Насос для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства скважины Российский патент 2025 года по МПК F04B9/04 F04B47/06 E21B47/00 

Заявляемое изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для откачки пластовой жидкости в приборах, применяемых для определения качества состава пластовой жидкости.

Известен патент РФ 2564155С₂ (опубликован 27.09.2015, МПК: F04B 9/0) относящийся к поршневым насосам, приводимым в действие вращающимся кулачком. Узел насоса содержит кулачок и поршень. Кулачок вращается в плоскости вокруг эксцентриковой оси и имеет периферийную боковую стенку. Поршень зацепляется с периферийной боковой стенкой кулачка и перемещается вдоль оси поршня, которая лежит в плоскости кулачка. Ось поршня параллельна, но не совпадает с опорной линией, перпендикулярной к эксцентриковой оси и пересекающейся с эксцентриковой осью. Кулачок прикладывает максимальное усилие к поршню, когда ось поршня перпендикулярна к периферийной боковой стенке, где ролик, работающий от кулачка, зацепляется с периферийной боковой стенкой, и максимальное усилие, приложенное кулачком к поршню, действует, по существу, на одной прямой с осью поршня. Уменьшается износ элементов узла насоса и повышается эффективность откачки за счет минимизации ненужного крутящего момента.

Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности из-за сложной конструкции, по этой причине снижается надежность работы насоса.

Известен скважинный насос (патент РФ 2224908С₁, опубликован 27.02.2004, МПК: F04B 47/00) предназначенный для использования в нефтегазодобывающей промышленности, преимущественно в составе компоновок для испытания скважин в процессе бурения без подъема бурильной колонны. Содержит цилиндрический корпус и расположенный внутри него шток со сквозным осевым каналом, соединенные между собой посредством расцепной муфты. Расцепная муфта выполнена в виде торцевой кулачковой муфты и снабжена гидравлическим замком в виде двух расположенных между штоком и корпусом маслонаполненных камер с радиальными отверстиями в штоке и трубчатого золотника, установленного в осевом канале штока на срезном штифте и имеющего проточку для сообщения между собой радиальных отверстий штока и посадочное седло под сбрасываемый клапан для перекрытия осевого канала штока. Между корпусом и штоком размещен разгрузочный подшипник. Рабочим органом насоса является кольцевой поршень двойного действия, образующий с корпусом и штоком две рабочие камеры с приемными и нагнетательными каналами с установленными в них, соответственно, всасывающими и нагнетательными клапанами. При этом приемные каналы рабочих камер сообщены с осевым каналом штока, а их нагнетательные каналы - с затрубным пространством. Насос снабжен механизмом преобразования вращения штока в возвратно-поступательное движение поршня в виде снабженной бесконечной винтовой канавкой втулки, связанной со штоком шлицевым соединением, и взаимодействующего с этой винтовой канавкой поводка, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанного с поршнем.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления торца поршня, высокие контактные напряжения в местах контакта поршня с роликами, вызывающие интенсивный износ этих деталей и снижающие срок службы устройства, и малая производительность откачки, поскольку устройство представляет собой скважинный насос простого действия, ход поршня которого к тому же ограничен углом подъема волновой поверхности торца поршня, который не может быть большим из-за быстрого роста крутящего момента, передаваемого от колонны труб на корпус и далее к средствам фиксации устройства в скважине.

К наиболее близкому техническому решению относится скважинный гидравлический насос (патент РФ 2594375С₂, опубликован 20.08.2016, МПК: F04B 1/10; Е21В 43/12; F04B 1/053; F04B 47/06) для обеспечения давления текучей среды во время скважинных работ, содержащий корпус, кулачок.

