СИСТЕМА ВИНТОВОГО НАСОСА С ГИДРОМУФТОЙ Российский патент 2018 года по МПК F04D3/02 F04D13/10 F04D15/00 E21B43/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данный раздел представляет читателю различные аспекты уровня техники, которые могут быть связаны с различными аспектами описанных здесь вариантов осуществления. Данное рассмотрение может помочь обеспечению читателя информацией уровня техники для содействия лучшему пониманию различных аспектов представленных вариантов осуществления. Соответственно, следует понимать, что данную информацию следует понимать в указанном смысле, а не как признания существующего уровня техники.

[0002] Для удовлетворения спроса на природные ресурсы со стороны потребителей и промышленности компании часто инвестируют значительные средства и тратят много времени для разведки и добычи нефти, природного газа и других подземных запасов сырья. В частности, когда обнаруживают требуемые подземные запасы, например, нефти или природного газа, часто используют бурение и системы добычи для обеспечения доступа и добычи запасов. Данные системы можно устанавливать на суше или в море в зависимости от местонахождения требуемых запасов. Дополнительно, такие системы в общем включают в себя компоновку оборудования устья скважины, установленную на скважине, через которую запасы становятся доступными или извлекаются. Данные компоновки оборудования устья скважины могут включать в себя широкий спектр компонентов, например, различные обсадные колонны, клапаны, насосы, трубы текучей среды и т.п., с помощью которых управляют бурением или добычей.

[0003] В некоторых случаях запасы, доступ к которым обеспечивают скважины, могут поступать на поверхность самостоятельно. Такой случай является обычным для газовых скважин, поскольку газ, к которому обеспечен доступ, имеет плотность ниже плотности воздуха. Указанный факт может также иметь место в случае нефтяных скважин, если давление нефти является достаточно высоким для преодоления силы тяжести. Но часто нефть не имеет достаточного давления для достижения поверхности и должна подниматься на поверхность одним из различных способов, известных как механизированная добыча. Механизированная добыча может также применяться для подъема других запасов через скважины на поверхность, или для удаления воды или других жидкостей из газовых скважин. В некоторых формах такой механизированной добычи применяют насос, который установлен в забойной зоне скважины, например, винтовой, или эксцентриковый шнековый, насос, имеющий статор, который взаимодействует с винтовым ротором для подъема текучей среды в скважине.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Ниже изложены некоторые аспекты вариантов осуществления, раскрытых в данном документе. Следует понимать, что данные аспекты представлены только для краткого ознакомления с некоторыми формами, которые может принимать изобретение, и что данные аспекты не ограничивают объем изобретения. На самом деле, изобретение может заключать в себе различные аспекты, не изложенные ниже.

[0005] Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к системам откачки винтовыми насосами. Более конкретно, в некоторых вариантах осуществления система откачки включает в себя винтовой насос, соединенный с двигателем гидромуфтой. Двигатель и ротор винтового насоса могут соединяться с колесами в гидромуфте так, что вращение одного из колес двигателем сообщает вращение другому колесу и ротору. В различных вариантах осуществления скорость откачки винтового насоса можно варьировать, с помощью регулирования рабочей скорости вращения двигателя или с помощью регулирования величины проскальзывания в гидромуфте.

[0006] Различные доработки признаков, указанных выше, можно осуществлять в отношении различных аспектов представленных вариантов осуществления. Дополнительные признаки можно также включать в состав данных различных аспектов. Данные доработки и дополнительные признаки могут существовать по отдельности или в любой комбинации. Например, различные признаки, рассмотренные ниже для одного или нескольких проиллюстрированных вариантов осуществления, можно включать в состав в любом из вышеописанных аспектов настоящего изобретения, индивидуально или в любой их комбинации. Вновь, необходимо отметить, что раскрытие сущности изобретения, представленное выше, предназначено только для ознакомления читателя с некоторыми аспектами и контекстами некоторых вариантов осуществления без ограничения заявленного объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Данные и другие признаки, аспекты и преимущества некоторых вариантов осуществления должны стать более понятными из следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где одинаковые позиции представляют одинаковые части на всех чертежах, и на которых показано следующее.

