Гидроштанговый привод погружного объемного насоса (варианты) Российский патент 2023 года по МПК F04B47/04 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для добычи нефти погружными объемными насосами возвратно-поступательного действия при большом содержании твердых частиц в откачиваемой жидкости, агрессивных сред, а также с высокой вязкостью и из сильноискривленных скважин.

Известен гидравлический плунжерный насос, содержащий лифтовую колонну, заполненную откачиваемой жидкостью, другую колонну с приводной жидкостью, приводной поршень, находящийся в лифтовой колонне, подпоршневое пространство которого взаимодействует гидравлически с жидкостью во второй колонне, что балансирует давления столбов обеих жидкостей в нижней части их взаимодействия. Приводной поршень изолирует откачиваемую жидкость от приводной жидкости и жестко соединен через полый шток с насосным поршнем с нагнетательным клапаном, ниже которого находится насосная камера с всасывающим клапаном. Полый шток свободно перемещается в разделителе давлений, имеющем уплотнения и разделяющим приводную жидкость от камеры с вентиляционным отводом, в которой находится силовая пружина для накопления энергии для возврата обоих поршней до своих нижних положений (US 6193476 от 27.02.2001).

Недостатком насоса является то, что здесь применена система приводной поршень-насосный поршень, что подразумевает наличие уплотнений, находящихся на подвижном поршне с большой площадью контакта, и дорогих длинноразмерных цилиндров, а наличие мехпримесей /песка/ в скважинной жидкости окажет существенное негативное влияние на работу глубинного насоса в результате попадания механических примесей между приводными цилиндром и поршнем, между насосными цилиндром и поршнем, а также между полым штоком и разделителем давлений. Кроме того, при откачке высоковязкой жидкости или когда уровень откачиваемой жидкости в скважине высокий, энергии сжатой пружины может не хватить на возврат поршневой группы вниз, а размеры скважины и насоса не позволят установить пружину с расчетными характеристиками.

Известна скважинная насосная установка, содержащая устьевой силовой гидроагрегат, лифтовую колонну, погружной насос с всасывающим и нагнетательным клапанами, погружной гидропривод с подвижным ступенчатым плунжером с уплотнениями на каждой ступени плунжера, связанный с устьевым силовым гидроагрегатом при помощи гидроканала с приводной средой (RU 2362050 от 27.01.2005).

Недостатком этой установки является то, что здесь применена система приводной поршень-насосный поршень, что подразумевает наличие уплотнений, находящихся на подвижном поршне с большой площадью контакта, и дорогих длинноразмерных цилиндров, а в случае применения полого поршневого штока (плунжера) установку двух уплотнительных узлов. Наличие мехпримесей /песка/ в скважинной жидкости окажет существенное влияние на межремонтный период глубинного насоса в результате попадания механических примесей между цилиндром 26 и поршнем 40, а также, между штоком 42 и двумя отверстиями 44 и 50. Кроме того, наличие кольцевого пространства в насосной камере 46 между штоком 42 и корпусом может заблокировать работу насоса из-за наличия газа в откачиваемой жидкости. В другом варианте исполнения, кроме вышеперечисленных недостатков, усложнена конструкция за счет наличия двух насосных камер 46.2 и 200 и трех клапанов 58.2, 43.2 и 206, что приводит к уменьшению надежности насоса.

Известна скважинная насосная установка, содержащая устьевой силовой гидроагрегат, лифтовую колонну, погружной насос с всасывающим и нагнетательным клапанами, погружной гидропривод с подвижным ступенчатым плунжером с уплотнениями на каждой ступени плунжера, связанный с устьевым силовым гидроагрегатом при помощи гидроканала с приводной средой, где верхняя часть ступени плунжера большего диаметра расположена в лифтовой колонне, между уплотнительными узлами ступеней плунжера и внутренней поверхностью корпуса гидропривода образована рабочая полость, соединенная с гидроканалом, в которой находится переход диаметров плунжера, нижняя часть ступени меньшего диаметра плунжера соединена с погружным насосом, который соединен с обводным каналом для прохождения откачиваемой жидкости от погружного насоса в лифтовую колонну. В месте выхода ступени большего диаметра плунжера в полость лифтовой колонны находится тяжелая буферная жидкость, например, ртуть, покрывающая выходящую часть ступени большего диаметра плунжера при его любом положении, для предотвращения его контакта с откачиваемой жидкостью (RU 2519154 от 15.04.2013).

Недостатком этой установки, принятой в качестве прототипа, является то, что часть ступени большего диаметра плунжера, выходящая в полость лифтовой колонны, непосредственно контактирует с откачиваемой жидкостью, содержащей мехпримеси и агрессивные компоненты (соли, кислоты и т.д), или находится в тяжелой буферной жидкости, например, ртути, что удорожает установку, а сама ртуть является опасным материалом.

В основу настоящего изобретения было положено решение технической проблемы повышения надежности работы скважинной насосной установки, увеличения ее жизненного цикла, снижения энергозатрат и металлоемкости, путем разработки гидроштангового привода погружного объемного насоса для работы со всеми известными объемными погружными насосами возвратно-поступательного действия. Кроме того, изобретение преследует снижение углеродного следа и негативного влияния на окружающую среду.