Кулачок расположен с возможностью вращения в корпусе насоса и имеет продольную ось вращения. Кулачок содержит вал с кулачковым выступом. Радиально кулачковому валу расположен поршень. Он имеет корпус, расположенный в корпусе насоса. Корпус насоса имеет впускной клапан, расположенный во впускном отверстии, и выпускной клапан, расположенный в выпускном отверстии. Имеется пружина, расположенная в корпусе насоса для перемещения поршня относительно корпуса. Корпус поршня имеет возможность вращения вокруг оси вращения корпуса, параллельной продольной оси вращения кулачкового вала. Технический результат - повышение гидравлической мощности скважинного гидравлического насоса.

Данный гидравлический насос содержит множество камер поршня с циклически изменяемым объемом, в которых перемещение текучей среды через поршневые камеры обеспечивается вращающимся кулачковым выступом, перемещающим поршни циклическим образом. Однако такие гидравлические насосы часто являются недостаточно производительными для обеспечения мощности, необходимой в стволе скважины, и кроме того, их недостатком может быть износ подвижных деталей.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание насоса с целью контроля качества флюида для получения чистой пластовой жидкости.

Поставленная задача решается за счет того, что насос для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства скважины, содержит корпус насоса, в котором размещен кулачок с возможностью вращения в корпусе насоса и имеет продольную ось вращения, подшипники, группу поршней, гидравлические каналы, впускной и выпускной клапаны, пружины. Под группой поршней, которые являются дифференциальными, расположен кулачок, который имеет форму многоступенчатого цилиндра, полого в верхней и нижней части с рабочими выступами на внешней поверхности его корпуса. Кулачок опирается на упорную шайбу через упорный подшипник. Верхний торец кулачка скошен на величину, которая определяет величину хода группы дифференциальных поршней. На кольцевую поверхность верхнего торца кулачка опираются ролики, которые расположены в разных опорах, и в каждую из которых меньшим диаметром опирается один из дифференциальных поршней. Кольцевая поверхность верхнего торца кулачка наклонена к перпендикуляру оси вращения кулачка под углом, который исключает затирание при контакте кулачка с роликом при вращении. Над верхними торцами дифференциальных поршней расположены изолированные друг от друга камеры притока, каждая из которых связана с впускным и выпускным клапанами, которые поджаты своими пружинами. Камеры притока также связаны с межпакерным и запакерным пространством через канал притока и канал для выброса откачиваемой жидкости. В канале притока расположены датчик давления и влагомер. Под кольцевой поверхностью дифференциальных поршней находится общая полость, которая заполнена гидравлической жидкостью, соединена с каналом подпора кольцевой площади дифференциальных поршней и связана с каналом для выброса откачиваемой жидкости через разделительный поршень.

Ролики выполнены в форме круглой цилиндрической поверхности с проточкой в средней части в виде усеченного конуса и цилиндра.

Угол наклона кольцевой поверхности верхнего торца кулачка по отношению к оси, перпендикулярной оси вращения кулачка, и угол наклона образующей усеченного конуса ролика по отношению к его горизонтальной оси определяется по формуле:

где d₁ - внешний диаметр ролика; d - внутренний диаметр ролика. D₁ - внешний диаметр кулачка; D - внутренний диаметр кулачка;

α - угол наклона кольцевой поверхности верхнего торца кулачка и образующей усеченного конуса ролика.

Опора в верхней части своего корпуса имеет глухое отверстие, охватывающее меньший диаметр цилиндрической поверхности дифференциального поршня, при этом в корпусе опоры также выполнено сквозное поперечное отверстие, в которое устанавливается ролик с возможностью вращения, а в нижней части торца корпуса опоры выполнена кольцевая проточка, соединенная с упомянутым поперечным отверстием, через которое кольцевая поверхность кулачка передает при вращении через ролики и опоры поступательное перемещение дифференциальным поршням.

В корпусе насоса дополнительно расположен радиальный подшипник, который находится над упорным подшипником и опирается на корпус кулачка.

Для исключения попадания пластовой жидкости из камеры притока в опору и далее в кулачок, на корпусе каждого из дифференциальных поршней расположены уплотнительные кольца.

