УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОПОГРУЖНОГО ГИДРОПОРШНЕВОГО НАСОСА
INSTALLATION OF ELECTRIC SUBMERSIBLE HYDRAULIC PISTON PUMP

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может применяться в нефтедобыче.
При добыче нефти из скважин широко применяются общеизвестные погружные установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) и штанговые глубинные плунжерные насосы (УШГН), имеющие наземное и подземное оборудование.
Добыча нефти или пластовой жидкости может производиться фонтанным способом - когда потенциальная энергия самого пласта достаточна для подъема ее на поверхность земли, или, в подавляющем большинстве случаев, механизированным способом - когда для повышения потенциальной энергии и подъема жидкости наверх применяются специальные скважинные глубинные насосные установки, состоящие собственно из насоса, спущенного на глубину скважины под динамический уровень жидкости, и электро-, гидропривода, спущенного вместе с насосом как один единый агрегат, так называемые бесштанговые насосные установки:
- электроцентробежные установки (УЭЦН) [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 113. Москва «Недра». 1990);
- погружные винтовые электронасосы (УЭВН) [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 149. Москва «Недра». 1990);
- погружные диафрагменные электронасосы (УЭДН) [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 162. Москва «Недра». 1990);
- установки гидропоршневых насосов (УГН) [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 167. Москва «Недра». 1990).
Все типы установок имеют погружное оборудование и комплект наземного оборудования из понижающего напряжение электросилового маслонаполненного трансформатора с силовым кабелем для электропитания погружного двигателя или дополнительного трубопровода для подачи рабочей жидкости в гидропоршневой двигатель в ту или иную его рабочую полость через золотниковое устройство для совершения возвратно-поступательного движения плунжера гидропоршневого двигателя, соединенного через шток с плунжером насоса и создания давления нагнетания для подъема пластовой жидкости на устье скважины. В первых же трех установках при подаче напряжения по кабелю двигатель вращением вала или колебаниями мембраны насоса тоже передает потенциальную энергию жидкости для подъема на землю. Такими установками оборудованы около 35% скважин эксплуатационного фонда.
Остальные скважины оборудованы глубинными штанговыми насосными установками (УШГН) [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 53. Москва «Недра». 1990). Установки УШГН состоят из собственно погружного плунжерного насоса объемного действия и наземного привода - станка-качалки или цепного привода производства Бугульминского механического завода ОАО «Татнефть» (2, Паспорт ПЦ-60-18-3.0-0.5/2.5 ПС или Инструкция по эксплуатации ПЦ-60-18-3.0-0,5/2.5 РЭ). Для электропитания привода применяется наземный понижающий маслонаполненный трансформатор с силовым кабелем. Для сообщения плунжеру погружного насоса возвратно-поступательного движения к головке балансира или к каретке цепного привода подвешивается многотонная колонна штанг - «звено-паразит» кинематики привода. Таким образом, в погружном насосе создается достаточное давление, необходимое для подъема жидкости на устье скважины по колонне насосно-компрессорных труб, подвешенных в свою очередь к устьевой головке скважины.
Основными недостатками всех типов установок для добычи нефти являются большая металлоемкость и энергоемкость, большие потери энергии на трение, большие внутренние потери добываемой жидкости, большие капитальные затраты на изготовление оборудования, а также на изготовление электрокабеля высокого напряжения (УЭЦН, УЭВН, УЭДН) или создания дополнительного канала подачи рабочей жидкости с земли к погружному гидропоршневому двигателю (УГН), наличие колонны штанг (звено-паразит) (УШГН) для передачи возвратно-поступательного движения от станка-качалки или цепного привода к плунжеру погружного насоса. И это «звено-паразит», не совершая никакой полезной работы, отбирает у УШГН огромную электроэнергию, соразмерную (или даже большую) с энергией для подъема жидкости на поверхность земли. При этом только за счет трения штанг о стенки НКТ и жидкости внутри НКТ и эффекта «взбалчивания» ее теряется дополнительно электроэнергия. С учетом сказанного коэффициент полезного действия (КПД) УШГН очень низок и практически равен 0,07…0,1. Хотя по принципу работы и устройства КПД УШГН должен быть самым высоким по сравнению с другими установками, имеющими следующие значения КПД: УЭЦН~33,5…52 [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 114. Москва «Недра». 1990);
УЭВН~38,6…49,8 [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 152. Москва «Недра». 1990);
УЭДН~35…40 [1] (Е.И. Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С. 163. Москва «Недра». 1990);
Попытка снижения потерь энергии переходом от привода от станка-качалки или цепи на гидропривод, установленный на устье скважины, смонтированный непосредственно на головке устья или на фундаменте-постаменте горизонтально (на фундаменте от СКН), не может дать реального выигрыша материальных ценностей и энергии, так как «звено-паразит» для передачи возвратно-поступательного движения от плунжера гидропривода к плунжеру погружного гидронасоса остается и отбирает ту же энергию, как и в случае УШГН, не совершая никакой полезной работы.