Техническим результатом, на решение которого направлено изобретение, является отсутствие контакта рабочих частей подвижного дифференциального плунжера с откачиваемой жидкостью и их минимальный износ, а также, значительное уменьшение негативного влияния давления столба откачиваемой жидкости в скважине при ее подъеме на устье за счет компенсации его большей доли давлением столба приводной жидкости.

Указанные решение и технический результат достигаются за счет того, что гидроштанговый привод погружного объемного насоса, содержащий размещенные, по крайней мере, в одной скважине лифтовую колонну с погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия, приводную камеру с подвижным дифференциальным плунжером с уплотненными ступенями, имеющую гидравлическую связь через приводной гидроканал, заполненный приводной жидкостью, с устьевой приводной насосной установкой, согласно изобретению, верхняя часть ступени дифференциального плунжера большего диаметра расположена в закрытой демпферной камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости, которая отделена от откачиваемой жидкости, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, при этом, место перехода диаметров ступеней дифференциального плунжера постоянно расположено в приводной камере с переменным объемом, заполненной приводной жидкостью, а нижняя часть ступени дифференциального плунжера меньшего диаметра расположена в открытой полости, заполненной приводной жидкостью, и соединена с плунжером погружного насоса, причем устьевая приводная насосная установка содержит силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления, размещенные между приводным гидроканалом и силовым насосом.

Указанные решение и технический результат достигаются, также, за счет того, что гидроштанговый привод погружного объемного насоса, содержащий размещенные, по крайней мере, в одной скважине лифтовую колонну с погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия, приводную камеру с подвижным дифференциальным плунжером с уплотненными ступенями, имеющую гидравлическую связь через приводной гидроканал, заполненный приводной жидкостью, с устьевой приводной насосной установкой, согласно изобретению, верхняя часть ступени большего диаметра дифференциального плунжера постоянно расположена в закрытой демпферной камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости и отделенной от откачиваемой жидкости в лифтовой колонне, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, место перехода диаметров ступеней дифференциального плунжера постоянно расположено в приводной камере с переменным объемом приводной жидкости, которая соединена гидравлическим каналом с устьевой приводной насосной установкой, нижняя часть ступени меньшего диаметра дифференциального плунжера постоянно расположена в закрытой рабочей камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости и отделенной от откачиваемой жидкости в насосной камере, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, причем, устьевая приводная насосная установка содержит силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления, размещенные между приводным гидроканалом и силовым насосом.

Силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления соединены с приводным гидроканалом посредством запорного органа, причем, нагнетательная линия силового насоса соединена с силовым пневмогидроаккумулятором, а всасывающая линия силового насоса соединена с возвратным пневмогидроаккумулятором, при этом, давление в возвратном пневмогидроаккумуляторе постоянно ниже давления в силовом пневмогидроаккумуляторе.

Одна устьевая приводная насосная установка выполнена с возможностью работы с несколькими скважинами, причем, с каждой скважиной по индивидуальному алгоритму эксплуатации.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых изображены различные варианты компоновок гидроштангового привода и погружных объемных насосов. На фиг.1 - изображена скважинная насосная установка с гидроштанговым приводом стандартных штанговых плунжерных насосов в двух скважинах: в начале хода дифференциального плунжера вверх на второй скважине и в начале хода дифференциального плунжера вниз на второй скважине, на первой скважине, на фиг.2 - изображена скважинная насосная установка с гидроштанговым приводом двух диафрагменных насосов с их нижним расположением в начале хода дифференциального плунжера вверх на первой скважине и в начале хода дифференциального плунжера вниз на второй скважине, где переход диаметров дифференциального плунжера расположен в приводной камере, на фиг.3 - изображена скважинная насосная установка с гидроштанговым приводом двух диафрагменных насосов с их верхним расположением в начале хода дифференциального плунжера вверх на первой скважине и в начале хода дифференциального плунжера вниз на второй скважине, где переход диаметров дифференциального плунжера расположен в приводной камере, на фиг.4 - изображена скважинная насосная установка с гидроштанговым приводом диафрагменных насосов с их верхним расположением в начале хода дифференциального плунжера вверх на первой скважине и в начале хода дифференциального плунжера вниз на второй скважине, где плунжер меньшего диаметра расположен в приводной камере, на фиг.5 - изображена устьевая приводная насосная установка для работы с восемью скважинами с диафрагменными насосами.

Стрелками показаны направления движения ступенчатого дифференциального плунжера и потоков приводной и откачиваемой жидкостей. Приводная жидкость обозначена точками, а откачиваемая жидкость обозначена короткими штрихами. Разделительные эластичные элементы обозначены утолщенными линиями. Для удобства понимания и сравнения рабочих процессов на каждом рисунке показаны по две одинаковые скважины с идентичными гидроштанговыми приводами и погружными насосами, но в противофазах (положение дифференциального плунжера, соответственно, в начале движения от верхней мертвой точки (ВМТ) и нижней мертвой точки (НМТ)).

