УСТАНОВКА СКВАЖИННОГО ГИДРОПОРШНЕВОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к установкам добычи нефти при помощи неэлектрического привода гидропоршневых насосных агрегатов (ГПНА), устанавливаемых в скважине для подъема пластовой жидкости с больших глубин и управляемых с поверхности.
Из существующего уровня техники известно устройство как скважинная штанговая насосная установка (СШНУ), состоящая из плунжерного или другими словами поршневого насоса, спускаемого в скважину на НКТ, поршень которого приводится в движение колонной насосных штанг, совершающих внутри НКТ возвратно-поступательные движения вверх и вниз, приводимых в движение кривошипно-шатунным механизмом (Станок-качалка), расположенным на поверхности у устья скважины [Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С.«Скважинные насосные установки для добычи нефти». Учебное издание. Изд. « Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина 26.11.2001., с. 417-423; а также патенты SU 1341383, SU 1041749]. Плунжерные насосы в составе СШНУ используются в основном при добыче из малодебитных скважин с дебитом <50-80 м3, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими способами добычи нефти, например, более высокий КПД (коэффициент полезного действия) плунжерных насосов при работе в этом диапазоне подач [Ивановский В.Н. Вопросы эксплуатации малодебитных скважин механизированным способом // Инженерная практика, №7, 2010 г.]. Данному устройству присущ ряд серьезных недостатков: истирание и обрыв насосных штанг и насосно-компрессорных труб, в которых располагаются штанги. Огромные размеры самого Станка-качалки с двигателем для привода насосных штанг, большие затраты электроэнергии, общая высокая металлоемкость конструкции и, как следствие, высокие расходы на покупку оборудования, высокие эксплуатационные расходы, а также низкая мобильность данного комплекта оборудования [Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С.«Скважинные насосные установки для добычи нефти». Учебное издание. Изд. «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина 26.11.2001, с. 423, 562].
Известна также конструкция скважинного гидропоршневого насосного агрегата, спускаемого в скважину на колонне НКТ, в котором насосный агрегат, который состоит из гидродвигателя и поршневого насоса, поршни которых жестко связаны, приводится в движении при помощи рабочей жидкости, закачиваемой в скважину силовым насосным агрегатом с поверхности [патент SU 1463962 A1, F04B 47/04, опубл. в Бюл. №9 от 07.03.89]. Рабочая жидкость подается к гидровигателю через полость, образованную наружной поверхностью НКТ и внутренней поверхностью обсадных труб. Рабочая жидкость через золотниковое устройство, расположенное в гидродвигателе, попеременно нагнетается в надпоршневую и подпоршневую полость гидровигателя, приводя в движение вверх-вниз его поршень, который при помощи жесткой тяги передает это движение ниже установленному поршневому насосу, производящего всасывание и нагнетание пластовой жидкости по принципу «двойного действия» (при ходе поршней вниз/вверх происходит одновременное всасывание в цилиндры насоса и нагнетание пластовой жидкости в колонну труб НКТ). Главным недостатком данного ГПНА является то, что отработанная в гидродвигателе рабочая жидкость смешивается с откачиваемой из скважины пластовой жидкостью. Это ведет к увеличению затрат на разделение этих сред, большому расходу электроэнергии при прокачке рабочей жидкости по открытому циклу, потери части рабочей жидкости, необходимости дополнительной ее очистки, что вызывает необходимость установки дополнительного оборудования [Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С. «Скважинные насосные установки для добычи нефти». Учебное издание. Изд. « Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 26.11.2001, с. 735, 738]. Также большим недостатком является то, что распределительное устройство с золотником, имеющее множество маленьких проточек и каналов для движения рабочей жидкости, располагается в скважинном агрегате, поэтому наличие механических частиц в подаваемой с поверхности рабочей жидкости (а они несомненно будут, так как жидкость прокачивается вдоль металлических поверхностей НКТ и обсадных труб, подверженных коррозии) приводит к засорению распределителя с золотником и, как следствие, выходу из строя гидравлического двигателя, преждевременному подъему всего насосного агрегата на поверхность, т.е. снижается надежность установки ГПНА и МРП (межремонтный период) и, как следствие, возрастают расходы на СПО (спуско-подъемные операции) и ремонт.