Наиболее близким только по принципу работы собственно насоса, а не по конструкции установки в целом, прототипом предлагаемой установки являются установки гидропоршневых насосов (УГН) (1, С. 167) использующих потенциальную энергию специально подготовленной на поверхности земли пластовой жидкости и закачиваемой по специальным каналам в межтрубных пространствах наземным силовым насосом в погружной гидравлический поршневой двигатель через золотниковое устройство в ту или иную рабочую полость цилиндра для создания возвратно-поступательного движения плунжера насоса, жестко соединяющегося с помощью штока с плунжером двигателя. Плунжер насоса передает энергию на пластовую жидкость в рабочем объеме насоса и создает давление для подъема ее на землю по НКТ. Затем жидкость поступает в трубопроводы промыслового сбора. Однако эти установки (УГН) имеют очень низкий КПД, требуют тщательную очистку части добытой жидкости от механических примесей с использованием громадных по размеру и по массе доходящих до 47,5 тонн наземного технологического блока и 7,5 тонн блока управления.
Таким образом, все известные насосные установки имеют очень низкий КПД, металлоемки, занимают много места устья скважины, несут огромные капитальные и особенно эксплуатационные затраты: на техническое обслуживание и осмотр, текущий и капитальный ремонты оборудования, на приобретение расходных материалов (особенно НКТ, штанг и так далее), на оплату электроэнергии, на содержание огромного количества ремонтного персонала и создание и оборудование для них рабочих мест, для перевозки их до места работы и обратно, для создания условий перевозки насосов, двигателей, НКТ и штанг, наземного оборудования, монтажа и демонтажа их на скважине и так далее.
Известен плунжерный погружной объемный насос с системой управления (Патент РФ на ПМ №124332 от 05.03.2012), содержащий погружной электродвигатель с гидрозащитой, приводной маслонасос (шестеренный или аксиально-поршневой), масляный бак, станцию управления и плунжерный погружной объемный насос. При эксплуатации насоса изменение частоты вращения электродвигателя маслонасоса выполняется с помощью станции управления.
Известен погружной насос объемного типа (Патент РФ на ПМ №123859 от 25.06.2012 г.), содержащий погружной электродвигатель с протектором, связанный с приводным насосом, плунжерный рабочий насос, масляный бак, компенсатор объемного расширения и гидродвигатель.
Известен погружной объемный насос с эксцентрическим основанием (Патент РФ на ПМ №123856 от 05.03.2012 г.), содержащий погружной электродвигатель с гидрозащитой, приводной шестеренный насос, рабочий насос с эксцентрическим основанием.
Известна установка погружная электроприводная (Патент РФ на изобретение №2210003 от 02.04.2002), содержащая погружной электродвигатель с гидрозащитой, кинематически связанной с приводным насосом, рабочий насос с гидродвигателем, гидрораспределитель, соединенный трубопроводом с блоком управления приводного насоса, компенсатор гидропривода, силовой и возвратный гидроцилиндры, устройство для защиты гидропривода от обратного вращения вала электродвигателя и компенсатор гидропривода.
Главным и определяющим недостатком известных гидропоршневых установок является утечка через уплотнения из невосполняемого во время эксплуатации и весьма ограниченного объема масла в погружном баке, которая определяет срок службы установки и межремонтный период скважины, который при всех их достоинствах имеет сравнительно низкий уровень, значительно ниже, чем УЭЦН и УШГН. По этой причине до сих пор сдерживается внедрение таких прогрессивных и высокоэкономичных гидропоршневых установок в нефтедобычу.
