УЛУЧШЕННАЯ СКВАЖИННАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ
IMPROVED BOREHOLE FEEDING SYSTEM

[001] Изобретение относится, в общем, к конструкции скважинной насосной установки и, в частности, к системе, с помощью которой произведенная текучая среда направляется от насоса на поверхность.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область изобретения
[002] Во многих нефтяных скважинах произведенная текучая среда не может течь на поверхность естественным путем. Соответственно, скважина должна быть оборудована каким-либо видом установки, расположенной в скважине, для подъема текучих сред на поверхность. Существует несколько различных типов систем искусственного подъема, хорошо известных специалистам в данной области. От всех типов подъемных установок требуется быть относительно малого диаметра, так как большинство нефтяных скважин оснащены цилиндрическими обсадными трубами внутри буровой скважины, которые обычно имеют внутренний диаметр от 5 до 8 дюймов, хотя в некоторых случаях диаметр может быть больше.
[003] Многие нефтяные скважины, либо из-за большой глубины, либо из-за высокого потенциала дебита текучей среды, либо из-за того и другого требуют насосные установки, которые могут предоставлять значительную мощность для обеспечения давления и интенсивности потока, необходимые для поднятия произведенной текучей среды на поверхность. Свойством механических устройств является то, что высокая мощность требует увеличенных габаритов, а высокомощные насосные установки не являются исключением и обычно имеют габариты, обеспечивающие работу в пределах диаметра обсадной трубы скважины настолько, насколько это возможно.
[004] Примером насосной установки для нефтяной скважины, приспособленной для маленького диаметра обсадной трубы нефтяной скважины, но ограниченной им же, является электрический погружной насос или ЭПН. Обычный агрегат ЭПН состоит из многоступенчатого центробежного насоса, приводимого в действие скважинным электродвигателем. Как насос, так и электродвигатель присоединены к колонне насосно-компрессорных колонн, которая идет от электродвигателя для привода насоса, расположенного в скважине, на поверхность. Электричество подается к электродвигателю по кабелю, закрепленному на внешней стороне насосно-компрессорной колонны, идущей от поверхности к электродвигателю, расположенному в скважине. Давление текучей среды, добываемой из геологической формации, увеличивается многоступенчатым насосом до уровня, позволяющего данной среде течь по насосно-компрессорной колонне на поверхность.
[005] Самой очевидной конструкцией данной насосной установки будет установка электродвигателя в конце насосно-компрессорной колонны, при этом электрические кабели протянуты непосредственно к электродвигателю. Многоступенчатый насос может быть присоединен к электродвигателю и расположен под электродвигателем, так что входное отверстие насоса, расположенное на нижней части насоса, будет располагаться как можно ниже в скважине. Проблема данной конструкции заключается в направлении текучей среды, находящейся под высоким давлением, от выходного отверстия насоса в насосно-компрессорную колонну для ее вывода на поверхность. От электродвигателя часто требуется высокая мощность и, следовательно, он должен быть большого диаметра и заполнять большую часть доступного внутреннего диаметра обсадной трубы, не оставляя пространства для прохождения текучей среды. В данном случае единственным вариантом, и существуют ЭПН, сконструированные таким образом, является использование электродвигателя малого диаметра для того, чтобы позволить текучей среде течь за пределами электродвигателя. Проблема данной конструкции заключается не только в низкой мощности, доступной электродвигателям малого диаметра, но и в направлении произведенной текучей среды, находящейся под высоким давлением, в насосно-компрессорную колонну, что требует наличия гидравлических манжет и уплотнений, которые являются дорогостоящими и ненадежными. В качестве альтернативы можно было бы окружить электродвигатель малого диаметра герметичной обшивкой, соединенной с выходным отверстием насоса и насосно-компрессорной колонной, что позволило бы текучей среде, находящейся под высоким давлением, течь от насоса мимо электродвигателя внутрь насосно-компрессорной колонны. Данная конструкция имеет подобный недостаток, заключающийся в необходимости использования меньшего диаметра и, следовательно, электродвигателя меньшей мощности для размещения внутри герметичной обшивки, которая, в свою очередь, должна размещаться внутри обсадной трубы скважины.