Гидроштанговый привод стандартного штангового глубинного плунжерного насоса в компоновке скважинной насосной установки (фиг. 1) содержит корпус 1 погружного привода, в котором находится подвижный ступенчатый дифференциальный плунжер 2, состоящий из ступени плунжера большего диаметра 3 (DБ) и ступени плунжера меньшего диаметра 4 (DМ), соединенных вместе, причем ступень плунжера большего диаметра 3 находится выше ступени плунжера меньшего диаметра 4. Место перехода диаметров обоих ступеней плунжеров 100, в виде кольцевой площади, постоянно расположено в приводной камере 5, образованной внутренней поверхностью корпуса 1, уплотнительным узлом 6 плунжера большего диаметра 3 и уплотнительным узлом 7 плунжера меньшего диаметра 4. Расстояние от уплотнительного узла 6 до уплотнительного узла 7 больше максимального осевого хода дифференциального плунжера 2. Гидроканал 8, заполненный приводной жидкостью 38, например минеральным маслом, как вариант, установлен снаружи лифтовой колонны 9, заполненной откачиваемой жидкостью 39, или может находиться внутри нее (не показано) и выполнен в виде гибкого НКТ (колтюбинга). Кроме того, гидроканал 8 может быть размещен внутри лифтовой колонны 9 в виде неподвижной колонны полых штанг или насосно-компрессорных труб малого диаметра (не показано). Для стравливания воздуха из приводной камере 5 при заполнении приводной жидкостью 38 гидроканала 8, в виде гибкой НКТ (колтюбинг), намотанной на барабан, в самой верхней точке приводной камере 5 устанавливается пробка 99, например, резьбовая конусная. Плунжер большего диаметра 2 находится в закрытой демпферной камере 10, заполненной приводной жидкостью 38, и расположенной выше уплотнительного узла 6 в нижней части лифтовой колонны 9. Внутренний осевой размер закрытой демпферной камеры 10 по длине превосходит длину максимального выхода плунжера большего диаметра 3 в его крайней ВМТ. Закрытая демпферная камера 10 имеет в своей верхней части дополнительное расширение 11 для вытеснения в него приводной жидкости 38. В демпферной камере 10 с расширением 11 расположена, по крайней мере, одна эластичная диафрагма 12 «парусного» типа, которая отделяет внутренний объем закрытой демпферной камеры 10 с приводной жидкостью 38 от внутренней полости лифтовой колонны 9 с откачиваемой жидкостью 39. При больших объемах откачки используется несколько эластичных диафрагм 12. Внутренний осевой размер закрытой приводной камере 5 по длине превосходит длину максимального входа плунжера большего диаметра 3 в приводную камеру 5 в его крайней НМТ. Демпферная камера 10 и расширение 11 заполнены расчетным объемом приводной жидкости 38 для обеспечения нахождения в ней плунжера большего диаметра 3 при любом его положении (ВМТ-НМТ). При нахождении плунжера большего диаметра 3 в НМТ в демпферной камере 10 остается его расчетная часть для предотвращения его выхода из уплотнительного узла 6. Между плунжерами меньшего и большего диаметров может быть установлен упорный переводник 101 с диаметром (DП) большим, чем диаметр большего плунжера (DБ), как ограничитель осевого перемещения дифференциального плунжера вверх (до ВМТ), с упором в верхнюю часть приводной камеры 5 и вниз (до НМТ), с упором в нижнюю часть приводной камеры 5. Плунжер меньшего диаметра 4, который выходит своей нижней частью из уплотнительного узла 7 в защитную полость 13, выполненную в виде перевернутого стакана 14 и заполненную приводной жидкостью 38, соединен с подвижным полым плунжером 15 стандартного штангового насоса 19, имеющего нагнетательный клапан 16, находящегося в неподвижном цилиндре 17, имеющего всасывающий клапан 18. Для удобства приводная жидкость 38 постоянного объема находится в закрытой камере, например, в демпферной камере 10, а приводная жидкость 38 переменного объема находится в открытой полости, например, в приводной камере 5 или в защитной полости 13, имеет прямое сообщение с приводной жидкостью 38 или откачиваемой жидкостью 39. Между нижним срезом перевернутого стакана 14 и верхней частью стандартного штангового насоса 19 расположено входное окно 20 обводного перепускного канала 21. Обводной перепускной канал 21 служит для прохождения откачиваемой жидкости 39 в лифтовую колонну 9 и далее на поверхность. Для восполнения рабочего объема приводной жидкости 38 в закрытой демпферной камере 10 из приводной камере 5 на большем плунжере 3 или в уплотнительном узле 6 (не показано) установлен тарированный на расчетное давление перепускной клапан 22. Для перепуска приводной жидкости 38 в защитную полость 13 из приводной камере 5 на уплотнительном узле 7 или на меньшем плунжере (не показано) установлен тарированный на расчетное давление перепускной клапан 23. На поверхности находится устьевая приводная насосная установка, включающая силовой насос 24, подсоединенный своей всасывающей частью к приемному пневмогидроаккумулятору 25 с приводной жидкостью 38. Силовой насос 24 подсоединен своей нагнетательной частью к силовому пневмогидроаккумулятору 26 с приводной жидкостью 38. Через запорный орган 27 (например, трехходовой клапан (показан на рисунках), распределитель, кран-отсекатель и т.д.) силовой пневмогидроаккумулятор 26 подключен к приводному гидроканалу 8, который соединен с приводной камерой 5 через окно 28. Гидроканал 8 подсоединен также через запорный орган 27 к приемному пневмогидроаккумулятору 25. На выходе откачиваемой жидкости 39 из лифтовой колонны 9 установлен запорный орган 29. Для подпитки и сохранения необходимого рабочего объема приводной жидкости 38 в приводной системе скважинной установки к всасывающей линии силового насоса 24 или непосредственно к пневмогидроаккумулятору 25 присоединена нагнетательная линия подпитывающего насоса 30, всасывающая линия которого присоединена к питающей емкости 31 с приводной жидкостью 38. Плунжер 15 насоса 19 присоединен непосредственно к плунжеру меньшего диаметра 4 или, по крайней мере, посредством одной стандартной или укороченной штанги. Для измерения давления P_Х откачиваемой жидкости 39, с учетом давления в коллекторном трубопроводе, на устье скважины установлен манометр 91 для измерения давления нагнетания P_Р и давления сброса P_Т приводной жидкости 38 на устье скважины установлен манометр 92. Для распределения потоков приводной жидкости 38 и предотвращения ее перетоков, на силовой и возвратной гидравлических линиях установлены обратные клапаны 93. Для регулирования гидравлического сопротивления и изменения расхода приводной жидкости 38 с целью контроля скорости движения плунжера дифференциального плунжера 2 с плунжером 15 при использовании стандартного ШГН на силовой линии установлен регулируемый дроссель 94 (фиг. 1). Для измерения расхода приводной жидкости 38 на устье скважины установлен расходомер 95 двойного действия.