Прототипом изобретения является установка электропогружного гидропоршневого насоса (Патент РФ на ПМ №138124 от 01.10.2012 г.), состоящая из общеизвестного наземного оборудования в составе маслонаполненного трансформатора типа ТМ, подключенного на устье скважины к линиям электропередачи (ЛЭП) и бронированного силового электрического кабеля, подключенного к ТМ и токовводу погружного электродвигателя и проходящего через устьевое оборудование скважины с уплотнением его и подземного оборудования, подвешенного на насосно-компрессорных трубах (НКТ) к устью скважины и состоящего из герметичного агрегата, имеющего в составе герметичный гидропоршневой двигатель (ГПД) с силовым шестеренным (СШН) или другим насосом с герметичным погружным электродвигателем (ПЭД), заполненным диэлектрическим маслом и имеющим возможность компенсации разницы давлений внутри и снаружи двигателя и уплотняющее устройство для разъединения двух полостей, создающим давление гидравлической жидкости, всасываемой из специального погружного бака с пеногасителем, выполненного из трубы и находящегося между насосом (СШН) и гидравлическим поршневым двигателем (ГПД) и закачки ее через золотниковое устройство в тот или иной рабочий объем двигателя (ГПД) для придания возвратно-поступательного движения плунжерам двигателя (ГПД) и насоса (ГПН) с целью откачки пластовой жидкости из скважины и собственно гидропоршневого насоса (ГПН), причем плунжеры ГПД и ГПН жестко соединены между собой штоком, уплотненным на выходе из корпуса ГПД сальниковым устройством для разъединения внутренней полости ГПД от пластовой жидкости во всасывающей камере ГПН.
Задачей предлагаемого изобретения является вместо существующих различных насосных установок создание и замена всего парка их надежной и высокоэкономичной установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН) с очень высоким (свыше 80%) КПД и со следующими техническими показателями работы: cosφ не ниже 0,8; tgφ от 0,21 до 0,25; МРП скважины на уровне среднего по отрасли и даже значительно выше, с малой металлоемкостью и высвобождением земельных угодий из-под громоздкого наземного оборудования, с резким, в несколько, а то десятки раз, сокращением как капитальных, так и эксплуатационных затрат и людских ресурсов.
Технический результат достигается путем прогрессивного подхода к компоновке и разработке, изготовлению, внедрению и эксплуатации совершенно новой установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН), заключающегося в новой системе электропитания двухступенчатым или каскадным способом снижения напряжения и передачи электроэнергии от ЛЭП к электродвигателю, возвратно-поступательного движения плунжерам гидропоршневых двигателя и насоса путем применения подземного герметичного агрегата, состоящего из погружного понижающего трансформатора, электрически связанного по кабелю с электродвигателем силового объемного насоса (шестеренного, винтового или мембранного), емкости с гидравлической жидкостью, гидропоршневого двигателя, кинематически соединенного с гидропоршневым насосом через всасывающую головку с фильтром и уплотняющим шток устройством системы уплотнений, позволяющей надежно разъединить герметичную полость подземного агрегата от полости с пластовой жидкостью во всасывающей головке и попадание пластовой жидкости в герметичный агрегат за счет дозированной и контролируемой подачи гидравлической жидкости из наземного бака по трубопроводу малого диаметра, закрепленному к НКТ с помощью центраторов и поясков с целью поддержания определенного перепада давления над всасом и контролируемой компенсацией утечек жидкости из герметичного агрегата. Это позволяет резко повысить надежную и долгосрочную работу установки и открывает путь в комплексе с другими новшествами и преимуществами к массовому внедрению этих надежных и высокоэффективных установок в нефтяную промышленность и заменить абсолютно весь парк, эксплуатируемый в настоящее время морально устаревших установок.
Новым является то, что понижающий маслонаполненный погружной трансформатор, гидропоршневые насос и двигатель с силовым насосом с электродвигателем, емкость для гидравлической жидкости составляют один подземный герметичный агрегат, спущенный под динамический уровень жидкости в скважине, что позволяет отказаться от громадных и многотонных двух наземных блоков (УГН) массой до 47,5 и 7,5 т, индивидуальных цепных и станков - качалок (УШГН) массой до 15 т.
Новым является то, что система электропитания погружного агрегата состоит из двухступенчатого снижения напряжения наземным маслонаполненным трансформатором и погружным понижающим маслонаполненным трансформатором, выполненным в герметичном вытянутом корпусе с токовводом для подключения силового кабеля, и имеющим магнитопровод и обмотки, вытянутые в длину в цилиндрической форме в виде фазных бобин, или обмоток, пофазно заложенных в специальные пазы магнитопровода.