На рабочем выступе цилиндра кулачка установлено уплотнительное кольцо.

Разделительный поршень оснащен уплотнительными кольцами на его корпусе и предназначен для разделения полости с гидравлической жидкостью от канала для выброса откачиваемой жидкости и передачи давления на кольцевую поверхность дифференциальных поршней для частичного снятия давления с торцевой площади вышеуказанных поршней.

Для герметизации межпакерного пространства в насосе предусмотрены два пакера.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - Общий вид насоса для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства скважины;

Фиг. 2 - Общий вид кулачка;

Фиг. 3 - Вид кулачка в разрезе;

Фиг. 4 - Общий вид ролика;

Фиг. 5 - Разрез А-А насоса;

Фиг.6 - Разрез Б-Б насоса;

Фиг. 7 - Вид опоры в нескольких проекциях (а - вид сверху, б - общий вид, в - вид сбоку);

Фиг. 8 - Фрагмент торца кулачка (вид сверху);

Фиг. 9 - Расчет угла α;

Фиг. 10 - Действующие силы F_пласт и F_выт на торец кулачка.

Предлагаемый насос для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства скважины 25 состоит из корпуса насоса 1 (фиг. 1), в котором размещены кулачок 2, с возможностью вращения в корпусе насоса и имеющий продольную ось вращения, группа поршней 6 и 24, гидравлические каналы: 18 - для выброса откачиваемой жидкости, 22 - канал подпора кольцевой площади дифференциальных поршней и канал притока 23, впускной клапан 9 для отбора жидкости из межпакерного пространства 25 и выпускной клапан 11 для вытеснения отобранной жидкости из камеры притока 20 в пространство за пакерами 17, пружины 10 и 12. Кулачок 2 имеет форму многоступенчатого цилиндра, полого в верхней и нижних частях с рабочими выступами на внешней поверхности его корпуса (фиг. 2, фиг. 3) и расположен под группой поршней 6 и 24, которые являются дифференциальными. Кулачок 2 опирается в упорную шайбу 4 через упорный подшипник 3. Верхний торец кулачка 2 скошен на величину h, определяющую величину хода группы дифференциальных поршней 6 и 24, диаметрально расположенных друг к другу. На кольцевую поверхность 19 верхнего торца кулачка 2 опираются ролики 7 и 26 (фиг. 1, фиг. 4), преобразующие крутящий момент от кулачка 2 в поступательное перемещение дифференциальным поршням 6 и 24 и расположенные в разных опорах 8, в каждую из которых меньшим диаметром опирается один из дифференциальных поршней 6 и 24. Кольцевая поверхность 19 верхнего торца кулачка 2 наклонена к перпендикуляру оси вращения кулачка под углом α, исключающим затирание при контакте кулачка 2 с роликом 7 и 26 при вращении (фиг. 2, фиг. 3). Угол α определяется с помощью расчетов. Над верхними торцами дифференциальных поршней 6 и 24 расположены изолированные друг от друга камеры притока 20, каждая из которых связана с впускным 9 и выпускным 11 клапанами, которые поджаты своими пружинами 10 и 12. Камеры притока 20 дифференциальных поршней 6 и 24 также связаны с межпакерным 25 и запакерным пространством через канал притока 23 и канал для выброса откачиваемой жидкости 18. Для контроля изменений давления в межпакерном пространстве 25 и качества притока откачиваемого флюида в канале притока 23 расположены датчик давления 14 и влагомер 15. На фигуре 5 (разрез А-А) показано расположение впускного клапана 9 дифференциального поршня 6 в канале притока 23 и расположение выпускного клапана 11 в канале выброса 18 дифференциального поршня 24. На фигуре 6 (разрез Б-Б) показано расположение камер притока 20 каждого из дифференциальных поршней 6 и 24, впускного 9 и выпускного клапана 11, и канала подпора 22 кольцевой площади дифференциальных поршней. Под кольцевой поверхностью дифференциальных поршней находится общая полость 21, которая заполнена гидравлической жидкостью, соединена с каналом подпора кольцевой площади дифференциальных поршней 22 и связана с каналом для выброса откачиваемой жидкости 18 через разделительный поршень 13.