[0008] На фиг. 1 показана блок-схема компонентов системы добычи, имеющей устройство механизированной добычи для извлечения текучей среды из скважины на поверхность, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[0009] На фиг. 2 показана блок-схема различных компонентов устройства механизированной добычи фиг. 1, включающего в себя винтовой насос, соединенный с двигателем посредством гидромуфты, согласно одному варианту осуществления.

[0010] На фиг. 3 показано в целом устройство механизированной добычи фиг. 2, установленное в зоне забоя скважины для обеспечения откачки скважинной текучей среды на поверхность согласно одному варианту осуществления.

[0011] На фиг. 4 показан в изометрии винтовой насос, который может приводиться в действие с помощью двигателя и гидромуфты согласно одному варианту осуществления.

[0012] На фиг. 5 показана блок-схема системы, имеющая гидромуфту между двигателем и ротором винтового насоса, а также другие компоненты для регулирования рабочей скорости ротора насоса, согласно одному варианту осуществления.

[0013] На фиг. 6 показана блок схема последовательности операций, представляющая способ изменения скорости откачки винтового насоса с помощью регулирования скорости двигателя, соединенного с насосом посредством гидромуфты, согласно одному варианту осуществления.

[0014] На фиг. 7 показана блок схема последовательности операций, представляющая способ изменения скорости откачки винтового насоса посредством регулирования величины проскальзывания в гидромуфте между двигателем и насосом, согласно одному варианту осуществления.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Ниже описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Для обеспечения точного описания данных вариантов осуществления не все признаки фактической реализации раскрыты в описании. Необходимо отметить, что в разработке любого такого фактического исполнения, как любого инженерного или конструктивного проекта, должны выполняться многочисленные решения, учитывающие конкретное исполнение, для достижения специфических целей разработчика, такие как согласование с системными и связанными с бизнесом ограничениями, которые могут варьироваться в разных вариантах исполнения. Также необходимо отметить, что такие разработки могут являться сложным и занимающим много времени, и не менее рутинным мероприятием по проектированию, изготовлению и монтажу для специалиста в данной области техники, извлекающего пользу из данного раскрытия.

[0016] При введении элементов различных вариантов осуществления артикли "a", "an", "the" и слово "указанный" означают, что имеется один или несколько элементов. Термины "содержащий", "включающий в себя" и "имеющий" являются в общем инклюзивными и означают, что можно иметь дополнительные элементы, отличающиеся от перечисленных элементов. Кроме того, в любом случае слова "верхний", "нижний", "над", "под" и другие, указывающие направление термины и вариации данных терминов, используются для удобства, но не являются требованием какой-либо частной ориентации компонентов.

[0017] Если обратиться к представленным чертежам, на фиг. 1 проиллюстрирована система 10 согласно одному варианту осуществления. В значительной мере система 10 является эксплуатационной системой, которая обеспечивает извлечение запаса, например, нефти, из коллектора 12 через скважину 14. Оборудование 16 устья скважины установлено на скважине (например, прикреплено к верху обсадной колонны и колонны насосно-компрессорных труб в скважине). В одном варианте осуществления оборудование 16 устья скважины включает в себя головку обсадной колонны и головку насосно-компрессорной трубы. Но компоненты оборудования 16 устья скважины могут отличаться в вариантах применения, и такое оборудование может включать в себя различные головки обсадной колонны, головки насосно-компрессорной трубы, сальниковые устройства, насосные тройники и датчики давления, если назвать только некоторые возможные варианты.

[0018] Система 10 также включает в себя устройством механизированной добычи. В одном варианте осуществления, в общем показанном на фиг. 2, устройство 18 механизированной добычи включает в себя винтовой насос 22, который работает, как забойный насос, в скважине 14. Винтовой насос 22 включает в себя ротор 24 и статор 26. При подаче посредством забойного насоса ротор 24 вращается относительно статора 26 для откачивания текучей среды через насос 22 и вверх через скважину 14 на поверхность.