Скважинная насосная установка (фиг. 1) с гидроштанговым приводом с нижним расположением погружного стандартного штангового глубинного плунжерного насоса работает следующим образом. Для уменьшения веса барабана с намотанным гидроканалом 8 во время транспортировки на устье перед спуском в скважину гидроштангового привода с погружным насосом, приводную жидкость 38 закачивают в гидроканал 8 после его присоединения к приводной камере 5, с отворотом пробки 99 для стравливания воздуха из гибкой НКТ. После выпуска всего воздуха до выхода приводной жидкости 38 пробка 99 закрывается, гидроканал 8 (гибкая НКТ) спускается в скважину с барабана вместе со стандартными наборными НКТ с присоединением к лифтовой колонне 9 клямсами. Расчетный объем приводной жидкости 38 заливается в демпферную камеру 10 и расширение 11 перед доставкой гидроштангового привода на скважину. После спуска в скважину на заданную глубину погружной компоновки c заполненной приводной жидкостью 38 гибкой НКТ (колтюбинг) в лифтовый канал заливают откачиваемую жидкость 39, можно техническую воду, для создания давления столба жидкости в лифтовой колонне 9 на плунжер большего диаметра. Затем лифтовый канал 9 присоединяют к устьевому трубному коллектору, а второй устьевой конец гидроканала 8 к устьевой приводной насосной установке. При поступлении приводной жидкости 38 из силового пневмогидроаккумулятора 26 в приводную камеру 5 с расчетным давлением на кольцевую площадь перехода диаметров 100 создается усилие, превышающее усилие давление столба откачиваемой жидкости 39 на круговую площадь плунжера большего диаметра 3, с учетом гидропотерь и гидросопротивлений, а также за счет разнонаправленности векторов обоих усилий дифференциальный плунжер 2 начинает двигаться по осевой линии вверх (вторая скважина на фиг.1). Это вызывает движение плунжера 15 вверх с одновременными процессами всасывания откачиваемой жидкости 39 в насос 19 через открытый клапан 18 и нагнетания откачиваемой жидкости 39 в лифтовую колонну 9 закрытым нагнетательным клапаном 16. Плунжер большего диаметра 3 во время движения вверх входит в закрытую демпферную камеру 10 с вытеснением приводной жидкости 38 в расширение 11 с эластичными диафрагмами 12, которые начинают расширяться в лифтовой колонне 9 давлением приводной жидкости 38 на ее одну сторону, превышающим давление столба откачиваемой жидкости 39 на эластичную диафрагму 12 на ее противоположную сторону. Манометр 92 на гидроканале 8 показывает рабочее давление РР при определенном расходе на расходомере 95. Скорость движения дифференциального плунжера 2 зависит от скорости потока приводной жидкости 38 через регулируемый дроссель 94. Во время поступления откачиваемой жидкости 39 в лифтовую колонну 9 манометр 91 на устье лифтового канала 9 показывает давление РХ равное давлению в коллекторе. После закачки расчетного объема приводной жидкости 38 в гидроканал 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной ВМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 6) автоматика переключает запорный орган 27 с режима нагнетания/всасывания насоса 19 на режим сброса приводной жидкости 38 в приемный пневмогидроаккумулятор 25 (первая скважина на фиг.1) раньше достижения дифференциальным плунжером 2 своей расчетной ВМТ. Для регулирования скорости движения дифференциального плунжера 2 на режиме сброса можно установить второй регулируемый дроссель или использовать один дроссель 94 двойного действия, устанавливаемый перед запорным органом 27 (не показано). Плунжер большего диаметра 3 во время движения вниз выходит из закрытой демпферной камеры 10 с вытеснением приводной жидкости 38 из расширения 11 с эластичными диафрагмами 12, которые начинают движение из лифтовой колонны 9 в сторону демпферной камеры 10 за счет уменьшения давления приводной жидкости 38 на ее одну сторону превышающим давлением столба откачиваемой жидкости 39 на эластичную диафрагму 12 с ее противоположной стороны. После сброса расчетного объема приводной жидкости 38 из гидроканала 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной НМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 7), автоматика переключает запорный орган 27 с режима сброса на нейтральный режим раньше достижения дифференциальным плунжером 2 своей расчетной НМТ. После расчетного периода ожидания автоматика переключает запорный орган 27 с нейтрального режима на режим нагнетания/всасывания и цикл повторяется.

