Клапан обратный электроцентробежного насоса для очистки погружного оборудования от осадков и способ ее осуществления Российский патент 2020 года по МПК E21B34/06 

Предлагаемое изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для удаления из полости электроцентробежных насосов и колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) различных видов осадков, например, неорганических солей, твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых и др. веществ.

При образовании осадков в НКТ и полости электроцентробежного насоса происходят снижение подачи насоса из-за значительного увеличения сопротивлений в погружном оборудовании и возникновение аварийной ситуации. Контроль за процессом отложений осадков в погружном оборудовании производят по замерам дебита скважины на поверхности.

На выходе из электроцентробежного насоса (ЭЦН) в насосно-компрессорных трубах устанавливаются обратный и сбивной клапаны. Обратный клапан при остановке насоса предупреждает излив жидкости из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважину и раскручивание вала насоса в обратном направлении. Сбивной клапан позволяет, напротив, освободить НКТ от жидкости для подъема оборудования при ремонте (Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра.1968. С.52-54). Излив жидкости из НКТ в скважину осуществляют сбросом в НКТ груза, который долетев до сбивного клапана, ломает его и образует отверстие, соединяющее полость НКТ с затрубным пространством.

Известен клапан обратный (патент RU №56940 U1, заявл. 07.04.2006, опубл. 27.09.2006), состоящий из корпуса, седла, закрепленного в корпусе, запорного элемента в виде шара. В корпусе образован цилиндрический канал и ограничитель осевого перемещения запорного элемента в канале с отверстиями для протока жидкости, при этом ограничитель выполнен за одно целое с корпусом. Оси отверстий для протока жидкости расположены на образующих цилиндрического канала. Седло закреплено на входе с помощью гайки и(или) резьбовой втулки с пазами под ключ.

Известен клапан скважинного центробежного насоса (патент RU 72268 U1, заявл. 26.12.2007, опубл. 10.04.2008), содержащий корпус с внутренней и внешней присоединительными резьбами и закрепленным в нем седлом и, размещенный в канале ограничителя осевого перемещения шариковый запорный элемент. Седло клапана снабжено посадочной проточкой под уплотнительное кольцо и зафиксировано относительно корпуса цилиндрической втулкой и шайбой с отверстиями для прохода пластовой жидкости. В верхней части корпуса клапана установлен патрубок с ввинченной в него трубой шламоуловителя, снабженной радиальными отверстиями для прохода пластовой жидкости. Шайба с отверстиями для прохода пластовой жидкости зафиксирована от осевого перемещения относительно корпуса клапана посредством пружинного кольца, а патрубок монтируется в корпусе посредством шпонки с пружинным кольцом.

Общим недостатком приведенных аналогов является невозможность удаления из полости НКТ и электроцентробежного насоса различных осадков путем закачки различных химических реагентов или теплоносителя в скважину через колонну насосно-компрессорных труб и далее погружной насос.

Известен фильтр скважинный очищаемый (патент RU 2441139 С1. заявл. 12.07.2010. опубл. 27.01.2012), включающий наружную и внутреннюю трубы с отверстиями, фильтрующий элемент, закрепленный между трубами, волновой преобразователь. Фильтрующий элемент выполнен в виде свитой по высоте проволоки. Волновой преобразователь выполнен в виде пружины сжатия.

Для очистки фильтра после ее засорения производят остановку центробежного насоса с последующим его запуском в противоположном направлении вращения ротора. Обратный поток жидкости смывает налипшие частицы песка с фильтрующего элемента.

Указанное устройство обладает недостатком, состоящим в невозможности создания обратного тока жидкости из НКТ через насос в скважину в случае наличия обратного клапана на выходе центробежного насоса.

