Скважинная насосная установка
BOREHOLE PUMP UNIT

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности, к установкам с насосами объемного действия, приводимыми в движение погружнымилинейными электродвигателями, и может быть использовано для добычи пластовых жидкостей из малодебитного фонда скважин с больших глубин.
Известна установка [US 2015/0176574, A1, F04B 47/00 25.06.2015], содержащая погружной скважинный насос, состоящий из неподвижного цилиндра и подвижного плунжера, а также погружной двигатель, установленный под скважинным насосом, соединенный с плунжером погружного скважинного насоса, и выполнен с возможностью формирования возвратно-поступательного движения плунжера, и клапанное устройство, установленное ниже плунжера и обеспечивающее при движении его вверх заполнение скважинной жидкостью цилиндра, при движении вниз - заполнение полости скважинного насоса ниже плунжера.
Недостатком этого технического решения является относительно низкая надежность.
Известна также нефтяная насосная установка [US 7316270, В2, F04B 47/04, 08.01.2008], приводимая в действие линейным синхронным трехфазным электродвигателем с редкоземельными постоянными магнитами, включающая в себя двигатель, бегун которого совершает возвратно-поступательное движение, когда электродвигатель подключен к питающей сети, и насос, который имеет цилиндр с всасывающими каналами для прохождения скважинной жидкости и установленный в них клапан, подвижный клапан, поршень и нижний впускной клапан, которые расположены таким образом, что когда бегун двигателя совершает возвратно-поступательное движение, скважинная жидкость прокачивается в одном направлении.
Недостатком этого технического решения также является относительно низкая надежность.
Кроме того, известна насосная установка [RU 2522347, С2, F04B 47/06, F04B 17/04, 10.07.2014], содержащая погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора, причем управляющий электронный блок состоит из наземного и погружного блоков, электродвигатель снабжен датчиком положения бегуна, погружной блок выполнен в виде инвертора, размещенного в герметичном корпусе с нормальным давлением воздуха внутри, корпус инвертора механически связан с корпусом электродвигателя, выход инвертора электрически связан с цепью питания и обмоткой через гермовводы, выход чувствительных элементов датчика положения связан с управляющим блоком инвертора через дополнительные гермовводы, а наземный блок выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного выпрямителя.
К особенностям установки можно отнести то, что высокочастотный инвертор-регулятор может быть выполнен с возможностью гальванической развязки выходного выпрямителя от входного, первый полюс силового выхода наземного блока может быть связан с первым полюсом цепи питания погружного инвертора изолированным кабелем, вторые полюсы выхода наземного блока и питания инвертора соединены с электрически связанными между собой элементами конструкции установки, одноименные полюсы выхода наземного блока и питания погружного инвертора могут быть соединены между собой изолированным двухпроводным кабелем, а управляющий блок инвертора может содержать счетчик шагов бегуна и выполнен с возможностью осуществления реверса при достижении заданного числа шагов.
Недостатком установки является относительно низкая надежность.
Помимо указанных выше, известна также погружная насосная установка [RU 2535288, С2, F04B 47/06, F04B 17/04, 10.12.2014], содержащая линейный электродвигатель, включающий в себя корпус, внутри которого концентрично размещены неподвижный герметичный статор и расположенный внутри него бегун, полость электродвигателя, образованная статором, корпусом и бегуном, заполнена жидкостью, а бегун установлен на опорных элементах статора с возможностью совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль продольной оси статора, и насос, рабочий орган которого механически связан с бегуном, а неподвижная часть механически соединена с корпусом электродвигателя через конструктивные элементы, выполненные с возможностью связи образованной ими полости насоса с внешней средой, при этом она снабжена торцевыми щитами между полостями насоса и электродвигателя, средствами защиты полости электродвигателя от механических примесей и фильтрами тонкой очистки, фильтры тонкой очистки расположены в осевом направлении в корпусе электродвигателя между статором и торцевыми щитами, внешняя поверхность торцевых щитов плотно соединена с корпусом, а внутренняя поверхность торцевых щитов механически контактирует с поверхностью бегуна через средства защиты полости электродвигателя от механических примесей.
Недостатком этой установки также является относительно низкая надежность.
