Устройство обеспечения позиционирования исполнительного механизма системы бесштанговой добычи нефти с приводом от электродвигателя Российский патент 2024 года по МПК F04D13/10 

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию и может быть использовано при подъеме скважинной жидкости, в насосных системах механизированной добычи газонефтяной смеси из скважин, обеспечивает позиционирование исполнительного механизма в системах добычи нефти с использованием погружных электродвигателей.

Известна погружная насосная установка, содержащая насосный агрегат, который включает корпус, эластичную оболочку, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, находящейся в подвижном соединении с корпусом и соединенной со штангой привода плунжерного насоса. Штанга уплотнена в корпусе и связана с гайкой посредством полого цилиндрического штока, охватывающего винт и входящего с ним в подвижное соединение, а внутренние полости корпуса и эластичной оболочки заполнены маслом. Наружная поверхность оболочки сообщается с полостью скважины, а на винте и полом штоке установлены демпферы в виде пружин. (Патент РФ №2347947, опубл. 27.02.2009 г.)

Используемый в данной конструкции реверсивный двигатель является многополюсным (тихоходным), основными недостатками которого является сложность конструкции и снижение надежности его работы. Переключение направления вращения винта осуществляется станцией управления, имеющей достаточно высокую стоимость. Кроме того, нечеткость срабатывания реверса двигателя из-за переменной вязкости нефтяного флюида снижает коэффициент полезного действия установки, а также снижает надежность ее работы. Повышение точности определения времени переключения двигателя на реверсивное движение требует наличия дополнительной телеметрии, что также приводит к увеличению стоимости установки.

Известна погружная насосная установка, содержащая плунжерный насос, электродвигатель с гидрозащитой и гидромеханический привод, включающий соединенную с плунжерным насосом механическую передачу типа «винт-гайка», гидравлический блок, включающий гидромотор, соединенный через закрепленный на нем гидрораспределитель, регулирующий направление вращения винта механической передачи, с масляным насосом, и эластичную мембрану, являющуюся компенсатором объемного расширения масла, при этом верхняя часть винта имеет скользящую опору, свободно перемещающуюся по внутреннему диаметру полого поршня. (Патент РФ №184849, опубл. 12.11.2018 г.).

Недостатком известного устройства является отсутствие демпфирующих устройств, позволяющих полому штоку замедляться в крайних положениях его рабочего хода. Отсутствие демпфирующих устройств приводит к увеличенной циклической нагрузке на динамические узлы механической части гидромеханического привода, что, в свою очередь, приводит к снижению его ресурсных показателей и выходу привода из строя.

Невозможность контролирования положения исполнительного механизма возвратно-поступательного принципа действия приводит к проблеме управления моментом переключения направления вращения электродвигателя. Ошибки при переключении значительно повышают нагрузку на исполнительный механизм, сокращают ресурс и могут привести к поломке.

Проблема известных систем бесштанговой добычи нефти с приводом от электродвигателя заключается в низкой точности позиционирования исполнительного механизма.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности позиционирования исполнительного механизма.

Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств для обеспечения позиционирования исполнительного механизма системы бесштанговой добычи нефти с приводом от электродвигателя, и повышении точности позиционирования исполнительного механизма.

Технический результат достигается тем, что в погружной насосной установке, содержащей плунжерный насос, электродвигатель, гидромеханический привод, электродвигатель выполнен с возможностью вращения в разные стороны, в нижнюю опору электродвигателя установлен фильтр, имеющий два отверстия на плоскости торца, в которые установлены удлинители датчиков оборотов, а в нижнюю часть вала электродвигателя установлен венец секционный с зубцами таким образом, что он попадает в радиус действия датчиков оборотов, при этом датчики оборотов предназначены для передачи сигнала в модуль телеметрической системы, передающий сигнал на станцию контроля, которая выполнена с возможностью производить на основании сигнала с датчиков оборотов расчеты положения вала электродвигателя, а также положения привода насоса, после чего, на основании этой информации, формировать сигналы для смены направления вращения электродвигателя и движения плунжера насоса телеметрической системы, передающий сигнал на станцию контроля.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 условно изображена скважина, в которой находится сборка механизмов нефтедобывающей системы с наземной станцией контроля и управления.

На схеме обозначены следующие элементы:

1. Станция контроля и управления

2. Плунжерный насос

3. Привод (преобразователь движения вращающегося вала в возвратно-поступательное)

4. Погружной электродвигатель

5. Вал погружного электродвигателя

6. Нижняя опора вала

7. Фильтр

8. Удлинитель

9. Датчик оборотов

10. Венец секционный

11. Модуль телеметрической системы

Осуществление изобретения.

Погружная насосная установка, содержит плунжерный насос 2, электродвигатель 4, гидромеханический привод 3. В нижнюю опору электродвигателя 4 установлен фильтр 7, имеющий два резьбовых отверстия на плоскости торца, в которые установлены удлинители 8 датчиков оборотов 9, а в нижнюю часть вала электродвигателя установлен венец секционный 10, при этом датчики оборотов 9 предназначены для передачи сигнала в модуль 11 телеметрической системы, а он в свою очередь передаёт сигнал на станцию контроля и управления 1.