Гидроштанговый привод погружного диафрагменного насоса в компоновке скважинной насосной установки (фиг. 2) состоит из погружного диафрагменного насоса 40 с его нижним размещением, в котором место перехода диаметров 100 обоих ступеней дифференциального плунжера 2 постоянно расположено в приводной камере 5, содержит корпус 41 с рабочей камерой 42, заполненной приводной жидкостью 38. Корпус 41 непосредственно присоединяется к уплотнительному узлу 7 нижней части корпуса 1 погружного привода. Нижняя часть меньшего плунжера 4 находится в рабочей камере 42, и одновременно является рабочим плунжером диафрагменного насоса 40 для изменения внутреннего объема рабочей камеры 42. Диафрагменный насос 40 расположен ниже рабочей камеры 42. Полость рабочей камеры 42 отделена от полости насосной камеры 43 посредством, по крайней мере, одной эластичной диафрагмы 44 «парусного» типа, расположенной ниже рабочей камеры 42. Насосная поверхность эластичной диафрагмы 44 находится в насосной камере 43, а ее рабочая поверхность контактирует с приводной жидкостью 38, находящейся в рабочей камере 42. В верхней части насосной камеры 43 расположены неподвижные всасывающий клапан 45 для поступления откачиваемой жидкости 39 в диафрагменный насос 40, и нагнетательный клапан 46 для подачи под давлением откачиваемой жидкости 39 через гидравлический канал 47 в лифтовую колонну 9 и далее по ней на поверхность. Для восполнения рабочего объема приводной жидкости 38 в рабочей камере 43 из приводной камеры 5 на меньшем плунжере 4 или уплотнительном узле 7 (не показано) установлен тарированный на расчетное давление перепускной клапан 48.

Скважинная насосная установка (фиг. 2) с гидроштанговым приводом погружного диафрагменного насоса с нижним расположением насосной камеры 43 работает следующим образом. Гибкая НКТ спускается в скважину с барабана вместе со стандартными наборными НКТ и присоединяется к трубной колонне клямсами по аналогии спуска ЭЦН с кабелем. Для уменьшения веса барабана с намотанным гидроканалом 8 во время транспортировки приводную жидкость 38 закачивают на устье в гидроканал 8 после присоединения к приводной камере 5 с отворотом пробки 99 для стравливания воздуха из гибкой НКТ. Расчетные объемы приводной жидкости 38 заливаются в демпферную камеру 10 и расширение 11, а также в рабочую камеру 42 перед доставкой гидроштангового привода на скважину. После спуска в скважину на заданную глубину погружной компоновки c заполненной приводной жидкостью 38 гибкой НКТ (колтюбинг 8) в лифтовый канал 9 заливают откачиваемую жидкость 39, можно техническую воду или нефть, для создания давления столба жидкости на плунжер большего диаметра 3, затем, лифтовый канал 9 присоединяют к коллектору, а второй конец гидроканала 8 к устьевой приводной насосной установке. При поступлении приводной жидкости 38 из силового пневмогидроаккумулятора 26 в приводную камеру 5 с давлением на кольцевую площадь перехода диаметров 100, создающим усилие, превышающее усилие давление столба жидкости 39 на круговую площадь плунжера большего диаметра, с учетом гидропотерь и гидросопротивлений, а также разнонаправленности векторов обоих усилий дифференциальный плунжер 2 начинает двигаться по осевой линии вверх (первая скважина на фиг. 2). Это вызывает движение дифференциального плунжера 2 вверх с одновременными выходом плунжера малого диаметра 4 из рабочей камеры 42 диафрагменного насоса 40 с процессом всасывания откачиваемой жидкости 39 из скважины в насосную камеру 43 через открытый клапан 45. Манометр 92 на гидроканале 8 показывает рабочее давление РР при определенном расходе на расходомере 93. После закачки расчетного объема приводной жидкости 38 в гидроканал 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной ВМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 6) автоматика переключает запорный орган 27 с режима нагнетания приводной жидкости 38 в гидроканал 8 на режим сброса приводной жидкости 38 из гидроканала 8 через запорный орган 27 в приемный пневмогидроаккумулятор 25 (вторая скважина на фиг. 2) раньше достижения дифференциальным плунжером 2 своей расчетной ВМТ. Снижение давления приводной жидкости 38 в гидроканале 8 при превышающем давлении столба откачиваемой жидкости 39 в лифтовой колоне 9 за счет сброса давления приводной жидкости 38 в пневмогидроаккумулятор 25 вызывает движение дифференциального плунжера 2 вниз с одновременными входом плунжера малого диаметра 4 в рабочую камеру 42 диафрагменного насоса 40 с процессом нагнетания откачиваемой жидкости 39 из насосной камеры 43 через открытый клапан 46 и канал 47 в лифтовую колонну 9. После сброса расчетного объема приводной жидкости 38 из гидроканала 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной НМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 7) автоматика переключает запорный орган 27 с режима сброса на нейтральный режим раньше достижения дифференциальным плунжером 2 своей расчетной НМТ. После расчетного периода ожидания автоматика переключает запорный орган 27 с нейтрального режима на режим нагнетания приводной жидкости 38 в гидроканал 8 (режим всасывания диафрагменного насоса) и цикл повторяется. Для регулирования гидравлического сопротивления и изменения расхода приводной жидкости 38 с целью контроля скорости движения плунжера дифференциального плунжера 2 при использовании диафрагменного или гидрозатворного насосов на возвратной линии установлен регулируемый дроссель 94 (фиг. 2-4).

