Способ для эксплуатации скважин и устройства для его реализации
METHOD OF WELL OPERATION (VERSIONS) AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Заявляется группа изобретений, которая относится к нефтяному машиностроению, а именно к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин и к способам эксплуатации скважин, в которых используются такие насосы.
Уровень техники
Известен способ эксплуатации скважин 2559999 С2 от 19.09.2014 установкой электроцентробежного насоса, включающий ввод скважины в эксплуатацию, добычу скважинного продукта, остановки, повторные запуски установки, которая включает герметично свинченные насосно-компрессорные трубы электроцентробежного насоса, двигатель, герметично установленные над насосом обратный и сбивной клапаны. Недостатком является то, что при остановке установки обратный клапан, установленный над насосом, герметично закрывается, внутри насоса образуется герметичная область (по сути, колокол), соединенная с пластовой жидкостью в нижней части через отверстия основания или входного модуля. Через эти отверстия насос может заполняться свободным газом, вследствие чего будет затруднен или невозможен повторный запуск.
Наиболее близким аналогом RU 12421602 С1 от 20.06.2011 является способ эксплуатации скважины, включающий спуск в скважину колонны насосно-компрессорных труб, электроцентробежного насоса с входным модулем, электродвигателя с гидрозащитой, универсальный клапан, выполняющий функции обратного и промывочного клапанов. Недостатком является то, что при останове установки обратный клапан, установленный над насосом, герметично закрывается, внутри насоса образуется герметичная область, соединенная с пластовой жидкостью в нижней части через отверстия основания или входного модуля. По сути, колокол.
Недостаток приведенных решений состоит в том, что через указанные отверстия насос может заполняться свободным газом, вследствие чего будет затруднен или невозможен повторный запуск.
В настоящий момент газозапорное устройство насоса отсутствует в используемых в промышленности изделиях. По этой причине ближайшим аналогом являются сбивной и промывочный клапаны, описанные в рассмотренных выше патентах. Их недостатком является то, что они не могут автоматически открываться при остановке насоса. Удаление лишнего газа для данных клапанов является случайной, побочной функцией, которая исполняется лишь изредка: 1) когда клапан сбивной (предназначен для слива жидкости из колонн НКТ при подъеме установки центробежного погружного насоса из скважины) сбивают при подъеме установки, либо 2) когда промывочный клапан задействуется в целях периодической промывки лифта скважин и при закачке ингибиторов для борьбы с солеотложениями, коррозией в насосно-компрессорных трубах, при глушении скважин. Такие устройства не могут обеспечить герметичность на входе в насос.
Требуется техническое решение, которое сможет при остановке насоса обеспечить герметичность находящейся внутри газожидкостной смеси, чтобы сохранить до повторного включения допустимое содержание свободного газа. Это важно, если содержание свободного газа в затрубном пространстве на момент включения установки выше допустимого, при котором насос может работать. При работе погружной установки газосепаратор сепарирует свободный газ, и в насос поступает дегазированная смесь с приемлемым содержанием свободного газа. При остановке газосепаратор не работает, через входные отверстия газосепаратора насос соединен с затрубным пространством и содержание свободного газа внутри насоса сначала становится равным содержанию свободного газа в затрубном пространстве, а затем газ начинает собираться в насосе как в стакане с дном, направленным вверх, который установлен в газожидкостной смеси.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации скважин с высоким содержанием свободного газа за счет устранения вероятности, что содержания свободного газа внутри насоса при его остановке превысит допустимую величину. Техническим результатом является решение указанной задачи, в частности, состоящее в герметичном клапане, установленном на входе в насос, который сможет устранить гидравлическое соединение внутренней части насоса с затрубным пространством, сохранить давление и соответственно содержание свободного газа внутри насоса, которое было при работе газосепаратора. При снижении герметичности запорного клапана, появлении утечки должен открываться газоотводящий клапан, установленный на выходе из насоса. В этом случае насос будет подобен стакану с дном, повернутым вниз, и будет заполняться дегазированной жидкостью. Поступление дегазированной жидкости сверху должно быть выше, чем утечки из запорного клапана.