Новым является то, что предлагаемая установка имеет систему уплотнений вращающегося вала силового насоса и штока с возвратно-поступательным движением, состоящую из собственно двух уплотнений контактного, щелевого с неподвижными или плавающими кольцами или контактно-щелевого типов, камеры которых сообщается между собой и соединяются трубопроводом малого сечения с уплотнением его на выходе из пьедестала с утепленным наземным баком для гидравлической жидкости с указателем уровня, фильтром и сапуном для сообщения с атмосферой, капельницей для визуального наблюдения, дозатором или насосом-дозатором наверху и капилляром на входе в камеру уплотнений, предназначенной для поддержания перепада давлений в камерах уплотнений насоса и штока над всасами гидропоршневого и силового насосов и дозированной и гарантированной компенсации утечек жидкости из герметичного агрегата, что обеспечивает межремонтный период скважин на уровне среднего по отрасли и даже значительно выше.
3
Новым является то, что в силовом насосе ведомые шестерни равномерно располагаются вокруг ведущей шестерни, образуя каждая с ней насосную пару, уравновешивая возникающие силы в зацеплении. Количество пар равняется 2, 3, 4 и более. Подбором числа пар, модуля, числа зубьев, ширины зуба шестерен можно достичь определенную производительность насоса, влияющую на подачу погружного агрегата через число двойных ходов плунжеров, т.е. создать параметрический ряд силовых шестеренных насосов и установок для добычи пластовой жидкости из скважин с дебетом от менее одного до 1500…3000 и более м/сут.
Новым является то, что для крепления силового кабеля и трубопровода малого сечения системы уплотнения к НКТ применяются оребренные центраторы со специальными пазами, позволяющими закрепить поясками с некоторым натягом с целью исключения механических повреждений или обрывов их.
Новым является то, что в состав герметичного агрегата включена емкость для запаса гидравлической жидкости (масла) с возможностью компенсации разницы давлений внутри и вне его, имеющая на всасе силового насоса фильтр для очистки от механических примесей и совмещенную с ним байпасную линию с клапаном на случай выхода фильтра из строя, а также объем, обеспечивающий длительную бесперебойную работу установки и межремонтный период скважины выше достигнутого в настоящее время уровня.
Новым является то, что шток, соединяющий плунжеры насоса и двигателя, и вал силового насоса уплотняются контактным, щелевым с подвижными или плавающими кольцами, контактно-щелевым уплотнительным устройством в составе системы уплотнений, что позволяет резко увеличить КПД агрегата и срок службы погружного электродвигателя силового насоса и установки в целом.
Новым является то, что для повышения срока службы электродвигателя силового насоса и установки в целом внутренняя полость двигателя ПЭД заливается диэлектрическим маслом с уплотнением конца вала его уплотнительным узлом, а в емкость - гидравлической жидкостью, обычно применяемой в ГПД общепромышленного назначения.
Конструкция изобретения
Техническое решение изобретения поясняется  чертежами, где на фиг. 1 изображена подземная часть установки, на фиг.2- наземная часть установки, на фиг. 3 - разрез А-А на фиг.1.
Установка электропогружного гидропоршневого насоса состоит из наземного оборудования в составе понижающего трансформатора 19 системы электропитания, подключенного к линиям электропередачи, станции управления 20 и подземного единого агрегата, состоящего из второго подземного понижающего трансформатора 1 двухступенчатого понижения напряжения в системе электропитания, к штекерному вводу которого подключается силовой кабель 15 и фазные обмотки электродвигателя 2 на цилиндрическом вытянутом в длину в замкнутом магнитопроводе, собранные в цилиндрическом стальном корпусе с основанием и головкой с выводами для соединения с электродвигателем 2 и герметичного гидропоршневого двигателя 7 в составе из маслонаполненного погружного электродвигателя (ПЭД) 2, имеющего возможность для выравнивания давлений внутри и за корпусом его и компенсации утечек масла, силового объемного насоса 3 (шестеренного, винтового или мембранного типа), в случае же применения шестеренного насоса в качестве силового насоса 3 в зацеплении с зубьями ведущей шестерни с уплотнением на валу электродвигателя 2 находится 1, 2, 3, 4 и более ведомых, образующих каждая в отдельности с ведущей шестерней насосную пару и имеющих всасывающие и выкидные линии по числу насосных пар и заключенных в единый корпус, емкости 