[006] ЭПН избегают данной проблемы, размещая электродвигатель в самой нижней точке установки, при этом насос размещается над электродвигателем и прикреплен к насосно-компрессорной колонне. Входное отверстие насоса находится в нижней части насоса, но над электродвигателем, и выходное отверстие насоса присоединено к насосно-компрессорной колонне, так что перекачиваемая под высоким давлением текучая среда течет внутрь насосно-компрессорной колонны и вверх на поверхность. Существует несколько недостатков при расположении насоса над электродвигателем, но удобство направления потока перевешивает несколько данных недостатков.
[007] Другим типом насосных установок для нефтяных скважин, приспособленным к небольшим размерам обычных обсадных труб нефтяных скважин, является зубчатый центробежный насос, или ЗЦН, как описано в патенте США №5,573,063. В ЗЦН применяется многоступенчатый центробежный насос, подобный тому, который применяется в ЭПН, но вместо того, чтобы приводиться в действие с помощью скважинного электродвигателя, ЭПН приводится в действие с помощью вращающейся приводной колонны насосных штанг, идущей от первичного привода на поверхности к многоступенчатому центробежному насосу в скважине, с промежуточной повышающей скорость передачей, включенной в приводную колонну непосредственно над насосом, которая увеличивает скорость вращения приводной колонны, обычно составляющую менее 1000 об/мин, до скорости более 3000 об/мин, требуемой центробежным насосом (фиг.1).
[008] Подобно ЭПН, компоненты ЗЦН имеют относительно большой диаметр для обеспечения требуемой мощности и заполнения большей части доступного внутреннего диаметра обсадной трубы, оставляя, подобно ЭПН, недостаточный кольцевой зазор для перекачивания текучей среды на поверхность. В отличие от ЭПН, насос не может напрямую присоединяться к насосно-компрессорной колонне с помощью приводной передачи, так как вращающаяся колонна приводных насосных штанг напрямую соединена с передачей и должна проходить через многоступенчатый центробежный насос. Принцип направления текучей среды, находящейся под высоким давлением, осуществляемого в ЗЦН, составляет основу данного изобретения.
Обзор известного уровня техники
[009] Сегодня специалисты в данной области хорошо разбираются в общем типе конструкции скважинных насосов. Автор изобретения, известный эксперт в области нефтеносных участков, создал несколько инноваций, относящихся к бурению и продуктивности нефтяных скважин, одна из которых раскрыта в патенте США №5,573,063 и относится к глубинной насосной установке. Указанная система является одной из нескольких систем, идеально подходящих для адаптации к настоящему изобретению.
[010] Автору изобретения неизвестна какая-либо система, которая направляет произведенную текучую среду, как раскрыто в описании данного патента, и поиск среди существующих патентов также не выявил подобных систем. Патент, выданный Thomas et al. №6,645,010, не раскрывает размещения нескольких трубопроводов различных конструкций внутри обсадной трубы скважины, но никоим образом не рассматривает или непреднамеренно решает проблему оптимальной эксплуатации доступного пространства для подачи продукта, для которого предназначено настоящее изобретение.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[011] Настоящее изобретение предоставляет собой новаторское решение оптимального использования доступного пространства внутри скважины, где насос, приводимый с поверхности скважины посредством передачи, погружен в залежь энергоносителя, например сырую нефть, и сконструирован для создания давления, достаточного для поднятия содержимого залежи на поверхность.
[012] Так как обсадная труба скважины имеет минимальный диаметр, а передача и многоступенчатый центробежный насос занимают значительную часть данного пространства, рассматриваемая проблема заключается в обеспечении эффективного прохода на поверхность текучих продуктов, которые перекачиваются из продуктивной зоны.
[013] Таким образом, основной, но не единственной целью является эксплуатация доступного пространства в тесной обсадной трубе скважины при помощи предоставления стратегически расположенных маршрутов оптимальных размеров, идущих между насосом в продуктивной зоне скважины к ее поверхности для обеспечения непрерывного потока продукта из залежи.