[0019] Показанное устройство 18 механизированной добычи также включает в себя двигатель 28, соединенный с винтовым насосом 22 гидромуфтой 30. Можно применять любой подходящий двигатель 28, например, двигатель переменного тока или двигатель с постоянными магнитами. Гидромуфта 30 является гидродинамическим агрегатом, который функционирует для преобразования скорости вращения на выходе двигателя 28 в пониженную скорость вращения, подходящую для работы винтового насоса 22. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления гидромуфта 30 является гидромуфтой с регулируемой скоростью вращения. Как описано более подробно ниже, двигатель 28 приводит во вращение первое турбинное колесо в гидромуфте 30 для сообщения вращения второму турбинному колесу, соединенному с ротором 24. Это обеспечивает приведение в действие винтового насоса 22 двигателем 28 для подачи насосом скважинной текучей среды (например, нефти и воды из коллектора 12) через насос 22 и на выход из скважины 14.

[0020] В качестве примера на фиг. 3 показана система 36 нефтесбора с винтовым насосом 22, приводимым в действие двигателем 28 с помощью гидромуфты 30. Система 36 включает в себя оборудование 38 устья скважины, установленное на поверхности 40 и соединенное с обсадной колонной 42, оборудованной в скважине 14. Винтовой насос 22 в целом, изображен со своим ротором 24, установленным в статоре 26 и соединенным с одним концом гидромуфты 30. Двигатель 28 соединен с другим концом гидромуфты 30 для обеспечения вращения двигателем 28 ротора 24 в статоре 26. Хотя устройство 18 показано расположенным в вертикальном участке скважины 14 на фиг. 3, необходимо отметить, что устройство 18 можно применять в других положениях, например, в горизонтальном участке скважины.

[0021] Винтовой насос 22 также прикреплен к насосно-компрессорной трубе 44 в скважине 14. Как показано, можно применять муфту 46 для соединения насосно-компрессорной трубы 44 и нагнетательной стороны винтового насоса 22. Но данные два компонента можно соединять друг с другом любым подходящим способом. Приведение в действие двигателя 28 создает вращение ротора 24 насоса 22, обеспечивающее всасывание текучей среды в скважине 14 в насос 22 через впуски 48 и откачку через статор 26 и насосно-компрессорную трубу 44 на поверхность 40. Текучую среду, подаваемую насосом на поверхность 40, можно направлять в различные системы сбора через выпускную линию 50.

[0022] По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления двигатель 28 является электрическим двигателем, таким как двигатель переменного тока. Дополнительно, двигатель 28 может являться электрическим двигателем погружного насоса. Система 36 включает в себя контроллер 52 за пределами скважины 14, который соединен с двигателем 28 посредством кабеля 54 электропитания. Контроллер 52 показан имеющим частотно-регулируемый привод 56 для регулирования рабочей скорости вращения двигателя 28, что обеспечивает управление скоростью откачки насоса 22. Но в других вариантах осуществления контроллер 52 может управлять работой двигателя 28 без частотно-регулируемого привода 56. Как рассмотрено с дополнительными подробностями ниже, гидромуфта 30 преобразует рабочую скорость вращения двигателя 28 в более низкую рабочую скорость вращения для насоса 22. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления, таких как показано на фиг. 3, двигатель 28 обеспечивает работу насоса 22 без зубчатого редуктора, уменьшающего скорость вращения на выходе двигателя 28 (например, 3600 об/мин) до скорости, подходящей для эксплуатации насоса 22.