Ролики 7 и 26 идентичны друг другу и имеют форму круглой циллин-дрической поверхности с проточкой в средней части в виде усеченного конуса 27 и цилиндра 28 (фиг. 4).

Для исключения эффекта затирания по причине разных линейных скоростей, увеличивающихся к периферии, угол наклона а кольцевой поверхности 19 верхнего торца кулачка 2 по отношению к оси, перпендикулярной оси вращения кулачка рассчитывается так, чтобы линейное перемещение образующей внутреннего диаметра кулачка, а также линейное перемещение наружной образующей кулачка должны совпадать с линейным перемещением соответственно образующей внутреннего диаметра и внешнего диаметра конусной проточки 27 ролика 7 и 26, то есть должен быть равен углу наклона образующей усеченного конуса роликов 7 и 26 по отношению к его горизонтальной оси и определяется в зависимости от внутреннего и внешнего диаметра кулачка и внутреннего и внешнего диаметра ролика путем расчетов, иллюстрируемых на фиг. 8 и фиг. 9.

На фиг. 8 и фиг. 9 приняты следующие обозначения: R - внутренний и R₁ -внешний радиус кулачка, D - внутренний и D₁ - внешний диаметр кулачка, d - внутренний и d₁ - внешний диаметр ролика. Исходными данными для определения угла а являются D₁ и d₁. За один оборот ролика кулачок повернется на угол β, при этом длина дуги l₁ внешнего диаметра кулачка, соответствующей углу β, равна длине окружности внешнего диаметра ролика πd₁ а по длине дуги l внутреннего диметра кулачка, соответствующей углу β, определяется длина окружности внутреннего диаметра ролика πd, при этом высота конусной проточки 27 ролика 7 и 26 должна быть равна разности внешнего R₁ и внутреннего R диаметра кулачка 2. Из геометрических построений, показанных на фиг. 9, определяем tgα по формуле:

где d₁ - внешний диаметр ролика; d - внутренний диаметр ролика; D₁ - внешний диаметр кулачка; D - внутренний диаметр кулачка;

α - угол наклона кольцевой поверхности верхнего торца кулачка и образующей усеченного конуса ролика.

Опора 8 (фиг. 7) в верхней части своего корпуса имеет глухое отверстие, охватывающее меньший диаметр цилиндрической поверхности одного из дифференциальных поршней 6 и 24, при этом в корпусе опоры 8 также выполнено сквозное поперечное отверстие, в которое устанавливается один из роликов 7 и 26 с возможностью вращения, а в нижней части торца корпуса опоры 8 выполнена кольцевая проточка, соединенная с упомянутым поперечным отверстием, через которое кольцевая поверхность кулачка передает при вращении через ролики и опоры поступательное перемещение дифференциальным поршням 6 и 24.

В корпусе насоса дополнительно расположен радиальный подшипник 5, который находится над упорным подшипником 3 и опирается на корпус трубчатого кулачка (фиг. 1).

Для исключения попадания пластовой жидкости из камеры притока 20 в опору 8 и далее в кулачок 2, на корпусе каждого из дифференциальных поршней 6 и 24 расположены уплотнительные кольца.

На рабочем выступе цилиндра кулачка 2 установлено уплотнительное кольцо.

Разделительный поршень 13 оснащен уплотнительными кольцами на его корпусе и предназначен для разделения полости с гидравлической жидкостью от канала 18 для выброса откачиваемой жидкости и передачи давления на кольцевую поверхность дифференциальных поршней 6 и 24 для частичного снятия давления с торцевой площади вышеуказанных поршней.

Для герметизации межпакерного пространства 25 в насосе предусмотрены два пакера 17.