Наиболее близкая по технической сущности к предложенной является установка (RU 2521530, С1), содержащая насос объемного действия и погружной линейный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения относительно статора, причем полость электродвигателя связана с окружающей средой, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун через шток связан с подвижной частью насоса, статор содержит цилиндрические и торцовые элементы герметизации объема статора, при этом полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр, а с полостью насоса - через уплотнение между штоком и корпусом, статор электродвигателя в области между внешней поверхностью обмотки и внутренней поверхностью корпуса электродвигателя содержит продольные сквозные каналы, соединяющие полости, расположенные по обе торцовые стороны статора.
Особенностью этой установки является то, что она может быть снабжена дополнительным, идентичным первому, штоком, размещенным с другой стороны бегуна и связанным с внешней средой через дополнительное уплотнение в корпусе, фильтр выполнен с характеристиками фильтра тонкой очистки, в продольных сквозных каналах размещены трубчатые элементы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, а концы трубчатых элементов герметично соединены с торцовыми элементами герметизации объема статора.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая надежность и относительно низкие энергетические показатели. Это обусловлено тем, что для бегуна не предусмотрены средства обеспечения его плавного хода, включая средства демпфирования или ограничения хода в крайних точках. Это приводит, с одной стороны, к возможности механических повреждений элементов установки, а с другой стороны, к низким энергетическим показателям, поскольку, в частности, излишне большая скорость движения бегуна в крайних точках приводит и к неоправданному расходу энергии.
Задача, которая решается в изобретении, заключается в повышении надежности и улучшении энергетических показателей установки путем исключения указанных выше недостатков наиболее близкого технического решения.
Технический результат, который реализуется при использовании изобретения, заключается в повышении надежности и улучшении энергетических показателей.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в скважинную насосную установку, содержащую погружную часть, включающую в себя размещенные в едином корпусе плунжерный насос, снабженный нагнетательными клапанами, и гравитационным газосепаратором, образованным зоной забора между корпусом и цилиндром плунжерного насоса, над которым размещен блок обратных клапанов, содержащую присоединительную муфту для крепления скважинной насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб, установленный под плунжерным насосом погружной линейный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть в виде статора с трехфазной обмоткой и установленными датчиками температуры, в расточке статора расположена подвижная часть в виде слайдера, выполненного с возможностью возвратно-поступательного движения относительно статора, причем слайдер жестко соединен с подвижной частью плунжерного насоса удлинителем в виде металлического штока с проточками для перетекания перекачиваемой жидкости, полость статора заполнена диэлектрической жидкостью, полость слайдера заполнена консистентной смазкой, а поверхность слайдера покрыта твердой смазкой, согласно изобретению введены демпфер верхней крайней точки хода слайдера, установленный под плунжерным насосом с нагнетательными клапанами, и демпфер нижней крайней точки хода слайдера, установленный в нижней части основания линейного электродвигателя, а также размещенные под линейным двигателем телеметрический блок, включающий датчики давления и температуры скважинной жидкости, датчик вибрации, инклинометр и блок измерения, связанный с датчиками температуры, установленными в линейном двигателе и связанными с наземным блоком управления через нулевую точку обмоток линейного двигателя, соединенных звездой, при этом наземный блок управления выполнен в виде трехфазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного трансформатора, соединенного с погружным линейным электродвигателем посредством изолированного трехпроводного кабеля.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что расточка статора выполнена цельной, хонингованной по внутреннему диаметру направляющей немагнитной трубы, а взаимодействующие с ней немагнитные втулки слайдера выполнены в форме ответной составляющей из немагнитного материала меньшей твердости.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что установка снабжена фильтрами для очистки поступающего флюида, размещенными в корпусе плунжерного насоса и в нижней части линейного электродвигателя.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что слайдер состоит из колец постоянных магнитов и концентраторов магнитного поля, закрепленных на немагнитной оси, которые обеспечивают концентрацию и направленность магнитного потока.