Сущность изобретения
Техническая задача решается тем, что применяется способ эксплуатации скважин установкой электроцентробежного насоса, включающий ввод скважины в эксплуатацию, добычу скважинного продукта, остановки, повторные запуски установки, которая включает герметично свинченные насосно-компрессорные трубы, двигатель, электроцентробежный насос, который включает корпус, вал, ступени, основание и ловильную головку, герметично установленные над насосом обратный и сбивной клапаны, при этом в соответствии с предлагаемым изобретением в нижней части насоса установлено запорное устройство насоса в виде, по крайней мере, одного клапана, состоящего из неподвижного корпуса и динамической втулки, установленной на валу, которое во время остановки насоса герметично, а во время работы насоса открывается и соединяет нижнюю часть насоса с затрубным пространством.
Для целей настоящей заявки понятия «до» и «после» чего-либо определяются по направлению хода жидкости при работе насоса.
Под работой насоса и временем работы насоса понимается состояние насоса, когда его ротор вращается и пластовая жидкость перекачивается.
Приведенная совокупность действий приводит к достижению технического результата и к эффективной эксплуатации скважины за счет устранения возможности собирания газа в насосе до концентрации, при которой невозможна его работа.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, запорное устройство насоса изготовлено в виде отдельного модуля запорного клапана, который установлен непосредственно на входе в насос.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, в верхней части насоса и до обратного клапана устанавливается газоотводящее устройство насоса, которое во время работы насоса герметично, а во время остановки работы насоса открывается и соединяет верхнюю часть насоса с затрубным пространством.
Предложенный вышеописанный способ реализуется с помощью модуля запорного клапана электроцентробежного насоса для эксплуатации скважин, включающего корпус, концевые детали, вал, по крайней мере, один клапан, гидравлически соединяющий вход в насос и затрубное пространство, который состоит из корпуса клапана, установленного неподвижно, и динамической втулки, установленной на валу.
Запорное устройство, установленное в нижней части насоса или в отдельном модуле, во время работы насоса должно быть открыто и соединять нижнюю часть насоса с затрубным пространством, во время остановки герметично закрыто. Это позволяет сохранить допустимое для работы насоса содержание свободного газа.
Если газозапорное устройство насоса изготовлено в отдельном модуле, например во входном модуле, это позволяет сохранить унификацию.
Также конструктивно в нижней части корпуса насоса может быть установлен клапан, гидравлически соединяющий вход в насос и затрубное пространство, который состоит из корпуса клапана, установленного неподвижно в корпусе насоса, и динамической втулки, установленной на валу.
Это позволяет снизить стоимость изделия.
Под нижней частью насоса для целей настоящей заявки понимается часть насоса, расположенная ниже ступени (ступеней) центробежного скважинного насоса.
Для целей настоящей заявки словосочетания «модуль запорный насоса» и «входной модуль с запорным клапаном» понимаются как равнозначные.
Приведенная конструкция устройства приводит к достижению технического результата и к эффективной эксплуатации скважины за счет устранения вероятности собирания газа внутри насоса с образованием воздушной пробки.
Дополнительным техническим результатом выполнения запорного клапана в отдельном модуле насоса является возможность снабжения уже выпущенных насосов дополнительной секцией такого модуля, что, соответственно, не потребует замены всего насоса или его нижней части.
Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность изобретения
На фиг. 1 схематично показана компоновка скважинного оборудования для осуществления предложенного способа эксплуатации скважин.
На фиг. 2 - запорный клапан насоса, установленный во входном модуле, в закрытом положении.
На фиг. 3 - запорный клапан насоса, установленный во входном модуле, в открытом положении.
На фиг. 4 - запорный клапан насоса, установленный на входе в насос, в закрытом положении.
На фиг. 5 - запорный клапан, установленный на входе в насос, в открытом положении.
На фиг. 6 - модуль газоотводящего клапана насоса в разрезе.
Установка электроцентробежного насоса включает герметично свинченные насосно-компрессорные трубы (не показаны), двигатель, газосепаратор (не показаны), электроцентробежного насос 1.
Насос включает корпус 2, вал 3, ступени 4, основание 5, которое может иметь входные отверстия 6, головку 7, герметично установленный над насосом обратный клапан 8.