Наиболее близким по своей технической сущности устройством -прототипом является установка гидроприводного насосного агрегата [RU 2344320 С1, МПК F04B 49/02 (2006.01) F04B 47/04 (2006.01), опубл. 20.01.2009], включающая высоконапорный насос с флюидной емкостью, распределитель для каждой скважины с золотником и объемной крышкой, флюидные линии, гидроприводный насосный агрегат, поршневой гидродвигатель и поршневой насос, поршни которых связаны общим штоком, и подвесной механизм, при этом каждая из двух линий подвода флюида к гидроприводному насосу имеет обратный отвод к распределителю, датчику давления, манометру и линии слива. Подвесной механизм состоит лебедки, установленной на устье скважины и с помощью которой производится спуск агрегата в скважину, а также каната, на котором установка спускается в скважину. ГПНА устанавливается в скважине в посадочном гнезде обсадной трубы с сальниковым уплотнением, таким образом происходит разобщение пласта на две полости.
Недостатками конструкции данной установки гидроприводного насосного агрегата являются:
- спуск и установка агрегата производится на канате, что практически полностью исключает возможность использования агрегата в глубоких наклонно-направленных скважинах, так как агрегат будет застревать в местах высокой кривизны ствола скважины.
- флюидные линии, по которым подается рабочая жидкость для привода гидродвигателя, не могут быть надежно прикреплены к канату, что приводит к вибрации, истиранию и, как следствие, их обрыву из-за пульсационного характера движения рабочей жидкости при нагнетании и сливе,
- добываемый пластовый флюид подается на поверхность в колонне обсадных труб, что на практике приводит к преждевременному износу обсадных труб из-за коррозии и в итоге к появлению негерметичности, также снижаются напорные характеристики насоса из-за движения жидкости в обсадных трубах, диаметр которых значительно больше диаметра НКТ.
- для установки агрегата в скважине дополнительно требуется установка посадочного седла в обсадных трубах, что сопряжено с дополнительными затратами, -данный гидроприводной насосный агрегат нагнетает жидкость в колонну обсадных труб и выдает на поверхность только при движении поршня насоса вверх, т.е. насос является насосом одинарного действия со сниженным КПД.
Задачи, на решение которых направлена предлагаемая полезная модель, заключаются в упрощении и улучшении конструкции установки скважинного гидропоршневого насосного агрегата, увеличении КПД установки и надежности, как следствие снижение себестоимости добычи нефти, также в расширении области применения гидропоршневых насосов, а также увеличении срока службы обсадных труб.
Данные задачи решаются за счет того, что в предлагаемой полезной модели, установка скважинного гидропоршневого насосного агрегата для добычи нефти, состоящая из подземной части, включающей гидродвигатель, гидравлические линии, по которым происходит подача рабочей жидкости к гидродвигателю для приведения его в работу, поршневой насос, поршень которого соединен с поршнем гидродвигателя, а также из наземной части, включающей силовой насос для нагнетания рабочей жидкости в гидравлические трубки, распределителя, манометров, расположенных на гидравлических линиях и станцию управления ГПНА, отличается тем, что гидропоршневой насосный агрегат спускается и устанавливается в скважине на НКТ, к которому крепятся гидравлические линии, добываемый пластовый флюид, подается на поверхность поршневым насосом по НКТ, а сам поршневой насос является насосом двойного действия, совершающем всасывание в полость насоса и нагнетание пластовой жидкости в НКТ при каждом цикле движение поршня вверх или вниз. Поршневой насос двойного действия может состоять из надпоршневой (верхней) и подпоршневой (нижней) полости, где могут размещаться по два клапана: один нагнетательный и один всасывающий клапан, и пластовый флюид, вмещенный в надпоршневую полость в предыдущем цикле, из этой полости насоса при ходе поршня насоса вверх напрямую нагнетается через нагнетательный клапан в НКТ, при этом всасывающий клапан в этой полости закрыт, а в подпоршневой полости одновременно с этим происходит всасывание пластовой жидкости через всасывающий клапан при закрытом нагнетательном клапане, а при ходе поршня вниз цикл повторяется, только в верхней полости происходит всасывание пластовой жидкости, а из нижней полости вмещенная в предыдущем цикле жидкость выталкивается в НКТ по отдельному каналу. Распределитель потока рабочей жидкости может быть как электрическим, управляемым сигналом от станции управления, так и другого типа, например, клапанным, золотниковым.