[0023] Один вариант осуществления винтового насоса 22 проиллюстрирован на фиг. 4. Статор 26 насоса 22 включает в себя сердечник 62 статора, установленный в кожухе 64. В качестве примера, сердечник 62 статора может являться эластомерным сердечником, имеющим винтовой канал 68 для приема ротора 24 или может быть выполнен из ряда металлических пластин, которые расположены с чередованием по направлению вращения для образования винтового канала 68. По меньшей мере в одном варианте осуществления насос 22 является однолопастным насосом, в котором канал 68 проходит винтом через сердечник 62 статора в виде двойной винтовой спирали, и ротор 24 содержит профиль винтовой спирали 66 (который можно также считать состоящим из спиральных зубьев для взаимодействия со статором 26), установленным в канале 68 сердечника 62 статора. Но насос 22 также может представлять собой многолопастной насос в других вариантах осуществления. Необходимо отметить, что сердечник 62 статора может устанавливаться в канале кожуха 64 и удерживаться любым подходящим способом. Например, сердечник 62 статора может быть связан с кожухом 64, закрепляясь с помощью посадки с натягом, или удерживаться концевыми крышками, соединенными с кожухом 64.

[0024] Ротор 24 уплотняется на внутренней поверхности статора 26 для удержания текучей среды в рабочих камерах в канале 68 между ротором 24 и сердечником 62 статора. Когда ротор 24 поворачивается, данные рабочие камеры перемещаются вперед по винтовой спирали около ротора 24 и через статор 26 от впускной стороны (например, сторона 72) до нагнетательной стороны (например, сторона 74) так, что текучая среда прокачивается через статор 26 со скоростью, которая варьируется на основе скорости вращения ротора 24 вокруг его оси. Ротор 24 может соединяться (например, резьбовым соединительным концом 76) с выходным валом гидромуфты 30, обеспечивая приведение во вращение ротора 24 выходным валом.

[0025] Хотя скорость откачки насоса 22 можно варьировать с помощью регулирования рабочей скорости вращения двигателя 28, скорость откачки можно также варьировать посредством управления гидромуфтой 30. Например, как показано на фиг. 5, система 80 включает в себя ротор 24, соединенный с двигателем 28 гидромуфтой 30, и дополнительные компоненты для регулирования скорости вращения ротора 24 посредством гидромуфты 30. Гидромуфта 30 включает в себя насосное колесо 82 и турбинное колесо 84 в кожухе 86, содержащем текучую среду (например, рабочую текучую среду гидросистемы). Необходимо отметить, что насосное колесо 82 и нагнетательное колесо 84 могут иметь различные лопасти для взаимодействия с текучей средой в кожухе 86. Насосное колесо 82 соединено с двигателем 28 (например, с выходным валом двигателя). Механическая полезная мощность двигателя 28 обеспечивает вращение насосного колеса 82 в кожухе 86. Данное вращение насосного колеса 82 перемещает текучую среду в кожухе 86 в направлении к турбинному колесу 84 (как в общем представлено пунктирной линией, соединяющей два данных компонента на фиг. 5), обеспечивая вращение турбинного колеса 84 в одном направлении с насосным колесом 82. Турбинное колесо 84 соединено с ротором 24 насоса 22 (например, посредством вала, соединенного с резьбовым соединительным концом 76), для обеспечения при вращении турбинного колеса 84 приведения во вращение ротора 24.

[0026] Скорость откачки винтового насоса 22 зависит от скорости вращения ротора 24. В некоторых вариантах осуществления рабочую скорость вращения двигателя 28 можно варьировать (например, частотно-регулируемым приводом 56) для изменения скорости вращения насосного колеса 82. Данный факт обеспечивает связанное изменение скорости вращения турбинного колеса 84 и ротора 24. Но в других вариантах осуществления скорость откачки насоса 22 можно регулировать посредством манипуляций с гидромуфтой 30 вместо двигателя 28.

[0027] В эксплуатации скорости вращения насосного колеса 82 и турбинного колеса 84 обычно отличаются. Разность между данными двумя скоростями обычно называется величиной проскальзывания и может выражаться, как процент от скорости насосного колеса 82. В некоторых вариантах осуществления скорость откачки насоса 22 можно варьировать с помощью регулирования величины проскальзывания в гидродинамической муфте 30.