Работает устройство следующим образом. Мотор-редуктор 16 приводит в действие кулачок 2, который вращаясь, заставляет линейно перемещаться дифференциальные поршни 6 и 24, при этом на впускной клапан 9 и выпускной клапан 11 (фиг. 5, фиг. 6), каждый из которых находится в своей камере притока 20 над дифференциальными поршнями 6 и 24, одномоментно воздействуют пластовые и выталкивающие силы F_пласт и F_выт.. При отборе флюида из межпакерного пространства 25, флюид проходит через канал 23, в котором датчик давления 14 и влагомер 15 регистрирует изменение давления и состава флюида.

Далее воздействующие силы пластового давления Р_пласт открывают впускной клапан 9, и флюид поступает в камеру притока 20, линейно передаваясь на кулачок 2. В это время выпускной клапан 11, размещенный в данной камере, находится в закрытом положении. В то же время другой дифференциальный поршень 24, расположенный диаметрально противоположно поршню 6, перемещаясь, создает давление в своей камере притока 20, выталкивающие силы F_выт которого противоположно направлены воздействию поршня 6. Кулачок 2 открывает выпускной клапан 11 дифференциального поршня 24 и через канал 18 производит вытеснение флюида в пространство за пакером, при этом впускной клапан 9 дифференциального поршня 6 в это время находится в закрытом положении. Из этого следует, что подъемная сила на кулачок 2 будет компенсироваться силами F_выт и F_пласт (фиг. 10), меняясь на AF (F_выт - F_пласт = ΔF) при отборе флюида из межпакерного пространства 25, снижая в ней давление до Р_пласт. При следующем повороте кулачка 2 цикл повторяется заново. Процесс откачки продолжается до тех пор, пока датчик влагомера 15 не покажет требуемые данные по составу флюида. В результате работы насоса имеется возможность получить пробу, соответствующую составу пластового флюида.

Таким образом, предложенная конструкция насоса, приводимого в действие кулачком, форма которого исключает эффект затирания, обеспечивает надежную работу по откачке пластовой жидкости из межпакерного пространства и получение пробы, соответствующей составу пластового флюида путем контроля качества флюида за счет включения датчика давления и влагомера в канал притока жидкости.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для откачки пластовой жидкости в приборах, применяемых для определения качества состава пластовой жидкости. Насос для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства 25 скважины содержит корпус 1, в котором размещены кулачок 2 с возможностью вращения в корпусе 1 и имеющий продольную ось вращения, подшипники 3, группа дифференциальных поршней 6, 24, гидравлические каналы, впускной и выпускной клапаны 9 и 11, пружины 10, 12. Под группой поршней 6, 24 расположен кулачок 2, имеющий форму многоступенчатого цилиндра, полого в верхней и нижней частях, с рабочими выступами на внешней поверхности его корпуса. Кулачок 2 опирается на упорную шайбу 4 через упорный подшипник 3. Верхний торец кулачка 2 скошен на величину, определяющую величину хода группы поршней 6, 24. На кольцевую поверхность 19 верхнего торца кулачка 2 опираются ролики 7, 26, расположенные в разных опорах 8, в каждую из которых меньшим диаметром опирается один из поршней 6, 24. Кольцевая поверхность 19 верхнего торца кулачка 2 наклонена к перпендикуляру оси вращения кулачка 2 под углом, исключающим затирание при контакте кулачка 2 с роликом 7, 26 при вращении. Над верхними торцами поршней 6, 24 расположены изолированные друг от друга камеры притока 20, связанные с впускным и выпускным клапанами 9 и 11, которые в свою очередь поджаты пружинами 10, 12. Камеры 20 связаны с пространством 25 и запакерным пространством и через канал притока 23, и канал 18 для выброса откачиваемой жидкости. В канале 23 расположены датчик давления 14 и влагомер 15. Под кольцевой поверхностью поршней 6, 24 находится общая полость 21, заполненная гидравлической жидкостью и соединенная с каналом подпора 22 кольцевой площади дифференциальных поршней 6, 24, связанным с каналом 18 через разделительный поршень 13. Изобретение направлено на получение чистой пластовой жидкости. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Насос для откачки пластовой жидкости из межпакерного пространства скважины, содержащий корпус насоса, в котором размещены кулачок с возможностью вращения в корпусе насоса и имеющий продольную ось вращения, подшипники, группа поршней, гидравлические каналы, впускной и выпускной клапаны, пружины, отличающийся тем, что под группой поршней, являющихся дифференциальными, расположен кулачок, имеющий форму многоступенчатого цилиндра, полого в верхней и нижней частях, с рабочими выступами на внешней поверхности его корпуса, при этом упомянутый кулачок опирается на упорную шайбу через упорный подшипник, а верхний торец кулачка скошен на величину, определяющую величину хода группы дифференциальных поршней, причем на кольцевую поверхность верхнего торца кулачка опираются ролики, расположенные в разных опорах, в каждую из которых меньшим диаметром опирается один из дифференциальных поршней, при этом кольцевая поверхность верхнего торца упомянутого кулачка наклонена к перпендикуляру оси вращения кулачка под углом, исключающим затирание при контакте кулачка с роликом при вращении, причем над верхними торцами дифференциальных поршней расположены изолированные друг от друга камеры притока, связанные с впускным и выпускным клапанами, которые в свою очередь поджаты своими пружинами, причем упомянутые камеры притока также связаны с межпакерным и запакерным пространствами через канал притока и канал для выброса откачиваемой жидкости, при этом в канале притока расположены датчик давления и влагомер, а под кольцевой поверхностью дифференциальных поршней находится общая полость, заполненная гидравлической жидкостью и соединенная с каналом подпора кольцевой площади дифференциальных поршней, связанным с каналом для выброса откачиваемой жидкости через разделительный поршень.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что ролики имеют форму круглой цилиндрической поверхности с проточкой в средней части в виде усеченного конуса и цилиндра.