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что наземный блок управления формирует трехфазное переменное напряжение, подаваемое на погружной линейный двигатель по кабельной линии, создавая бегущее магнитное поле в статоре для обеспечения плавного движения слайдера.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что наземный блок управления содержит измерительный канал, предназначенный для измерения противоЭДС, генерируемой в обмотках статора линейного двигателя при движении слайдера, определяет положение слайдера и выполнен с возможностью осуществления реверса при достижении слайдером крайних верхней и нижней точек хода.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что наземный блок управления электрически связан с телеметрическим блоком через нулевую точку обмоток погружного линейного двигателя, соединенных звездой, изолированного трехпроводного кабеля и нулевую точку вторичной обмотки выходного трансформатора.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что телеметрический блок электрически связан с датчиками температуры, установленными в обмотках статора погружного линейного двигателя через гермовводы.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что выход слайдера из статора в верхней и нижней части выполнен сплошной втулкой скольжения, имеющей уплотнение.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что полость статора погружного линейного двигателя выполнена герметичной, заполнена рабочей жидкостью с высокими электроизоляционными свойствами и имеет канал малого сечения, соединяющий внутреннюю полость статора с полостью телеметрической системы и полостью гидрозащиты, диафрагма которой связана с внешней средой.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в верхней части погружного линейного двигателя имеется предохранительный клапан, обеспечивающий при повышении давления сброс диэлектрической жидкостью из полости статора во внешнюю среду.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в верхней части телеметрического блока установлены заправочные клапаны.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что трехфазные обмотки статора выполнены секционированными катушками с двухрядной намоткой, а магнитопровод катушек выполнен из шихтованного железа.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что магнитопроводы катушек статора выполнены с возможностью радиального формирования векторов магнитного поля.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - скважинная насосная установка, схема функциональная;
на фиг. 2 - плунжерный насос (с иллюстрацией процессов при ходе вверх и ходе вниз);
на фиг. 3 - погружной линейный электродвигатель;
на фиг. 4 - магниты, концентраторы, линии магнитного поля;
на фиг. 5 - места размещения консистентной и твердой смазки;
на фиг. 6 - клапан обратный, гермовводы и датчики;
на фиг. 7 - скважинная насосная установка, схема электрическая.
Скважинная насосная установка содержит установленные в едином корпусе 1 плунжерный насос 2 и гравитационный газосепаратор, образованный зоной забора газа в поступающем флюиде между корпусом 1 и цилиндром плунжерного насоса 2.
Плунжерный насос 2 снабжен нагнетательными клапанами 3, над которым размещен блок обратных клапанов 4, соединенный с выкидом насоса, который представляет собой присоединительную муфту 5 для крепления скважинной насосной установки к колонне 6 насосно-компрессорных труб. Плунжерный насос 2 оснащен также фильтром 7 для очистки поступающего флюида, цилиндром 8 и плунжером 9.
Кроме того, скважинная насосная установка содержит погружной линейный электродвигатель 10, установленный под плунжерным насосом 2, включающий в себя неподвижную часть в виде статора 11, который имеет трехфазную обмотку, представленную секционированными катушками с двухрядной намоткой 12 и сердечники 13 из шихтованного железа, и расположенную в расточке статора (расточка статора 14 выполнена в виде цельной хонингованной по внутреннему диаметру немагнитной трубы) подвижную часть в виде слайдера 15, который состоит из немагнитной оси 16, на котором расположены магниты 17 и концентраторы 18, которые направляют магнитные линии магнитов радиально (как указано на фиг. 4). Немагнитные втулки 19 слайдера выполнены меньшей твердости, чем немагнитная труба. Статор 14 связан с окружающей средой посредством полости гидрозащиты 20 и диафрагмы 21. В катушках 12 установлены датчики 22 температуры. Статор 14 имеет сбросный клапан 23 для сброса диэлектрической жидкости в окружающую среду. Полость электродвигателя связана с окружающей средой через фильтр 24 и уплотнения 25, установленные на цельной втулке 26 скольжения, полость слайдер-статор заполнена консистентной смазкой 27, а поверхность слайдера твердой смазкой 28. Слайдер 15 жестко соединен с подвижной частью плунжерного насоса удлинителем 29 в виде металлического штока с проточками для перетекания перекачиваемой жидкости.
Кроме того, скважинная насосная установка содержит демпфер 30 верхней крайней точки хода слайдера, установленный под плунжерным насосом 2, и демпфер 31 нижней крайней точки хода слайдера, установленный между погружным линейным электродвигателем 10 и его основанием 32.