[014] Другой целью настоящего изобретения, связанной с предыдущей, является использование пространства между зубчатым механизмом передачи и связанной с ним обсадной трубой путем создания маршрута потока текучей среды сквозь него. Еще одной целью настоящего изобретения является изоляция маршрута текучей среды для избежания загрязнения смазки передачи и соответствующих комплектов зубчатых колес.
[015] Дальнейшей целью и дополнительным преимуществом системы согласно настоящему изобретению является обеспечение эффективного теплообмена между зубчатыми колесами передачи и текучей средой, текущей рядом с зубчатым механизмом по каналам текучей среды, созданным на протяжении передачи.
[016] Дополнительные и дальнейшие преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области благодаря следующему подробному описанию предпочтительного варианта осуществления при прочтении вместе с описанием графических материалов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[017] Фиг.1 является изображением зубчатой центробежной насосной системы, как описано в патенте США 5,573,063, расположенной в обычной буровой скважине с размещенной обсадной трубой скважины; имеется приводная колонна для приведения в действие насоса, расположенного в продуктивной зоне, посредством передачи;
[018] Фиг.2А является видом сбоку верхней части обшивки передачи, изображающей относительное расположение передачи по фиг.1;
[019] Фиг.2В является видом сбоку нижней части обсадной трубы скважины, выделяющей взаимодействие передачи и насоса;
[020] Фиг.3 является увеличенным изображением в частичном разрезе трубчатой обшивки, содержащей часть передачи, компенсатор давления и приводную колонну системы подачи согласно настоящему изобретению; и,
[021] Фиг.4 является видом поперечного сечения, выполненного вдоль линий 4-4 на фиг.3, изображающим взаимосвязь между зубчатыми колесами передачи и трубопроводом, через который проходит текучая среда из продуктивной зоны.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[022] Сначала необходимо определить среду, в которой настоящее изобретение особенно полезно. Буровая скважина была пробурена через различные слои до продуктивной зоны Z. Обсадная труба 10 скважины погружена в буровую скважину для укрепления боковых стенок от воздействия эрозии и/или потенциального обрушения.
[023] Для того, чтобы извлечь на поверхность залежь текучей среды, расположенную в продуктивной зоне, насос Р расположен вблизи продуктивной зоны [фиг.1] с помощью колонны 12 насосно-компрессорных труб. Насосная установка состоит из многоступенчатого центробежного насоса Р и повышающей передачи Т, как описано в патенте США №5,573,063, с дополнительным шлицевым гнездом или гнездом, снабженным ключом, что позволяет приводить передачу Т с помощью колонны приводных насосных штанг 13, оснащенной шлицевым валом или валом, снабженным ключом, входящим в зацепление с передачей Т. Приводная колонна насосных штанг 13 опускается в трубу колонны 12, и шлицевой вал или вал, снабженный ключом, вставляется в гнездо, который позволяет передавать вращение приводной колонны 12 передаче Т. Передача Т увеличивает частоту вращения ведущего вала колонны приводных насосных штанг 13 до оптимальной скорости центробежного насоса Р, как описано в '063. Колонна насосных штанг 13 соединена с приводной головкой 14, расположенной на поверхности скважины. Разумеется, приводная головка 14 обеспечивает необходимую энергию для привода насоса Р посредством колонны приводных насосных штанг 13 и передачи Т.
[024] Основной проблемой, рассматриваемой в настоящем изобретении, является наилучший способ подачи залежи текучей среды из продуктивной зоны на поверхность скважины в условиях глубокой скважины. При рассмотрении данной проблемы нужно учитывать, что внутренний диаметр обсадной трубы 10 скважины сравнительно мал, а установки передачи Т и многоступенчатого центробежного насоса Р сравнительно велики. Таким образом, доступное пространство для прохождения текучих сред, которые перекачиваются на поверхность, определенно ограничено.
[025] Система подачи согласно настоящему изобретению предлагает решение путем оптимального использования доступного пространства благодаря предоставлению маршрута, который размещается в не использующемся до этого доступном пространстве.