Известен обратный клапан - автомат, состоящий из корпуса с седлом, на которое посажен тарельчатый клапан со штоком (Патент RU 2038463 С1. Обратный клапан - автомат. Заявл. 17.03.1992. Опубл. 27.06.1995). Шток пропущен через отверстие в крестовине, установленной в корпусе. Между шайбой и крестовиной установлена пружина. Со стороны шайбы на шток посажена втулка. При определенных давлениях стопора заклинивают шток, позволяя произвести очистку турбобура. Недостаток такого клапана состоит в зависимости открытия или закрытия запорного элемента от давления и расхода жидкости, что недопустимо для работы погружного насоса.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является клапан обратный электроцентробежной установки и способ очистки фильтра на приеме насоса (патент RU №2544930 С1. Клапан обратный электроцентробежной установки и способ очистки фильтра на приеме насоса. Заявл. 17.09.2013. Опубл. 16.02.2015). Конструкция клапана включает шток тарельчатого клапана, выполненный полым, подвижную втулку, выполненную ступенчатой, нижняя часть которой с меньшим диаметром образует с наружной поверхностью полого штока клапана скользящую пару трения, а в верхней части втулки выполнены горизонтальные отверстия большего в сравнении с отверстиями штока клапана диаметрами.

Промывку производят спуском груза в колонну труб на скребковой проволоке через лубрикатор на устье скважины, который собственным весом сжимает пружину и перемещает подвижную втулку ступенчатой формы вниз, совмещая горизонтальные отверстия в подвижной втулке и полом штоке тарельчатого клапана и создавая переток жидкости под гидростатическом давлением из колонны насосно-компрессорных труб в скважину через полость насоса и фильтр, а после промывки фильтра груз извлекают из скважины и насос запускают в работу.

Недостаток способа состоит в необходимости спуска груза на скребковой проволоке к клапану через колонну НКТ. Скважина с искривлениями ствола или ее наклон не позволяют осуществить спуск груза через НКТ под собственным весом. С другой стороны, наличие на стенке НКТ каких-либо отложений (солей, парафина) также препятствует спуску груза.

Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение надежности открытия обратного клапана и удаления осадков из полости погружного оборудования скважины с применением химических реагентов.

Поставленная задача решается тем, что в известном клапане обратном электроцентробежного насоса, включающем корпус с верхним и нижним присоединительными резьбами, сферический клапан, перекрывающий посадочное седло, шлицевый вал погружного электронасоса насоса, выходящий в полость ловильной головки насоса, согласно изобретению, между шлицевым валом электроцентробежного насоса и обратным клапаном размещена крыльчатка, содержащая корпус со ступенчатой внутренней полостью и наклонные к вертикали лопасти, верхний торец корпуса которого соединен со штоком, входящим в проходное отверстие седла обратного клапана насоса, а внутрь корпуса с помощью резьбового соединения входит ступенчатый приводной шток, нижняя часть которого под нижним торцом крыльчатки соединена со шлицевой втулкой, насаженной неподвижно на шлицевый вал насоса.

Решение указанной задачи достигнуто в способе очистки погружного оборудования от осадков, включающем остановку насоса для проведения ремонта, промывку полости погружного насоса, приемного фильтра и колонну НКТ от осадков и последующий запуск электроцентробежного насоса в работу, согласно изобретению, непосредственно после остановки производят закачку с устья скважины в колонну насосно-компрессорных труб химического реагента в расчетном объеме, далее включают электроцентробежный насос в обратном направлении для посадки шарика клапана в седло и выдерживают время для растворения осадка в оборудовании и после этого производят запуск насоса в постоянный режим работы с обычным направлением вращения его вала.

На фиг. 1 и 2 показаны схемы клапана обратного. Оно состоит из корпуса 1, свинченного с ловильной головкой 2 погружного электроцентробежного насоса (на фиг. не показан). В верхнюю часть корпуса 1 ввинчивается насосно-компрессорная труба (на фиг. также не показана).

