку 395 под окном 393 скважинной текучей среды, которая закрывает внутреннее пространство внутреннего кожуха 371 от центрального прохода 396 в основании 391 двигателя, расположенного под ним. Основание 391 двигателя имеет проходы 397 диэлектрической текучей среды, которые проходят от центрального прохода 396 в камеру 385 обмоток.

Как показано на Фиг. 12, в данном варианте осуществления блок 399 расширительной камеры крепится к основанию 391 двигателя. Блок 399 расширительной камеры имеет крышку 401, которая крепится к основанию 391 двигателя, либо резьбовой вращающейся муфтой или болтами. Крышка 401 расширительной камеры имеет аксиально проходящий проход 403 диэлектрической текучей среды, который связывается с полостью 396 основания двигателя. Направляющая труба 405 проходит коаксиально вниз от крышки 401 расширительной камеры в совмещении с проходом 403 диэлектрической текучей среды. Перемещающийся элемент, например гибкий эластомерный мешок 407 окружает направляющую трубу 405. Альтернативно, перемещающийся элемент может являться сильфоном или поршнем. Кожух 409 расширительной камеры окружает мешок 407 и соединяется с крышкой 401 расширительной камеры. Мешок 407 заполняется диэлектрической текучей средой, и окна 411 направляющей трубы обеспечивают сообщение текучей средой между мешком 407 и камерой 385 обмоток через проходы 403, 396 и 397. Впуск 413 скважинной текучей среды в кожухе расширительной камеры 409 впускает скважинную текучую среду на внешнюю сторону мешка 407. Мешок 407 изолирует диэлектрическую текучую среду в своем внутреннем пространстве от скважинной текучей среды в кожухе 409 и уравнивает давление диэлектрической текучей среды в камере 385 обмоток с гидростатическим давлением скважинной текучей среды.

Нижнее соединительное устройство 415 крепится к нижнему концу кожуха 409. Дополнительные части кожуха 409 и дополнительные мешки 407 можно установить под нижним соединительным устройством 415 в тандеме. Альтернативно, нижнее соединительное устройством 415 можно выполнить с возможностью содержать нижний конец блока 399 расширительной камеры. Верхний конец мешка 407 уплотняется вокруг направляющей трубы 405 выше окна 411 направляющей трубы. Нижний конец мешка 407 уплотняется вокруг нижнего соединительного устройства 415.

Когда компоновка насоса 301 развернута в скважине, температура скважинной текучей среды часто увеличивается с глубиной. Увеличивающаяся температура вызывает тепловое расширение диэлектрической текучей среды, содержащейся в камере 385 обмоток. Также, работающий линейный двигатель 355 генерирует дополнительную теплоту, вызывающую тепловое расширение диэлектрической текучей среды в камере 385 обмоток, кольцевой камере 373 и проходе 386 электрической проводки (фиг. 11A-C). Тепловое расширение воспринимается обеспечивающим расширение мешком 407. Когда линейный двигатель 355 выключают, он должен охлаждаться, вызывая тепловое сокращение диэлектрической текучей среды. Мешок 407 сокращается, воспринимая сокращение.

Контроллер (не показано) на поверхности смежный с оборудованием устья скважины должен подавать первый импульс, предпочтительно постоянного тока, на катушечные обмотки 383, обуславливая выполнение приводным механизмом 376 хода соединительной штанги 341 в первом направлении. Принимаем первое направление, как ход вверх, вблизи верхней точки хода датчик 381 должен обнаруживать приближение основания 389 приводного механизма, и передавать сигнал на контроллер. Контроллер меняет полярность на обратную на обмотках 383 катушек, обуславливая начало приводным механизмом 376 хода вниз соединительной штанги 341. С приближением к нижней точке хода вниз датчик 381 должен обнаруживать приближение крышки 374 приводного механизма, и передавать сигнал на контроллер вновь изменения направления на обратное.