В составе системы бесштанговой добычи нефти применяется плунжерный насос 2, который требует возвратно-поступательного движения для своей работы. Это движение обеспечивается асинхронным электродвигателем 4 и приводом 3, преобразующим вращательное движение двигателя 4 в возвратно-поступательное. С целью предупреждения достижения плунжером крайних положений и тем более применения усилия в них в нижнюю опору 6 электродвигателя 4 установлен доработанный корпус фильтра 7, имеющий два резьбовых отверстия на плоскости торца. Удлинители 8 датчика 9 установлены в корпус фильтра 7 с торца, в имеющиеся резьбовые отверстия. Датчики 9 смонтированы в удлинители 8, зафиксированы гайками. В нижнюю часть вала 5 электродвигателя 4 установлен венец секционный 10, предназначенный для формирования сигнала для датчиков оборотов. Датчики 9 передают сигнал в модуль телеметрической системы 11, а он в свою очередь передаёт сигнал на в станцию контроля 1 расположенную на поверхности.

Насос 2 имеет ограниченный диапазон движения плунжера в корпусе, поэтому, для сохранения целостности конструкции, крайне важно не допускать достижения плунжером крайних положений и тем более применения усилия в них. Эта задача сводится к необходимости вовремя менять направление вращения двигателя 4, т.к. направление движения плунжера (вверх или вниз) определяется направлением вращения вала 5 двигателя 4. Т.к. ни привод 3, ни насос 2 не оснащены какими-либо датчиками положения плунжера, их положение приходится предугадывать при помощи прогнозной модели, которая вычисляет положение штока по косвенным признакам. Это приводит к снижению подачи насоса, т.к. скорость вращения двигателя 4 снижается вдвое примерно на середине хода, для предотвращения удара в крайнем положении и нанесения повреждений конструкции, если реальное положение отклонится от прогноза. Положение плунжера насоса 2 можно было бы вычислить, зная положение вала 5 электродвигателя 4, т.к. все элементы связаны друг с другом. Однако, это невозможно без дополнительных датчиков, т.к. применяется асинхронный электродвигатель, скорость вращения вала которого не совпадает со скоростью вращения магнитного поля в статоре (такова природа асинхронного электродвигателя). Всё осложняется тем, что всё оборудование находится глубоко в скважине, и любой сигнал требуется передать на поверхность.

При вращении вала 5 электродвигателя 4, вращается и венец секционный 10, попеременно помещая зубцы в радиус действия датчиков оборотов 9. Сигналы с датчиков 9 ("есть металл - нет металла") передаются в модуль телеметрической системы 11, далее в станцию управления 1, в центральный контроллер системы. По данным сигналам контроллер производит расчеты положения вала 5 электродвигателя 4, а соответственно и положения привода насоса 3. В свою очередь, на основании этой информации, формируются сигналы для смены направления вращения и движения плунжера насоса 2.

Таким образом обеспечивается контроль положения исполнительного механизма и повышение точности позиционирования исполнительного механизма. Невозможность контролироля положения исполнительного механизма возвратно-поступательного принципа действия приводит к проблеме управления моментом переключения направления вращения электродвигателя. Ошибки при переключении значительно повышают нагрузку на исполнительный механизм, сокращают ресурс и могут привести к поломке. Применение технического решения позволит повысить КПД системы добычи нефти, за счет увеличения точности определения положения вала погружного асинхронного электродвигателя, и связанного с ним исполнительного механизма. Обеспечивается повышение точности позиционирования исполнительного механизма, повышение эффективности и надежности всей системы бесштаноговой добычи нефти.

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию и может быть использовано для подъема скважинной жидкости. В составе системы бесштанговой добычи нефти применяется плунжерный насос 2, который требует возвратно-поступательного движения для своей работы. Это движение обеспечивается асинхронным электродвигателем 4 и приводом 3, преобразующим вращательное движение двигателя 4 в возвратно-поступательное. С целью предупреждения достижения плунжером крайних положений и тем более применения усилия в них в нижнюю опору 6 электродвигателя 4 установлен доработанный корпус фильтра 7, имеющий два резьбовых отверстия на плоскости торца. Удлинители 8 датчика 9 установлены в корпус фильтра 7 с торца, в имеющиеся резьбовые отверстия. Датчики 9 смонтированы в удлинители 8, зафиксированы гайками. В нижнюю часть вала 5 электродвигателя 4 установлен венец секционный 10. Датчик 9 передают сигнал в модуль телеметрической системы 11, а он, в свою очередь, передаёт сигнал на станцию контроля 1, расположенную на поверхности. 1 ил.

Погружная насосная установка, содержащая плунжерный насос, электродвигатель, гидромеханический привод, отличающаяся тем, что электродвигатель выполнен с возможностью вращения в разные стороны, в нижнюю опору электродвигателя установлен фильтр, имеющий два отверстия на плоскости торца, в которые установлены удлинители датчиков оборотов, а в нижнюю часть вала электродвигателя установлен венец секционный с зубцами таким образом, что он попадает в радиус действия датчиков оборотов, при этом датчики оборотов предназначены для передачи сигнала в модуль телеметрической системы, передающий сигнал на станцию контроля, которая выполнена с возможностью производить на основании сигнала с датчиков оборотов расчеты положения вала электродвигателя, а также положения привода насоса, после чего, на основании этой информации, формировать сигналы для смены направления вращения электродвигателя и движения плунжера насоса.