В корпусе 1 размещены сферический клапан 3, посадочное седло 4 с цилиндрическим упором 5 и уплотнительным кольцом 6. Между шлицевым валом 7 электроцентробежного насоса и седлом 4 клапана располагается крыльчатка, состоящая из полого цилиндрического корпуса 8 и лопастей 9. В верхнюю часть корпуса 8 ввернут шток 10, входящий в отверстие седла 4. Внутренняя полость корпуса 8 выполнена ступенчатой. Внутри корпуса на резьбе размещен ступенчатый приводной шток 11. Часть приводного штока 11 большего диаметра выполнена с резьбой, а нижняя часть меньшего диаметра - без резьбы. Нижняя часть приводного штока 11 через уплотнительные кольца 12 выходит наружу корпуса 8 и вворачивается в шлицевую втулку 13, неподвижно закрепленную на шлицевом вале 7 насоса с помощью болта 14. Лопасти 9 крыльчатки выполнены с наклоном по отношению к корпусу.

Работа клапана обратного электроцентробежного насоса состоит в следующем.

В период обычной эксплуатации погружного электроцентробежного насоса вращение вала через шлицевую втулку 13 передается приводному штоку 11. В случае отсутствия жидкости между шлицевым валом 7 и седлом 4 клапана вращение вала насоса приведет к вращению крыльчатки с той же угловой скоростью. Но присутствие жидкости и лопастей 9 приведет к некоторому торможению вращения крыльчатки. Появление разности скоростей их вращения приведет к вращению корпуса крыльчатки относительно шлицевого вала 7, а, следовательно, относительно приводного штока 11. Вращение крыльчатки относительно приводного штока 11 приведет к перемещению корпуса крыльчатки вверх или вниз благодаря их резьбовому соединению в зависимости от направления резьбы в корпусе 8 крыльчатки. Нарезка резьбы для запуска насоса и последующей его работы выполняется из расчета перемещения крыльчатки вверх. Это перемещение происходит до момента упора верхнего торца приводного штока в нижний торец штока 10. После этого перемещение вверх крыльчатки прекратится и корпус 8 крыльчатки начнет вращаться с частотой вращения шлицевого вала 7 насоса. К этому моменту шток 10, выдвинувшись полностью вверх, займет положение, при котором шар 3 при остановке насоса уже не сможет плотно сесть и перекрыть седло 4, т.е. обратный клапан останется открытым и на шток 10 будет действовать только вес шара 3.

В период эксплуатации насоса могут образоваться в насосе или колонне НКТ различные осадки, снижающие подачу насоса и нередко приводящие к аварийной ситуации. Для удаления осадка электроцентробежный насос останавливают. Поскольку шар 3 уже не может перекрыть седло 4 в колонну НКТ и образуется переток жидкости из колонны НКТ в скважину через насос, сразу производят закачку раствора реагента для удаления осадка. После закачки расчетной порции раствора кратковременно осуществляют запуск насоса в обратном направление вращения. Из-за торможения крыльчатки в жидкой среде (нефти или водонефтяной смеси) корпус 8 начнет перемещаться вниз пока верхняя часть приводного штока 11 не упрется в выступ внутри корпуса 8. После этого корпус 8 и шлицевый вал 7 насоса начнут вращаться с одинаковой угловой скоростью. При достижении корпуса 8 крыльчатки и штока 10 крайнего нижнего положения шар 3 полностью перекроет седло 4, и на обратный клапан будет действовать гидростатическое давление всего столба жидкости в НКТ.

Далее производят некоторую расчетную выдержку времени для растворения осадка. После полного растворения осадка в НКТ установку запускают в работу. При этом скважинная жидкость под напором насоса приподнимет шар 3 над седлом 4 и начнется откачка продуктов реакции из НКТ и далее продукции пласта из скважины. Одновременно сопротивления лопастей 9 будут способствовать подъему крыльчатки и выдвижению штока 10 в отверстие седла 4 до положения, препятствующего впоследствии посадке шара в седло после остановки насоса.

Для удаления солевых осадков из полости электроцентробежного насоса закрытие обратного клапана запуском насоса в обратное направление производят после того, как растворитель солевого осадка полностью заполнит полость насоса.

Закачка растворителей непосредственно в колонну НКТ многократно снижает расход реагентов в сравнении с закачкой реагентов через затрубное пространство скважины.