Новым в предложенной конструкции установки скважинного гидропоршневого насосного агрегата является то, что в отличие от прототипа, агрегат спускается и устанавливается в скважине на насосно-компрессорных трубах, таким образом, пластовая жидкость поднимается на поверхность по НКТ, которые значительно меньше диаметром обсадных труб, а гидравлические линии, по которым подается рабочая жидкость в гидродвигатель для его привода, крепятся клямсами к НКТ (по типу крепления электрокабеля ПЭДа (погружного электродвигателя) ЭЦН (электроцентробежного насоса)). Также новым является то, что отсутствие в конструкции установки ГПНА посадочного седла, разделяющего обсадную колонну на две полости, позволяет применять насос двойного действия, в котором всасывание пластовой жидкости в цилиндр насоса и ее нагнетание в колонну НКТ происходит при каждом цикле движения поршня насоса вверх/вниз, увеличивая, таким образом, КПД всей установки, и не требует дополнительных затрат на изменение конструкции обсадных колонн. Рабочая жидкость подается к гидродвигателю скважинного гидропоршневого насосного агрегата с поверхности силовым насосом, через две гидравлические (импульсные) металлические трубки маленького диаметра (внутр. диам. 4-20 мм, в зависимости от типоразмера и производительности насоса, хим.состава среды и др.), которые крепятся снаружи НКТ при помощи хомутов и протекторов.
Установка скважинного гидропоршневого насосного агрегата (ГПНА) состоит из подземной части, включающей:
- гидродвигатель, состоящий из цилиндра, разделенного поршнем на две полости: надпоршневую и подпоршневую, поршень которого жестко связан с поршнем поршневого насоса.
- поршневой насос, состоящий из цилиндра, разделенного поршнем на две полости: надпоршневую и подпоршневую, поршень которого жестко связан с поршнем гидродвигателя.
- металлические гидравлические трубки (может быть и другой материал), через которые происходит подача рабочей жидкости силовым насосом, расположенным на поверхности у устья, к гидродвигателю ГПНА для его привода, а также установленные на них манометры. В качестве рабочей жидкости можно использовать гидравлическое масло со смазывающей составляющей.
- насосно-компрессорных трубы (НКТ), на которых спускается и устанавливается в скважине гидродвигатель и поршневой насос,
и наземной части, включающей:
- распределительное устройство, находящееся на поверхности, которое может быть как электронным, так и другого типа, позволяющее попеременно нагнетать рабочую жидкость силовым насосом в надпоршневую или подпоршневую полость гидродвигателя для приведения его в движение вверх/вниз,
- силовой насос, служащий для поочередного нагнетания рабочей жидкости то в одну, то в другую гидравлическую трубку.
- автоматизированная станция управления для управления работой Установки ГПНА через предустановленные алгоритмы и расчеты, регулирующей работу силового насоса и распределителя.
На фиг. 1. изображена общая схема установки скважинного ГПНА (показан ход поршня  вверх).
На фиг. 2 изображена схема ГПНА (ход поршневой пары вверх).
Установка гидропоршневого насосного агрегата (УГПНА) (см. Фиг. 1), состоит из наземной части, включающей автоматизированную станцию управления (СУ)1.2, силовой насос 1 распределитель 2, датчики давления 23, 24, и подземной части, включающей НКТ 5, гидравлические трубки 3, 4, которые крепятся к НКТ 5 хомутами 6, гидропоршневой насосный агрегат 7, который состоит из цилиндра насоса 10, разделенного поршнем 11 на подпоршневую полость 9 и надпоршневую 8 (см. Фиг. 1, 2). Поршень насоса 11 жестко связан штоком 12, проходящим через муфту 28 с сальниковым уплотнением 13, с поршнем 15 гидродвигателя 17, также разделенного поршнем на верхнюю полость 14 и нижнюю 16. В надпоршневой полости 10 насоса размещаются нагнетательный клапан 18 и всасывающий клапан 19. В подпоршневой полости 9 насоса также размещаются нагнетательный клапан 20 и всасывающий клапан 21. Пластовый флюид из надпоршневой полости 8 насоса при ходе поршня 11 вверх напрямую нагнетается через клапан 18 в НКТ 5, а из подпоршневой полости 9 при ходе поршня 11 вниз нагнетается в колонну НКТ по каналу 22, расположенного снаружи насоса, через клапан 20.
Также Установка ГПНА может включать в себя подземный блок телеметрии ТМС (На Фиг. не показан), который также спускается совместно ГПНА на НКТ и используется для измерения, напр., давления, температуры, и связанный с СУ 1.2. через силовой кабель, который также крепится к НКТ.