Второй вариант гидроштангового привода погружного диафрагменного насоса в компоновке скважинной насосной установки (фиг. 3) состоит из погружного диафрагменного насоса 40 с его верхним размещением, в котором место перехода диаметров обоих ступеней плунжеров 100 постоянно расположено в приводной камере 5, содержит корпус 41 с рабочей камерой 42, заполненной приводной жидкостью 38. Корпус 41 непосредственно присоединяется к уплотнительному узлу 7 нижней части корпуса 1 погружного привода. Нижняя часть меньшего плунжера 4 одновременно является рабочим плунжером диафрагменного насоса 40 для изменения внутреннего объема рабочей камеры 42. Диафрагменный насос 40 расположен выше рабочей камеры 42. Полость рабочей камеры 42 отделена от полости насосной камеры 43 посредством, по крайней мере, одной эластичной диафрагмы 44 «парусного» типа, расположенной выше рабочей камеры 42. Насосная поверхность эластичной диафрагмы 44 находится в насосной камере 43, а ее рабочая поверхность контактирует с приводной жидкостью 38, находящейся в рабочей камере 42. В верхней части насосной камеры 43 расположены неподвижные всасывающий клапан 45 для поступления откачиваемой жидкости 39 в диафрагменный насос 40 и нагнетательный клапан 46 для подачи под давлением откачиваемой жидкости 39 через гидравлический канал 47 в лифтовую колонну 9 и далее по ней на поверхность. Для восполнения рабочего объема приводной жидкости 38 в рабочей камере 43 из приводной камеры 5 на меньшем плунжере 4 или уплотнительном узле 7 может быть установлен тарированный на расчетное давление перепускной клапан 48 (не показано).

Скважинная насосная установка (фиг. 3) с гидроштанговым приводом погружного диафрагменного насоса с нижним расположением насосной камеры 43 работает следующим образом. Гибкая НКТ спускается в скважину с барабана вместе со стандартными наборными НКТ и присоединяется к трубной колонне клямсами. Для уменьшения веса барабана с намотанным гидроканалом 8 во время транспортировки приводную жидкость 38 закачивают на устье в гидроканал 8 после присоединения к приводной камере 5 с отворотом пробки 99 для стравливания воздуха из гибкой НКТ. Расчетные объемы приводной жидкости 38 заливаются в демпферную камеру 10 и расширение 11, а также в рабочую камеру 42 перед доставкой гидроштангового привода на скважину. После спуска в скважину на заданную глубину погружной компоновки c заполненной приводной жидкостью 38 гибкой НКТ (колтюбинг 8) в лифтовый канал 9 заливают откачиваемую жидкость 39, можно техническую воду или нефть, для создания давления столба жидкости на плунжер большего диаметра 3, затем лифтовый канал 9 присоединяют к коллектору, а второй конец гидроканала 8 к устьевой приводной насосной установке. При поступлении приводной жидкости 38 из силового пневмогидроаккумулятора 26 в приводную камеру 5 с давлением на кольцевую площадь перехода диаметров 100, создающим усилие, превышающее усилие давления столба жидкости 39 на круговую площадь плунжера большего диаметра 3, с учетом гидропотерь и гидросопротивлений, а также, разнонаправленности векторов обоих усилий дифференциальный плунжер 2 начинает двигаться, по осевой линии вверх (первая скважина на фиг. 3). Это вызывает движение дифференциального плунжера 2 вверх с одновременными выходом плунжера малого диаметра 4 из рабочей камеры 42 диафрагменного насоса 40 с процессом всасывания откачиваемой жидкости 39 из скважины в насосную камеру 43 через открытый клапан 45. Манометр 92 на гидроканале 8 показывает рабочее давление РР при определенном расходе на расходомере 93. Скорость движения дифференциального плунжера 2 зависит от скорости потока приводной жидкости 38. После закачки расчетного объема приводной жидкости 38 в гидроканал 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной ВМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 6) автоматика переключает запорный орган 27 с режима нагнетания приводной жидкости 38 в гидроканал 8 на режим сброса приводной жидкости 38 из гидроканала 8 через запорный орган 27 в приемный пневмогидроаккумулятор 25 (вторая скважина на фиг. 3). Это вызывает движение дифференциального плунжера 2 вниз с одновременными входом плунжера малого диаметра 4 в рабочую камеру 42 диафрагменного насоса 40 с процессом нагнетания откачиваемой жидкости 39 из насосной камеры 43 через открытый клапан 46 и канал 47 в лифтовую колонну 9. После сброса расчетного объема приводной жидкости 38 из гидроканала 8 и при достижении дифференциальным плунжером 2 своей расчетной НМТ (для предотвращения удара дифференциального плунжера 2 по уплотнительному узлу 7) автоматика переключает запорный орган 27 с режима сброса на нейтральный режим. После расчетного периода ожидания автоматика переключает запорный орган 27 с нейтрального режима на режим нагнетания приводной жидкости 38 в гидроканал 8 (режим всасывания диафрагменного насоса) и цикл повторяется.