Скважинная насосная установка содержит также блок 33 телеметрии, установленный под основанием 32 и который соединен каналами малого сечения с полостью статора через гермовводы 34, в которые уложены провода датчиков 22 температуры, датчиков 35 давления масла внутри двигателя и провода нулевой точки 36 обмоток погружного линейного электродвигателя 10. Блок 33 телеметрии оснащен заправочным клапаном 37 и датчиками 38 температуры и давления пластовой жидкости 39, датчиком 40 вибрации, инклинометром 41 и блоком 42 измерения, который связан со всеми вышеуказанными датчиками и нулевой точкой обмоток погружного линейного двигателя 10. Питание погружного линейного двигателя 10 обеспечивается по кабельной линии (изолированному трехпроводному кабелю 43) от наземного блока 44 управления, который содержит блок управления телеметрической системы, является инвертором и выпрямителем одновременно и содержит измерительный канал через выходной трансформатор 45, который обеспечивает повышение напряжения. Связь между блоком 33 телеметрии и наземным блоком управления осуществляется через нулевую точку 36 обмоток погружного линейного двигателя 10 и нулевую точку 46 вторичной обмотки выходного трансформатора. На наземный блок 44 управления подается трехфазное переменное напряжение.
Работает скважинная насосная установка следующим образом.
На наземный блок 44 управления подается переменное трехфазное напряжение. Наземный блок 44 управления преобразует питающий сигнал и посредством трансформатора 45 и кабельной линии 43 подает его на погружной линейный двигатель 10.
Под воздействием питающего сигнала в секционированных катушках 12 возникает ток, который создает бегущее магнитное поле. Под воздействием бегущего магнитного поля слайдер 15 совершает плавное возвратно-поступательные движения вверх и вниз на заданное перемещение. Слайдер 15 жестко соединен с плунжером насоса с помощью удлинителя 29, а статор 11 соединен жестко с корпусом 1 плунжерного насоса.
При ходе вниз нагнетательный клапан 3 открыт, а обратные клапаны 4 закрыты, и полость цилиндра 8 заполняется перекачиваемой жидкостью ввиду создаваемого разрежения. При ходе вверх нагнетательный клапан 3 закрыт, из-за усилия погружного линейного двигателя 10 возникает давление на жидкость в цилиндре 8 и происходит открытие обратных клапанов 4, объем набранной при ходе вниз жидкости выталкивается в колонну 47 насосно-компрессорных труб и далее транспортируется на поверхность по мере заполнения колонны.
Фильтр 7 плунжерного насоса может быть выполнен с разной степенью очистки перекачиваемой жидкости, повышает ресурс насоса при высоком содержании механических примесей.
Фильтр 24 погружного линейного электродвигателя также может быть выполнен с разной степенью очистки жидкости, которая поступает в полость погружного двигателя 10, предназначенной для компенсации разрежения/давления перекачиваемой жидкости, создаваемого при движении слайдера 15.
Забор в плунжерный насос 2 перекачиваемой жидкости происходит через зону гравитационного газосепаратора, образованного корпусом 1 и цилиндром 8.
Наземный блок 44 управления получает данные из блока 33 телеметрии значения параметров давления и температуры скважинного флюида, обеспечивая контроль притока перекачиваемой жидкости в скважине, изменяет режим работы погружного линейного электродвигателя 10, поддерживая заданный дебит.
Наземный блок 44 управления получает данные из блока 33 телеметрии значения параметров температуры погружного линейного двигателя 10 и температуры скважинного флюида, обеспечивая контроль температурного режима погружной части, изменяет режим работы погружного двигателя, поддерживая безопасный его температурный режим работы.
Наземный блок 44 управления определяет положение слайдера 15 и управляет работой погружного линейного электродвигателя 10 по циклограмме: рабочий ход вверх - номинальное потребление, ход вниз - минимальное потребление электроэнергии.
Наземный блок 44 управления получает данные из блока 33 телеметрии значения параметров давления и температуры скважинного флюида, обеспечивая контроль притока в скважине, изменяет режим работы погружного линейного электродвигателя 10, поддерживая заданное количество добываемой жидкости - дебит.
Наземный блок 44 управления измеряет ЭДС, генерируемую в обмотках статора погружного линейного электродвигателя 10 при движении слайдера 15, и определяет положение слайдера 15.
Погружной линейный электродвигатель 10 имеет повышенный ресурс работы за счет применения консистентной 27 и твердой 28 смазок, уплотнения 25.
Таким образом, в предложенной скважинной насосной установке достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении надежности и улучшении энергетических показателей, поскольку обеспечивается управление режимами работы в зависимости от условий добычи и формирование на этой основе экономичного плавного движения слайдера (в частности, рабочий ход вверх - номинальное потребление, ход вниз - минимальное потребление электроэнергии), что повышает надежность установки за счет уменьшения износа элементов установки, и повышение которой обеспечивается также введением демпфера верхней крайней точки хода слайдера и демпфера нижней крайней точки хода слайдера.