[0028] Система 80, например, выполнена с возможностью варьирования количества текучей среды в гидромуфте 30 для регулирования проскальзывания. В частности, система 80 включает в себя насос 88 для регулирования количества рабочей текучей среды гидросистемы в кожухе 86. Рабочую текучую среду гидросистемы можно добавлять в кожух 86 из емкости 90. Система 80 также включает в себя теплообменник 92 для охлаждения рабочей текучей среды гидросистемы. Теплообменник 92 можно выполнить гидравлически соединенным с емкостью 90 и кожухом 86, как показано на фиг. 5, или можно установить в другом месте системы 80. Выход рабочей текучей среды гидросистемы из кожуха 86 в теплообменник 92 можно регулировать любым подходящим способом, например, с помощью обратного клапана, который открывается, когда давление в кожухе 86 превышает порог, или активно управляемым клапаном.

[0029] Контроллер 94 передает управляющие команды (например, пуск и стоп) на насос 88 для регулирования количества текучей среды в кожухе 82. Датчик 96 скорости обеспечивает мониторинг контроллером 94 скорости вращения ротора 24 и управление работой насоса 88, соответственно, с регулированием величины проскальзывания гидромуфты 30. Контроллер 94 можно также применять для мониторинга других параметров, например, давления в кожухе 86 с помощью датчика 98 давления. Контроллер 94 можно оборудовать в любом требуемом месте, например, в забое с гидромуфтой 30.

[0030] Как указано выше, скорость откачки винтового насоса 22 можно регулировать разными способами. Например, в одном варианте осуществления, в общем представленном блок-схемой 104 последовательности операций на фиг. 6, двигатель может быть приведен в действие для приведения в действие насосного колеса гидромуфты, как указано в блоках 106 и 108. Вращение насосного колеса передается вращению турбинного колеса гидромуфты (блок 110), также обеспечивая ротору насоса (например, винтового насоса 22), соединенному с турбинным колесом, вращение и перекачку текучей среды (блок 112) через насос. В данном способе крутящий момент прикладывается к турбинному колесу и ротору насоса от вращения насосного колеса. Скорость вращения двигателя можно регулировать (блок 114) для варьирования скорости откачки насоса. Например, скорость вращения двигателя 28 можно увеличивать или уменьшать (например, с помощью частотно-регулируемого привода 56) для обеспечения соответствующих изменений в скорости откачки винтового насоса 22.

[0031] В другом варианте осуществления, в общем представленном блок-схемой 118 последовательности операций на фиг. 7, двигатель можно также приводить в действие (блок 120) для приведения во вращение насосного колеса (блок 122), обеспечивая вращение турбинного колеса (блок 124) и откачку текучей среды через насос (блок 126) как рассмотрено выше. Но вместо регулирования скорости откачки насоса посредством рабочей скорости вращения двигателя, скорость откачки можно регулировать с помощью варьирования величины проскальзывания в гидромуфте (блок 128). Более конкретно, количество рабочей текучей среды гидросистемы в гидромуфте можно увеличивать или уменьшать для варьирования кпд гидромуфты, обеспечивая варьирование скорости вращения турбинного колеса 84 и скорости откачки насоса, соответственно. По меньшей мере в некоторых случаях варьируют уровень заполнения рабочей текучей средой гидросистемы гидромуфты для регулирования количественного показателя величины проскальзывания на основе полученной при мониторинге скорости вращения турбинного колеса при откачке скважинной текучей среды через винтовой насос 22.

[0032] Хотя аспекты настоящего изобретения могут допускать различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты осуществления показаны в качестве примера на чертежах и подробно описаны в данном документе. Но следует понимать, что изобретение не ограничено частными раскрытыми формами. Напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему изобретения, определяемого следующей прилагаемой формулой изобретения.