Третий вариант гидроштангового привода погружного диафрагменного насоса в компоновке скважинной насосной установки (фиг. 4) содержит погружной диафрагменный насос 50 с его верхним положением, корпус 51 с рабочей камерой 52, заполненной приводной жидкостью 38. Корпус 51 непосредственно присоединяется к уплотнительному узлу 7 корпуса 1 погружного привода. В рабочей камере 52 постоянно находится место перехода диаметров обоих ступеней плунжеров 100 для изменения объема рабочей камеры 52 за счет возвратно-поступательного движения дифференциального плунжера 2. Нижняя часть меньшего плунжера 4 находится в приводной камере 54, гидравлически соединенной с устьем гидроканалом 8. Диафрагменный насос 50 расположен выше рабочей камеры 52 и закрытой демпферной камеры 10 с дополнительным расширением 11. Полость рабочей камеры 52 отделена от полости насосной камеры 53 посредством, по крайней мере, одной эластичной диафрагмы 58 «парусного» типа. В верхней части насосной камеры 53 расположены всасывающий клапан 55 для поступления откачиваемой жидкости 39 в диафрагменный насос 50 и нагнетательный клапан 56 для подачи под давлением откачиваемой жидкости 39 в лифтовую колонну 9 и далее по ней на поверхность. Насосная поверхность эластичной диафрагмы 58 находится в насосной камере 53, а рабочая поверхность контактирует с приводной жидкостью 38, находящейся в рабочей камере 52, через гидравлический канал 57. Для восполнения рабочего объема приводной жидкости 38 в рабочей камере 52 из приводной камеры 54 на меньшем плунжере 4 или уплотнительном узле 7 может быть установлен тарированный на расчетное давление перепускной клапан (не показано). Основным отличием является нахождение ступени плунжера меньшего диаметра 4 в приводной камере 54 и его использование в качестве ведущего приводного органа, и использование дифференциального плунжера 2 с переходом диаметров, как ведомого рабочего органа объемного насоса возвратно-поступательного действия.

Скважинная насосная установка (фиг. 4) с гидроштанговым приводом погружного диафрагменного насоса работает аналогично вышеописанной скважинной насосной установки (фиг. 3) с процессом всасывания откачиваемой жидкости 39 при движении дифференциального плунжера 2 вверх и процессом нагнетания откачиваемой жидкости 39 в лифтовую колонну 9 при движении дифференциального плунжера 2 вниз.

Изобретение не ограничивается только отображенными чертежами, но могут использоваться и другие компоновки расположения демпферной и рабочей камер, и приводной камеры. Например, с перевернутым дифференциальным плунжером. Как вариант, в качестве погружного объемного насоса возвратно-поступательного действия можно использовать гидрозатворный насос, где в качестве разделителя приводной и откачиваемой жидкостей используется жидкий металл (например, ртуть, галистан и т.д) (не показано). Гидрозатворный насос работает в режиме диафрагменного насоса.

Приводной гидроканал 8 обеспечивает только возвратно-поступательные движения приводной жидкости 38 в закрытой системе. Устьевая приводная насосная установка может работать с несколькими скважинами, причем с разнотипными погружными объемными насосами возвратно-поступательного действия с индивидуальными алгоритмами отбора для каждой их них. Для поддержания необходимого количества приводной жидкости в рабочей и демпферной камерах периодически через расчетное время или через определенное количество циклов или по данным телеметрии производится подпитка рабочей и демпферной камер погружного привода приводной жидкостью с превышением рабочего давления и перепуском определенного объема приводной жидкости через тарированный клапан и дальнейшим выходом в штатный режим.

При применении в качестве привода силового гидроагрегата электродвигателя для регулировки его характеристик могут применяться частотные преобразователи, вентильные двигатели или двигатели постоянного тока, а также двигатели внутреннего сгорания.

Преимущество изобретения состоит в том, что за счет отсутствия контакта откачиваемой жидкости с приводной жидкостью и подвижными рабочими элементами насоса и привода уменьшен износ плунжера. Диаметры и длины ступенчатого плунжера, длины его хода и частота двойных ходов могут быть увеличены по сравнению со стандартными глубинными плунжерными насосами. В насосе отсутствует дорогостоящий цилиндр, а значит уменьшены требования и к ступенчатому плунжеру, что удешевляет погружной привод. Время движения вверх/вниз ступенчатого плунжера в цикле работы погружного насоса можно сделать различными по продолжительности и энергообеспечению за счет дросселей, что позволяет увеличить эффективность его работы. Один устьевой силовой агрегат может работать с несколькими скважинами, что удешевляет применение предлагаемой насосной установки.