При накоплении осадков мехпримесей на фильтре и в приемной части насоса производят простую промывку насоса закачиваемой жидкостью без применения химических реагентов.

Наклон лопастей 9 (фиг. 2) к вертикали позволяет создавать дополнительный напор для перекачки жидкости и повышать коэффициент полезного действия насоса. Наклон лопастей позволяет создавать дополнительный напор для откачки жидкости из скважины, а также напор для перекачки жидкости вниз из колонны НКТ в насос при кратковременной смене направления вращения.

Уплотнительные кольца 12 препятствуют попаданию мехпримесей в внутрь корпуса 8 крыльчатки во избежание заклинивания резьбовой пары приводного штока 11 и ее износа.

Технико-экономическими преимуществами предполагаемого изобретения являются простота и надежность предварительного открытия клапана и последующего его закрытия за счет кратковременного запуска насоса в обратном направлении, а также возможность удаления осадков из погружного оборудования использованием малых объемов химических реагентов. Кроме того, выдвижение штока в проходное отверстие седла для открытия клапана производится без какого-либо усилия сразу после запуска насоса, поскольку срыв шара производится напором жидкости, создаваемым насосом.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для удаления из полости электроцентробежных насосов различных видов осадков, например неорганических солей, твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых и др. веществ. Клапан обратный электроцентробежного насоса для очистки погружного оборудования от осадков содержит корпус с верхней и нижней присоединительными резьбами, сферический клапан, перекрывающий посадочное седло, шлицевый вал погружного электронасоса насоса, выходящий в полость ловильной головки насоса. Между шлицевым валом электроцентробежного насоса и обратным клапаном размещена крыльчатка, содержащая корпус со ступенчатой внутренней полостью и наклонные к вертикали лопасти. Верхний торец корпуса соединен со штоком, входящим в проходное отверстие седла обратного клапана насоса. Внутрь корпуса с помощью резьбового соединения входит ступенчатый приводной шток. Нижняя часть штока под нижним торцом крыльчатки соединена со шлицевой втулкой, насаженной неподвижно на шлицевый вал насоса. Для осуществления способа очистки погружного оборудования от осадков останавливают насос для проведения ремонта. Производят закачку с устья скважины в колонну насосно-компрессорных труб химического реагента в расчетном объеме. Включают электроцентробежный насос в обратном направлении для посадки шарика клапана в седло и выдерживают время для растворения осадка в оборудовании. Производят запуск насоса в постоянный режим работы с обычным направлением вращения его вала. Достигается технический результат - повышение надежности открытия обратного клапана и удаления осадков из полости погружного оборудования скважины с применением химических реагентов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клапан обратный электроцентробежного насоса для очистки погружного оборудования от осадков, включающий корпус с верхним и нижним присоединительными резьбами, сферический клапан, перекрывающий посадочное седло, шлицевый вал погружного электронасоса насоса, выходящий в полость ловильной головки насоса, отличающийся тем, что между шлицевым валом электроцентробежного насоса и обратным клапаном размещена крыльчатка, содержащая корпус со ступенчатой внутренней полостью и наклонные к вертикали лопасти, верхний торец корпуса которого соединен со штоком, входящим в проходное отверстие седла обратного клапана насоса, а внутрь корпуса с помощью резьбового соединения входит ступенчатый приводной шток, нижняя часть которого под нижним торцом крыльчатки соединена со шлицевой втулкой, насаженной неподвижно на шлицевый вал насоса.

2. Способ очистки погружного оборудования от осадков, включающий остановку насоса для проведения ремонта, промывку полости погружного насоса, приемного фильтра и колонны НКТ от осадков и последующий запуск электроцентробежного насоса в работу, отличающийся тем, что непосредственно после остановки производят закачку с устья скважины в колонну насосно-компрессорных труб химического реагента в расчетном объеме, далее включают электроцентробежный насос в обратном направлении для посадки шарика клапана по п.1 в седло и выдерживают время для растворения осадка в оборудовании, после этого производят запуск насоса в постоянный режим работы с обычным направлением вращения его вала.