Этап установки и СПО (спуско-подъемных операций): Гидропоршневой насосный агрегат спускается и устанавливается в скважине на НКТ 5, установка посадочного седла не требуется. Гидравлические линии 3 и 4, по которым в гидродвигатель 17 подается рабочая жидкость, крепятся к НКТ 5 при помощи хомутов 6 (см. Фиг. 1). Во время спуско-подъемных операций (СПО) гидравлические трубки разматываются/наматываются с барабанов большого диаметра по примеру барабанов ГНКТ (гибких насосно-компрессорных труб), установленных на устье скважины (на Фиг. не показано).
Предлагаемая конструкция установки гидропоршневого насосного агрегата работает следующим образом: рабочая жидкость из накопительного бака 1.1 нагнетается с необходимым давлением силовым насосом 1 через распределитель 2 в гидравлическую трубку 4, которая совместно с трубкой 3 проходит в полость скважины через муфту 27 фланца колонной головки фонтанной арматуры 26 и далее к гидродвигателю 17 (см. Фиг. 1). Далее рабочая жидкость по гидравлической трубке 4 нагнетается в подпоршневую полость 16 гидравлического двигателя 17, что вызывает движение поршневой пары 11-15 вверх. В этот момент пластовая жидкость из надпоршневой полости 8 насоса 10 вытесняется в НКТ 5 через клапан 18, клапан 19 при этом закрыт, и одновременно с этим в подпоршневой полости 9 из-за созданного разряжения происходит всасывание пластовой жидкости через клапан 21, клапан 20 при этом закрыт. Отработанная в предыдущем цикле рабочая жидкость из надпоршневой полости 14 гидродвигателя 17 выталкивается в трубку 3 и через распределитель 2 сливается в бак 1.1. При достижении поршня 15 муфты 28 в полости 16 повышается давление, что регистрируется датчиком давления 24, сигнал от которого посылается на СУ 1.2, а от СУ к распределителю 2, который автоматически переключает направление потока рабочей жидкости в трубку 3, а отработанная в этом цикле рабочая жидкость из полости 16 и трубки 4 через распределитель 2 сливается в бак 1.1.
После перенаправления потока рабочей жидкости в трубку 3, она начинает поступать в надпоршневую полость 14 гидродвигателя 17, давление в ней становится больше давления в полости 16 и поршневая группа 11-15 начинает движение вниз (на фиг. не показано). В этот момент из-за созданного разряжения в полости 8 клапан 18 закрывается, а клапан 19 открывается и происходит всасывание пластовой жидкости в надпоршневую полость насоса. В полости 9 из-за повышения давления, клапан 21 закрыт, а клапан 20 открывается и происходит нагнетание пластовой жидкости (вмещенной в эту полость в предыдущем цикле при ходе поршня вверх), через канал 22 в НКТ 5. Далее когда поршень 15 упирается в нижнюю часть полости гидро двигателя давление в полости 14 повышается, что регистрируется датчиком давления 23, и распределитель 2 переключает направление потока и далее циклы повторяются, и пластовая жидкость поднимается по НКТ на поверхность в Фонтанную арматуру 26 и далее на установку по подготовке нефти (УПН) (не показана на Фиг.).
- Автоматизированная станция управления (СУ) 1.2 осуществляет управление работой установки ГПНА через регулирование работы силового насоса 1 и распределителя 2 через предустановленные алгоритмы и расчеты.
Техническим результатом создания и использования данной полезной модели является расширение области применения поршневых (плунжерных) насосов для добычи нефти, так как в отличие от прототипа в предлагаемой конструкции спуск и установка ГПНА производится на НКТ, что позволяет широко использовать гидропоршневые агрегаты в наклонно-направленных скважинах с высоким уровнем кривизны ствола, использование прототипа в которых практически невозможно, а также отпадает необходимость в изменении конструкции скважины для размещения посадочного седла для посадки агрегата как в прототипе. Также обсадные трубы в меньшей степени подвержены коррозии из-за движения пластовой жидкости на поверхность внутри НКТ. Еще важнейшим техническим результатом создания и использования данной полезной модели является увеличение КПД установки ГПНА за счет применения в устройстве ГПНА насоса двойного действия в отличие от прототипа, конструкция которого исключает такую возможность.
Указанные технические результаты достигаются только благодаря предложенной совокупности технических новшеств и изменений в Установке ГПНА.