При размещении электропроводов на НКТ на клямсах или применении шлангокабеля в качестве гидроканала можно устанавливать различные датчики, например давления, температуры, и т.д., что позволит в текущем режиме отслеживать взаимодействие системы скважина-пласт, т.е. размещение любых систем телеметрии в скважине (умная скважина). В предлагаемой скважинной насосной установке минимизируется влияние давления столбов жидкостей, находящихся в колоннах и каналах во время возвратно-поступательного движения ступенчатого плунжера путем их максимального уравновешивания друг с другом. Свободный внутренний объем лифтовой колонны облегчает удаление асфальто-смолисто-парафинистых отложений и позволяет устанавливать внутри лифтовой колонны греющий кабель и т.д. Кроме того, обеспечивается автоматическое установление режима откачки жидкости из скважины в точном соответствии с интенсивностью притока жидкости из пласта в скважину, т.е. подбор режима работы насоса под изменяющийся приток в скважине для повышения эффективности добычи. Использование капиллярной линии, совмещенной с гидроканалом, позволит доставлять во всасывающую линию погружного насоса химреагенты, например ингибиторы и т.д. Предлагаемая установка с гидроштанговым приводом позволяет выполнять те же задачи, которые ставятся перед механизированными методами добычи жидкости из скважин: плунжерные насосы со штанговым приводом от станка-качалки, винтовые насосы с верхним и нижним приводами, мало- и среднедебитные погружные электроцентробежные насосы. Возможность работы в скважинах, расположенных в местах с ограничениями по создаваемому шуму (жилые массивы, парковые зоны, заповедники и т.д) или расположением наземного оборудования за счет его компактности и шумоизоляции. Минимальное негативное воздействие (углеродный след) на окружающую среду. Простой и быстрый монтаж по сравнению с ШГН, ВН и ЭЦН. Рост добычи нефти за счет дискретной работы установки. Работа с высоковязкими нефтями с большим содержанием мехпримесей и в сильно искривленных скважинах. Увеличение порога допустимого свободного газа за счет неподвижных всасывающего и нагнетательного клапанов, расположенных вверху насоса.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для добычи нефти из скважин. Гидроштанговый привод погружного объемного насоса содержит размещенные, по крайней мере, в одной скважине лифтовую колонну 9 с погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия, приводную камеру 5 с подвижным дифференциальным плунжером с уплотненными ступенями, имеющую гидравлическую связь через приводной гидроканал, заполненный приводной жидкостью, с устьевой приводной насосной установкой. Предложены варианты с погружными плунжерным и диафрагменными насосами. Гидропривод связан с устьевой приводной насосной установкой при помощи гидроканала, ступени дифференциального плунжера и приводная жидкость изолированы от откачиваемой агрессивной жидкости эластичными диафрагмами 44 «парусного» типа. Привод работает путем увеличения/снижения давления в камере 5 через устьевую приводную насосную установку. Передача кинетической энергии между приводной и откачиваемой жидкостями происходит через диафрагмы 44. Установка может работать с несколькими скважинами одновременно. Группа изобретений направлена на повышение надежности работы, снижение энергозатрат и металлоемкости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидроштанговый привод погружного объемного насоса, содержащий размещенные, по крайней мере, в одной скважине лифтовую колонну с погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия, приводную камеру с подвижным дифференциальным плунжером с уплотненными ступенями, имеющую гидравлическую связь через приводной гидроканал, заполненный приводной жидкостью, с устьевой приводной насосной установкой, отличающийся тем, что верхняя часть ступени дифференциального плунжера большего диаметра расположена в закрытой демпферной камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости, которая отделена от откачиваемой жидкости, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, при этом, место перехода диаметров ступеней дифференциального плунжера постоянно расположено в приводной камере с переменным объемом, заполненной приводной жидкостью, а нижняя часть ступени дифференциального плунжера меньшего диаметра расположена в открытой полости, заполненной приводной жидкостью, и соединена с плунжером погружного насоса, причем устьевая приводная насосная установка содержит силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления, размещенные между приводным гидроканалом и силовым насосом.

2. Гидроштанговый привод погружного объемного насоса, содержащий размещенные, по крайней мере, в одной скважине лифтовую колонну с погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия, приводную камеру с подвижным дифференциальным плунжером с уплотненными ступенями, имеющую гидравлическую связь через приводной гидроканал, заполненный приводной жидкостью, с устьевой приводной насосной установкой, отличающийся тем, что верхняя часть ступени большего диаметра дифференциального плунжера постоянно расположена в закрытой демпферной камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости и отделенной от откачиваемой жидкости в лифтовой колонне, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, место перехода диаметров ступеней дифференциального плунжера постоянно расположено в приводной камере с переменным объемом приводной жидкости, которая соединена гидравлическим каналом с устьевой приводной насосной установкой, нижняя часть ступени меньшего диаметра дифференциального плунжера постоянно расположена в закрытой рабочей камере, заполненной постоянным объемом приводной жидкости и отделенной от откачиваемой жидкости в насосной камере, по крайней мере, одной разделительной эластичной диафрагмой, причем устьевая приводная насосная установка содержит силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления, размещенные между приводным гидроканалом и силовым насосом.

3. Привод по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что силовой и возвратный пневмогидроаккумуляторы давления соединены с приводным гидроканалом посредством запорного органа, причем, нагнетательная линия силового насоса соединена с силовым пневмогидроаккумулятором, а всасывающая линия силового насоса соединена с возвратным пневмогидроаккумулятором, при этом, давление в возвратном пневмогидроаккумуляторе постоянно ниже давления в силовом пневмогидроаккумуляторе.

4. Привод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что одна устьевая приводная насосная установка выполнена с возможностью работы с несколькими скважинами, причем, с каждой скважиной по индивидуальному алгоритму эксплуатации.