В верхней части насоса, до обратного клапана, установлено газоотводящее устройство насоса, которое во время работы насоса герметично, во время остановки открывается и соединяет верхнюю часть насоса с затрубным пространством.
Конструктивно газоотводящее устройство насоса может быть изготовлено в головке насоса или в виде отдельного модуля газоотводящего клапана 9, который устанавливается непосредственно над ловильной головкой 7 верхней секции насоса.
Модуль газоотводящего клапана насоса 8 включает корпус модуля 10, установленный внутри корпуса нормально открытый обратный клапан 11, гидравлически соединяющий внутреннюю область установки 12 и затрубное пространство, на входе и выходе которого установлены фильтры 13 и 14.
Запорный клапан состоит из корпуса клапана 15, который может быть изготовлен в виде опоры колеса или направляющего аппарата, и динамической втулки 16, установленной на валу 17. На динамической втулке 16 установлены опорные шайбы 18, которые могут быть изготовлены из композитного материала или эластомера. Между ступицей динамической втулки и валом может быть установлено уплотнение 19. В верхней части динамической втулки установлена верхняя опорная шайба 20 или осевая опора с твердосплавными шайбами. Осевая сила, направленная вверх, может восприниматься короткими шпонками, установленными на валу, в этом случае шпоночный паз в ступице рабочего колеса должен быть не сквозной, см. Фиг 3.
Динамическая втулка 16 может иметь лопаточный венец 21 на периферии, а на внутренней части корпуса клапана 15 может быть нарезана винтовая канавка 22.
Конструктивно запорный клапан может быть установлен на входе в насос или в отдельном модуле.
Сама установка, используемая указанным способом и имеющая названные конструктивные особенности, работает следующим образом. При вращении двигателем вала 3 погружного многоступенчатого центробежного насоса 1 рабочая жидкость с уменьшенным благодаря работе газосепаратора содержанием свободного газа поступает через входные отверстия 6, основание 5.
Проходит через ступени 4, установленные в корпусе 2, при этом повышается давление. Свободный газ, который присутствует в пластовой жидкости, растворяется. При работе насоса 1 обратный клапан 11, установленный в корпусе 9 закрыт, обратный клапан 8 открыт. Динамические втулки 16 за счет динамического напора потока жидкости подняты и установлены в верхнем положении, см. Фиг. 3 и 5.
Лопаточный венец 21 и винтовая канавка 22 диспергируют, измельчают газожидкостную смесь, за счет этого увеличивается допустимое содержание свободного газа на входе в насос.
При остановке насоса 1 обратный клапан 8 герметично закрывается, на него давит столб пластовой жидкости из насосно-компрессорных труб. Внутри насоса образуется герметичная область, по сути, колокол (стакан повернутый дном вниз), соединенная с пластовой жидкостью в нижней части через отверстия 6 основания 5, входного модуля или газосепаратора. После остановки насоса 1 давление во внутренней области 12 снижается, выделяется газ. Газожидкостная смесь пытается выйти в затрубное пространство через отверстия 5, проходя через динамические втулки 16, воздействует на них динамическим напором и устанавливает в нижнем положении, см. Фиг. 2 и 4. Опорные шайбы 18 играют роль торцевых уплотнений, кольца 19 - радиальных. Запорный клапан закрывается и сохраняет высокое давление внутри насоса. Содержание свободного газа остается приемлемым для повторного включения насоса. Если не удается обеспечить полную герметичность, например уплотнения 19 износились, механические примеси, проходя через узкие каналы, забивают их, снижают утечки.
Если время остановки двигателя длительное, давление внутри насоса за счет утечек может сравняться с давлением в затрубном пространстве. В этом случае открывается газоотводящий клапан 5. Ширина каналов в нем больше, чем в запорном клапане. И насос уподобляется стакану, установленному в газожидкостной смеси дном вниз. Постепенно насос заполняется дегазированной жидкостью. Это позволяет успешно вывести насос на рабочий режим. После включения установки давление в насосе повышается, газоотводящий клапан 11 закрывается, запорный открывается и насос 1 начинает работать в штатном режиме.
Использование предлагаемого способа эксплуатации скважин и устройства для его осуществления позволит обеспечить надежность эксплуатации и ресурс работы установки.