[026] В соответствии с целями изобретения и как изначально изображено на фиг.2А и 2В, пример насоса Р представлен содержащим несколько элементов 16 центробежного насоса Р, установленных на центральном вале 18. Вал 18 соединен с выходным валом повышающей передачи Т. Входной вал 20 передачи Т соединен и вращается колонной насосных штанг 13 посредством приводной головки 14.
[027] Имеется капсула в виде трубчатой обшивки 23, которая включает относительно жесткую обсадную трубу 24, расположенную продольно в скважине, где она окружает часть колонны насосных штанг 13, которая включает передачу Т. Нижним концом трубчатая обшивка 23 соединена, с помощью уплотнения 22, с насосом Р, так что текучая среда перекачивается под давлением вверх из продуктивной зоны Z по направлению к трубчатой обшивке 23, обычно, по маршруту, обозначенному стрелками, и без каких-либо утечек.
[028] Передача Т может быть любого из нескольких типов, подходящих для диаметра и глубины буровой скважины, превосходный пример которого представлен в вышеупомянутом патенте '063. В изображенной форме передача Т содержит многоступенчатый комплект 25 зубчатых колес с параллельными валами, который способен передавать относительно большие нагрузки и/или скорости в относительно небольшом пространстве. Несколько комплектов 25 зубчатых колес расположены последовательно, в виде колонны, в трубчатой обшивке 23, боковые стенки которой выполнены из относительно жесткого коррозионностойкого материала.
[029] Для обеспечения разделения перекачиваемой текучей среды и смазочных веществ передачи и для изоляции и защиты комплектов 25 зубчатых колес от коррозионных элементов, которые часто присутствуют в перекачиваемой текучей среде, спереди и сзади передачи имеются уплотнения 29F и 29А текучей среды любой из хорошо известных конструкций. Тем не менее, уплотнения и, в частности, уплотнение 29F, расположенное непосредственно вверх по потоку от насоса Р, подвержены и должны выдерживать значительное давление для того, чтобы внутренний механизм передачи Т избегал загрязнения и попадания коррозионных элементов, содержащихся в перекачиваемой текучей среде.
[030] Для управления разностью давления между трубчатой обшивкой 23 и перекачиваемой текучей средой, которое в ином случае будет воздействовать на уплотнения 29F и 29А, изобретение предполагает наличие компенсатора 36 давления. Компенсатор 36 давления может быть любой из нескольких хорошо известных конструкций, если только она способна справляться с необходимыми разностями давления, которые будут воздействовать на уплотнения. Компенсатор 36 давления находится в жидкостной связи с внутренней частью трубчатой обшивки 23, а также подвергается воздействию давления текучей среды, создаваемого насосом Р, и его конфигурация позволяет, в разумных пределах, обеспечивать максимально возможную эффективность уплотнений в разделении перекачиваемой текучей среды и смазки передачи.
[031] Как видно на графических материалах, диаметр передачи Т, определяемый комплектами 25 зубчатых колес, является максимально возможным в разумных пределах для того, чтобы обеспечить максимально возможный диаметр колонны комплектов 25 зубчатых колес и, в изображенном примере, довольно плотно прилегает к внутренней стороне трубчатой обшивки 23. Как упоминалось ранее, материал, из которого выполнена трубчатая обшивка 23, обладает достаточной прочностью для обеспечения стабилизации зубчатых колес колонны.
[032] Тем не менее, как изображено на фиг.4, обсадная труба 10 оптимального размера удачно оставляет пригодное для использования внутреннее пространство между зубчатыми колесами каждого комплекта и трубчатой обшивкой, окружающей их. Поскольку это пространство занимают смазочные вещества, настоящее изобретение предусматривает еще одно эффективное использование, которое будет описано далее.
[033] Для достижения целей настоящего изобретения система подачи оптимально использует пространство между зубчатым механизмом и трубчатой обшивкой 23 путем предоставления неограниченных маршрутов для прохождения перекачиваемой текучей среды через передачу. Для осуществления этого предусмотрен трубопровод 32, который определяет маршрут внутри трубчатой обшивки 23, идущий продольно сквозь нее с минимальным отклонением.