Компоновка насоса может также иметь различные дополнительные датчики для обнаружения условий скважинной текучей среды. Например, значительное уменьшение силы тока, подаваемого на линейный двигатель 355, может указывать, что большой газовый пузырь в скважинной текучей среде проходит в насос 301. Контроллер может в ответ предпринимать различные исправительные действия, например, подачу гораздо более быстрых импульсов, заставляющих вибрацию компоновки насоса вызывать распад газового пузыря. Другим исправительным действием может являться отключение питания линейного двигателя 355 на заданное время, обеспечивающее растворение газового пузыря.

Хотя изобретение показано только в нескольких из своих форм, специалисту в данной области техники понятно, что оно этим не ограничено, но может получать различные изменения

Компоновка погружного скважинного насоса имеет кожух насоса с выкидом насоса на верхнем конце. Цилиндр насоса установлен в кожухе насоса, образуя кольцевой проход между цилиндром и кожухом насоса. Плунжер возвратно-поступательно перемещается в корпусе. Двигатель, установленный под кожухом насоса и функционально соединенный с плунжером, обеспечивает возвратно-поступательное перемещение плунжера между ходом вниз и ходом вверх. Устройство из клапанов и окон направляет скважинную текучую среду в цилиндре под плунжером в кольцевой проход и на выход из выкида во время хода плунжера вниз. Устройство из клапанов и окон впускает скважинную текучую среду в цилиндр под плунжером во время хода плунжера вверх. Соединительная штанга проходит между двигателем и плунжером. Соединительная штанга работает на растяжение во время хода вверх. Технический результат заключается в повышении эффективности погружного скважинного насоса. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Компоновка погружного скважинного насоса, содержащая:

кожух насоса, имеющий продольную ось и выкид насоса на верхнем конце;

цилиндр насоса, установленный в кожухе насоса, образующий кольцевой проход между цилиндром и кожухом насоса;

плунжер, возвратно-поступательно перемещающийся в корпусе;

двигатель, установленный на кожухе насоса и функционально соединенный с плунжером для обеспечения возвратно-поступательного перемещения плунжера между ходом заполнения и рабочим ходом; и

клапанное средство в кожухе насоса для направления скважинной текучей среды в цилиндре под плунжером в кольцевой проход и на выход из выкида в направлении, противоположном рабочему ходу во время рабочего хода плунжера и для впуска скважинной текучей среды в цилиндр под плунжером во время хода заполнения плунжера;

соединительную штангу, проходящую между двигателем и плунжером; и при этом соединительная штанга работает на растяжение во время рабочего хода.

2. Компоновка по п.1, в которой клапанное средство содержит выпускное окно цилиндра под плунжером, которое создает сообщение скважинной текучей среды в цилиндре со скважинной текучей средой в кольцевом проходе.

3. Компоновка по п.1, в которой двигатель содержит:

наружный кожух двигателя;

внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в наружном кожухе двигателя, причем внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток;

катушечные обмотки в камере обмоток; и

приводной механизм, установленный во внутреннем кожухе двигателя, причем приводной механизм содержит вал с множеством магнитов, проходящих по длине вала, при этом электропитание, поданное на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси, причем приводной механизм функционально соединен с плунжером для обеспечения хода вверх и хода вниз плунжера.

4. Компоновка по п.1, в которой клапанное средство содержит впуск скважинной текучей среды на верхнем конце кожуха насоса, который впускает скважинную текучую среду снаружи компоновки в кожух насоса.

5. Компоновка по п.1, в которой клапанное средство содержит:

впуск скважинной текучей среды на верхнем конце кожуха насоса, сообщающийся по текучей среде с внутренним пространством цилиндра над плунжером, причем впуск скважинной текучей среды направляет скважинную текучую среду из впуска в корпус над плунжером во время рабочего хода плунжера.

6. Компоновка по п.1, в которой клапанное средство содержит:

впуск скважинной текучей среды на верхнем конце кожуха насоса, сообщающийся по текучей среде с внутренним пространством цилиндра над плунжером;

проход плунжера, проходящий аксиально через плунжер;

подвижный клапан, установленный в плунжере, для перемещения с ним, причем подвижный клапан открывает проход плунжера для обеспечения прохода скважинной текучей среды во внутреннем пространстве цилиндра вниз через проход плунжера во время хода заполнения, подвижный клапан закрывается во время рабочего хода, предотвращая проход скважинной текучей среды под плунжером вверх через проход плунжера.