3. Насос по п. 2, отличающийся тем, что угол наклона кольцевой поверхности верхнего торца кулачка по отношению к оси, перпендикулярной оси вращения кулачка, и угол наклона образующей усеченного конуса ролика по отношению к его горизонтальной оси определяется по формуле:

где d₁ - внешний диаметр ролика;

d - внутренний диаметр ролика;

D₁ - внешний диаметр кулачка;

D - внутренний диаметр кулачка;

α - угол наклона кольцевой поверхности верхнего торца кулачка и образующей усеченного конуса ролика.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что опора в верхней части своего корпуса имеет глухое отверстие, охватывающее меньший диаметр цилиндрической поверхности дифференциального поршня, при этом в корпусе опоры также выполнено сквозное поперечное отверстие, в которое устанавливается ролик с возможностью вращения, а в нижней части торца корпуса опоры выполнена кольцевая проточка, соединенная с упомянутым поперечным отверстием, через которое кольцевая поверхность кулачка передает при вращении через ролики и опоры поступательное перемещение дифференциальным поршням.

5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе насоса дополнительно расположен радиальный подшипник, находящийся над упорным подшипником и опирающийся на корпус кулачка.

6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что для исключения попадания пластовой жидкости из камеры притока в опору и далее в кулачок на корпусе каждого из дифференциальных поршней расположены уплотнительные кольца.

7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что на рабочем выступе цилиндра кулачка установлено уплотнительное кольцо.

8. Насос по п. 1, отличающийся тем, что разделительный поршень оснащен уплотнительными кольцами на его корпусе и предназначен для разделения полости с гидравлической жидкостью от канала для выброса откачиваемой жидкости и передачи давления на кольцевую поверхность дифференциальных поршней для частичного снятия давления с торцевой площади вышеуказанных поршней.

9. Насос по п. 1, отличающийся тем, что для герметизации межпакерного пространства в насосе предусмотрены два пакера.