Группа изобретений относится к системам скважинной откачки винтовыми насосами. Технический результат – повышение надежности работы винтовых насосов. Система содержит двигатель и винтовой насос. Винтовой насос имеет ротор, статор и гидромуфту. Гидромуфта соединяет двигатель с винтовым насосом. Гидромуфта содержит насосное колесо и турбинное колесо. Эти колеса установлены в кожухе. Двигатель соединен с насосным колесом гидромуфты. Ротор винтового насоса соединен с турбинным колесом гидромуфты для обеспечения возможности приведения в действие винтового насоса двигателем через гидромуфту для перекачки текучей среды через винтовой насос. Имеется емкость с рабочей текучей средой гидросистемы и дополнительный насос. Этот насос гидравлически соединен с емкостью и с гидромуфтой для подачи рабочей текучей среды гидросистемы из емкости в гидромуфту. Имеется датчик, выполненный с возможностью измерения скорости вращения турбинного колеса, и контроллер, который выполнен с возможностью управления работой дополнительного насоса на основе измеренной скорости вращения для обеспечения изменения скорости вращения турбинного колеса. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система для скважинной откачки, содержащая: двигатель (28);

винтовой насос (22), имеющий ротор (24) и статор (26); и

гидромуфту (30), соединяющую двигатель с винтовым насосом, причем гидромуфта содержит насосное колесо (82) и турбинное колесо (84), установленные в кожухе (86), при этом двигатель соединен с насосным колесом гидромуфты, а ротор винтового насоса соединен с турбинным колесом гидромуфты для обеспечения возможности приведения в действие винтового насоса двигателем через гидромуфту для перекачки текучей среды через винтовой насос;

емкость (90) с рабочей текучей средой гидросистемы и

дополнительный насос (88), гидравлически соединенный с емкостью и с гидромуфтой для подачи рабочей текучей среды гидросистемы из емкости в гидромуфту;

датчик (96), выполненный с возможностью измерения скорости вращения турбинного колеса; и

контроллер (94), выполненный с возможностью управления работой дополнительного насоса на основе измеренной скорости вращения для обеспечения изменения скорости вращения турбинного колеса.

2. Система по п. 1, содержащая насосно-компрессорную трубу (44), соединенную с нагнетательной стороной винтового насоса.

3. Система по п. 2, в которой винтовой насос, двигатель и гидромуфта установлены в забойной зоне (14) ствола скважины для облегчения откачки текучей среды через винтовой насос с выпуском из ствола скважины с помощью насосно-компрессорной трубы.

4. Система по п. 1, в которой двигатель содержит двигатель переменного тока.

5. Система по п. 4, в которой контроллер (52) содержит частотно-регулируемый электропривод (56), электрически соединенный с двигателем переменного тока для обеспечения возможности регулирования частотно-регулируемым электроприводом рабочей скорости вращения двигателя переменного тока.

6. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью изменения скорости откачки винтового насоса с помощью регулирования величины проскальзывания в гидромуфте.

7. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью изменения скорости откачки винтового насоса с помощью регулирования рабочей скорости вращения двигателя.

8. Система по п. 1, содержащая теплообменник (92), гидравлически соединенный с емкостью для обеспечения охлаждения рабочей текучей среды гидросистемы.

9. Способ скважинной откачки, включающий:

приведение в действие двигателя (28), выполненного в забойной зоне скважины (14);

использование механической полезной мощности двигателя для приведения во вращение насосного колеса (82) гидромуфты (30), выполненной в забойной зоне скважины;

обеспечение вращения турбинного колеса (84) гидромуфты от приводимого во вращение насосного колеса, причем турбинное колесо соединено с ротором (24) винтового насоса (22);

вращение ротора крутящим моментом, приложенным к турбинному колесу посредством вращения насосного колеса, для откачки скважинной текучей среды через винтовой насос с выпуском из скважины; и

изменение скорости откачки винтового насоса с помощью регулирования величины проскальзывания между насосным колесом и турбинным колесом в гидромуфте, причем регулирование величины проскальзывания между насосным колесом и турбинным колесом включает в себя:

мониторинг скорости вращения турбинного колеса при откачке скважинной текучей среды через винтовой насос и

приведение в действие дополнительного насоса (88) на основе полученной мониторингом скорости вращения турбинного колеса для изменения количества рабочей текучей среды гидросистемы в гидромуфте.

10. Способ по п. 9, включающий изменение скорости откачки винтового насоса с помощью регулирования рабочей скорости вращения двигателя.