7. Компоновка по п.1, в которой двигатель содержит:

наружный кожух двигателя;

внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в наружном кожухе двигателя, причем внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток;

катушечные обмотки в камере обмоток; и

приводной механизм, установленный во внутреннем кожухе двигателя, причем приводной механизм содержит вал с множеством магнитов, проходящих по длине вала, при этом электропитание, поданное на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси, причем приводной механизм функционально соединен с плунжером для обеспечения хода вверх и хода вниз плунжера;

расширительную камеру, соединенную с наружным кожухом двигателя, причем расширительная камера имеет перемещающийся элемент и содержит диэлектрическую текучую среду, причем перемещающийся элемент перемещается, реагируя на перепад давления скважинной текучей среды снаружи расширительной камеры и давления диэлектрической текучей среды; и

проход для сообщения диэлектрической текучей средой, ведущий из расширительной камеры в камеру обмоток, сообщающуюся с диэлектрической текучей средой в камере обмоток.

8. Компоновка по п.1, в которой двигатель содержит:

наружный кожух двигателя;

внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в наружном кожухе двигателя, причем внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток;

катушечные обмотки в камере обмоток, погруженные в диэлектрическую текучую среду, содержащуюся в камере обмоток;

приводной механизм, установленный во внутреннем кожухе двигателя, причем приводной механизм содержит вал, имеющий множество магнитов, проходящих по длине вала, при этом электропитание, поданное на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси, приводной механизм функционально соединен с плунжером для обеспечения хода заполнения и рабочего хода плунжера;

расширительную камеру, соединенную с наружным кожухом двигателя, причем расширительная камера имеет перемещающийся элемент и содержит диэлектрическую текучую среду, перемещающийся элемент перемещается, реагируя на перепад давления скважинной текучей среды снаружи расширительной камеры и давления диэлектрической текучей среды;

проход для сообщения диэлектрической текучей средой, ведущий из расширительной камеры в камеру обмоток, с диэлектрической текучей средой в камере обмоток; и

проход скважинной текучей среды двигателя, проходящий во внутреннее пространство внутреннего кожуха двигателя, для погружения приводного механизма в скважинную текучую среду.

9. Компоновка по п.1, в которой клапанное средство также направляет скважинную текучую среду в корпусе над плунжером на выход из выкида во время хода заполнения плунжера и впускает скважинную текучую среду в корпус над плунжером во время рабочего хода плунжера.

10. Компоновка погружного скважинного насоса, содержащая:

кожух насоса, имеющий продольную ось, впуск скважинной текучей среды и выкид скважинной текучей среды;

цилиндр насоса, установленный в кожухе насоса, образующий кольцевой проход между цилиндром и кожухом насоса, причем кольцевой проход сообщен по текучей среде с выкидом скважинной текучей среды;

плунжер, возвратно-поступательно перемещающийся в корпусе и перемещающийся между рабочим ходом выталкивания скважинной текучей среды из выкида насоса и приемным ходом втягивания скважинной текучей среды через впуск скважинной текучей среды;

впускное окно цилиндра, которое передает скважинную текучую среду из впуска скважинной текучей среды в корпус на приемном конце плунжера;

выпускное окно цилиндра, которое передает скважинную текучую среда из корпуса на рабочем конце плунжера в кольцевой проход;

проход плунжера, проходящий аксиально через плунжер;

подвижный клапан, который несет плунжер, причем подвижный клапан закрывает проход плунжера во время рабочего хода, при котором скважинная текучая среда выталкивается из выпускного окна корпуса в кольцевой проход и из кольцевого прохода через выкид скважинной текучей среды;

подвижный клапан, открывающий проход плунжера во время приемного хода, при этом обеспечивая проход скважинной текучей среды через проход плунжера от приемного конца плунжера до выпускного конца плунжера; и

двигатель, установленный на кожухе насоса и функционально соединенный с плунжером соединительной штангой, двигатель сообщает возвратно-поступательное перемещение штанге, обеспечивая перемещение плунжера между рабочим ходом и приемным ходом, причем соединительная штанга работает на растяжение во время рабочего хода.