4, выполненной из трубы, с пеногасителем и фильтром с байпасной линией, возможностью выравнивания давлений внутри и за стенкой его и с запасом гидравлической жидкости, гидропоршневого двигателя 7 с золотниковым устройством 6 и напорным трубопроводом 5 для подачи ее в рабочие полости цилиндра двигателя 7, штока 8, уплотненного на выходе из корпуса двигателя 7 с уплотнительным узлом 9 системы уплотнений, состоящей из наземного утепленного бака 21 с гидравлической жидкостью, имеющего на устье капельницу, дозатор или насос-дозатор, а внизу заканчивающейся капилляром, соединенный трубопроводом малого сечения 14, закрепленного к НКТ центраторами 18 и поясками 17 с камерой уплотнительного узла 9 штока 8 (контактное, щелевое с неподвижными или плавающими кольцами, контактно-щелевое) во всасывающей головке 10, расположенной между ГПД 7 и ГПН 11, имеющей фильтр и профилированные проточные каналы к приему ГПН 11, и жестко соединенного с плунжером 12, встроенным в него всасывающим клапаном, гидропоршневого насоса 11, нагнетательного клапана 13, с выходом откачиваемой пластовой жидкости в колонну насосно-компрессорных труб 16 и далее на поверхности земли, силового кабеля 15, прикрепленного к корпусу агрегата и НКТ с помощью центраторов 18 и поясков 17 и идущего от штекерного ввода погружного понижающего трансформатора 1 к поверхности земли и подключенного к ТМ 19, на выходе из устьевой арматуры уплотненного сальником.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом.
При подаче электроэнергии по системе электропитания на трансформатор 19 под необходимым пониженным напряжением по силовому кабелю 15 через второй погружной трансформатор 1 двигатель 2 начинает вращать шестерни (винт или колебать мембрану) силового насоса 3, который засасывает через фильтр жидкость из емкости 4 и под напором подает по трубопроводу 5 через золотниковое устройство 6 в нижнюю рабочую полость ГПД 7. Под давлением масла плунжер двигателя 7 двигает через шток 8, плунжер 12 насоса 11 наверх. При этом под действием давления нагнетательный клапан 13 открывается, а всасывающий клапан плунжера ГПН 12 закрывается и жидкость поступает в НКТ. При достижении плунжером 12 насоса 11 верхней мертвой точки золотниковое устройство 6 переправляет поток масла под давлением в верхнюю рабочую полость цилиндра двигателя 7 с одновременным сливом масла из нижней рабочей полости двигателя 7. Тогда под давлением масла от насоса 3 плунжер двигателя 7 со штоком 8 и плунжером 12 насоса 11 начинает двигаться вниз. При этом клапан 13 закрывается, а всасывающий клапан плунжера насоса открывается, и пластовая жидкость поступает в рабочую полость насоса из всасывающей головки 10. Описанный процесс циклически повторяется. При этом подача насоса прямо пропорциональна диаметру плунжера насоса, длине хода и частоте двойных ходов, величина которой в свою очередь зависит от регулируемой скорости закачки масла в рабочие полости двигателя.
Таким образом, УЭГПН обеспечивает откачку пластовой жидкости со скважин практически с любым дебитом (от минимального до максимального значения). При этом достигается максимальный КПД свыше 80%. Установки компактны, с минимальной металлоемкостью и энергоемкостью, позволяют резко сократить материальные и эксплуатационные затраты, заменяют все существующие типы установок для добычи нефти и сокращают номенклатуру выпускаемых изделий до минимума. Установка проста по конструкции, в изготовлении, обслуживании, ремонте и эксплуатации, причем позволяет применение всего арсенала передовых технологий в добыче нефти и при изготовлении их на заводах-изготовителях, ремонте и эксплуатации.
Предлагаемое техническое решение можно применить на нефтепромыслах нашей страны, ближнего и дальнего зарубежья. При этом до разработки документации и начала серийного выпуска установок можно осуществить ее компоновку следующим образом: в качестве погружного понижающего трансформатора и узлов системы уплотнения применить экспериментальный вариант, а в качестве силового насоса применить диафрагменные насосы типа УЭДН или винтовые насосные установки типа УЭВН + емкости для жидкости + подземная часть гидропоршневой насосной установки, спущенные на колонне НКТ и подвешенные на устьевой арматуре скважины. Например: УЭДН5-10 + бак + ГН59-89-25-25 или УЭВН5-25-1000 + бак + ГН59-89-25-25 с применением некоторых соединительных деталей и узлов. При этом КПД установки будет не на много ниже вышеописанной, но значительно выше, чем у серийных установок для добычи нефти.