[034] В изображенном случае трубопровод 32 обычно имеет поперечное сечение в форме буквы "D" для достижения оптимальной объемной вместимости внутри пространства, доступного между комплектами 25 зубчатых колес и стенкой трубчатой обшивки 23. Специалисты в данной области учтут тот факт, что другая форма и поперечное сечение могут быть более эффективными в зависимости от конструкции передачи Т, оптимально используя доступное пространство внутри трубчатой обшивки 23.
[035] Как изображено на фиг.2А и 2В, для завершения соединения через передачу Т с поверхностью каждая из труб, или трубопроводов, 32 направлена через уплотнения 29F и 29А и открывается в поток текучей среды, который перекачивается из залежи. Каждая труба 32 имеет впускное отверстие 34 текучей среды, в которое перекачиваемая текучая среда попадает из насоса Р. Текучая среда, перемещающаяся внутри D-образных труб, беспрепятственно пересекает комплекты зубчатых колес передачи и выходит в точке 38, таким образом, перемещаясь под давлением на поверхность скважины, где ее собирают.
[036] Следует учитывать, что улучшенная система подачи согласно настоящему изобретению использует доступное пространство для обеспечения максимальной подачи текучих сред в продуктивной зоне на поверхность скважины для последующего использования. Вместе с тем, передача может иметь больший размер и, таким образом, способна подавать больше энергии насосу.
[037] Хотя в варианте осуществления изобретения, описанном выше, в качестве примера насосной системы, идеально подходящей для данного применения, использовался зубчатый центробежный насос, следует учитывать, что специалисты в данной области могут предусмотреть некоторые варианты применения данного изобретения. Например, существует глубинно-насосная система, которая называется электрический погружной винтовой насос кавитационного типа, или ЭПВНКТ, который состоит из скважинного электродвигателя, подобного тому, что используется в насосе ЭПН, который приводит винтовой насос посредством понижающей передачи, включенной между электродвигателем и насосом. Целью передачи является снижение высокой скорости электродвигателя, обычно составляющей 3500 об/мин, до скорости 350 об/мин, более подходящей для винтового насоса кавитационного типа. Как и в системе ЭПН, электродвигатель расположен в нижней части установки ЭПВНКТ, а понижающая передача расположена непосредственно над ним, и насос расположен над передачей, что позволяет текучей среде, находящейся под высоким давлением, течь от насоса непосредственно в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну и далее на поверхность. В наиболее распространенном варианте осуществления данных систем ЭПВНКТ передача является передачей планетарного типа. Диаметр передачи должен быть достаточно малым, чтобы обеспечивать маршрут потока между внешней обшивкой передачи и внутренней стенкой обсадной трубы для того, чтобы произведенная текучая среда проходила от залежи, расположенной ниже электродвигателя, к входному отверстию насоса, расположенному выше передачи. Ограничение диаметра снижает энергию планетарной передачи и ограничивает пропускную способность всей насосной системы. Передача с многоступенчатым параллельным маршрутом, как применяется в ЗЦН, описанном выше, может применяться вместо передачи планетарного типа. Использование данного типа передачи позволит использование полного диаметра обсадной трубы передачей, одновременно обеспечивая маршруты потока D-образного типа для направления произведенной текучей среды во входное отверстие винтового насоса кавитационного типа. Данный вариант осуществления патента, описанный здесь и включающий ЭПВНКТ, решает подобную проблему, что и ЗЦН, но используется для направления произведенной текучей среды, не находящейся под давлением, во входное отверстие насоса, а не для направления текучей среды, находящейся под давлением, из выходного отверстия насоса. Основной целью конструкции, описанной в данном патенте, является оптимальное использование доступного пространства в небольшом диаметре обсадной трубы скважины, и она не ограничивается передачей текучих сред или под высоким, или под низким давлением, но всех текучих сред, которые нуждаются в доставке в среде с ограниченным диаметром.
[038] Хотя настоящее изобретение было детально описано, следует учесть, что специалисты в данной области могут предусмотреть некоторые варианты отдельных элементов изобретения. Следует понимать, что подобные варианты находятся в идеи изобретения, как описано в приведенной формуле изобретения.