11. Компоновка по п.10, в которой впуск скважинной текучей среды и выкид скважинной текучей среды расположены на одном конце кожуха.

12. Компоновка по п.10, в которой во время рабочего хода плунжер перемещается в направлении от выкида скважинной текучей среды.

13. Компоновка по п.10, в которой во время рабочего хода плунжер перемещается в направлении, противоположном направлению прохождения скважинной текучей среды через кольцевой проход к выкиду скважинной текучей среды.

14. Компоновка по п.10, в которой впускное окно скважинной текучей среды открыто как во время рабочего хода, так и приемного хода.

15. Компоновка по п.10, в которой двигатель содержит:

наружный кожух двигателя;

внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в кожухе двигателя, причем внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток;

катушечные обмотки в камере обмоток, погруженные в диэлектрическую текучую среду, содержащуюся в камере обмоток;

приводной механизм, скрепленный с соединительной штангой и установленный во внутреннем кожухе, причем приводной механизм, содержит вал, имеющий множество магнитов, проходящих по длине вала, где электропитание, поданное на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси;

расширительную камеру, соединенную с наружным кожухом двигателя, причем расширительная камера имеет перемещающийся элемент с одной стороной в контакте с диэлектрической текучей средой и противоположной стороной, открытой воздействию скважинной текучей среды снаружи компоновки, перемещающийся элемент перемещается для уменьшения перепада давления между диэлектрической текучей средой и скважинной текучей средой;

проход для сообщения диэлектрической текучей средой, ведущий из расширительной камеры в камеру обмоток, сообщающуюся текучей средой с диэлектрической текучей средой в камере обмоток; и

проход скважинной текучей среды двигателя, проходящий во внутреннее пространство внутреннего кожуха, для погружения приводного механизма в скважинную текучую среду.

16. Способ подачи насосом текучей среды из скважины, в котором:

(a) обеспечивают кожух насоса, цилиндр насоса в кожухе насоса, образующих кольцевой проход между цилиндром и кожухом насоса, выкид скважинной текучей среды на верхнем конце кольцевого прохода, и плунжер, возвратно-поступательного перемещающийся в корпусе;

(б) устанавливают двигатель под кожухом насоса;

(в) перемещают плунжер в ходе вниз двигателем и во время хода вниз выталкивают скважинную текучую среду в цилиндр под плунжером в кольцевой проход, вверх по нему и из выкида; и

(г) перемещают плунжер в ходе вверх двигателем и во время хода вверх впускают скважинную текучую среду в цилиндр под плунжером.

17. Способ по п.16, в котором:

этап (a) дополнительно содержит создание плунжера с проходом, продолжающимся от верхнего конца до нижнего конца плунжера, и установку подвижного клапана в плунжер;

этап (в) содержит закрытие прохода плунжера подвижным клапаном; и

этап (г) содержит открытие прохода плунжера подвижным клапаном.

18. Способ по п.16, в котором этап (б) содержит:

соединение двигателя с плунжером соединительной штангой; и

этап (г) содержит работу соединительной штанги на растяжение во время хода вверх.

19. Способ по п.16, в котором этап(a) дополнительно содержит создание впуска скважинной текучей среды в кожухе насоса, который расположен на верхнем конце кожуха насоса.

20. Способ по п.16, в котором:

этап (б) содержит создание двигателя с наружным кожухом двигателя, внутренним кожухом двигателя, установленным коаксиально в наружном кожухе двигателя, образующими камеру обмоток, заполненную диэлектрической текучей средой, катушечными обмотками, установленными в камере обмоток, и приводного механизма имеющего магниты, проходящие на нем через внутреннее пространство внутреннего кожуха двигателя;

этап (б) дополнительно содержит соединение расширительной камеры с двигателем и с расширительной камерой уравнивающей давление диэлектрической текучей среды с гидростатическим давлением скважинной текучей средой снаружи двигателя;

этап (в) содержит впуск скважинной текучей среды во внутреннее пространство внутреннего кожуха двигателя; и

этап (г) содержит подачу электропитания на катушечные обмотки для обеспечения линейного перемещения приводного механизма.