ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННЫЙ НАСОС С ПРИЕМНЫМ ФИЛЬТРОМ
DOWNHOLE PUMP WITH INTAKE FILTER

Изобретение относится к области машиностроения, к погружным скважинным насосам с приемным фильтром, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известен штанговый скважинный насос (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М. 1988, с. 22), содержащий рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с нагнетательным клапаном, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан, вход которого соединен с полостью фильтра.
Недостатками известного штангового скважинного насоса являются снижение объемной подачи с засорением фильтра, а также значительная трудоемкость подъема и опускания насоса для очистки фильтра.
Известен погружной скважинный насос с приемным фильтром, содержащий с корпус, цилиндрический перфорированный хвостовик, внутренняя полость которого сообщена со входом насоса, скребок, охватывающий хвостовик, при этом хвостовик и скребок установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного движения (см. Пат. РФ №2020269, 1994 г.).
Недостатками указанного устройства являются сложность конструкции и недостаточная надежность работы.
Известен погружной скважинный насос с приемным фильтром, содержащий цилиндрический корпус, самоочищающийся фильтр, включающий перфорированный хвостовик, внутренняя полость которого сообщена со входом насоса, охватывающий хвостовик скребок, при этом хвостовик и скребок выполнены с возможностью относительного возвратно-поступательного и углового перемещения (см. А.с. СССР №1617199, 1988 г.), который принят за прототип.
Очищение поверхности фильтра путем относительного осевого и углового перемещения хвостовика и скребка позволяет повысить эффективность очистки.
Недостатками известного устройства являются недостаточная надежность и сложность конструкции очищающего устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы за счет упрощения конструкции.
Решение технической задачи достигается тем, что в погружном скважинном насосе с приемным фильтром, содержащем цилиндрический корпус, фильтр, выполненный в виде перфорированного цилиндрического хвостовика со сквозными ячейками и средство очистки фильтра, выполненное в виде скребка, имеющее способность охватывать хвостовик и снабженное по торцам верхним и нижним кольцами соответственно ответно корпусу и хвостовику, при этом хвостовик и скребок с нижним кольцом установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного движения и сообщения полости хвостовика со входом насоса, согласно техническому решению, хвостовик телескопически соединен с корпусом насоса с возможностью ограниченного упором осевого перемещения, скребок выполнен в виде перфорированного цилиндра с образованием чередующихся отверстий и выступов, ответно выполненных ячейкам хвостовика, при этом верхнее кольцо жестко соединено с корпусом насоса.
В корпусе насоса со стороны фильтра выполнена, ответно последнему, цилиндрическая обточка с образованием бурта, а между торцом хвостовика и буртом установлена пружина.
Скребок выполнен разрезным по всей длине с возможностью его постоянного взаимодействия с хвостовиком.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема вертикальной погружной скважинной насосной установки;
На фиг. 2 - схема фильтра установки на фиг. 1;
На фиг. 3 - схема установки погружного насоса на горизонтальном отводе скважины;
На фиг. 4 - схема фильтра насосной установки на фиг. 3.
Погружная скважинная насосная установка вертикальной скважины включает, например, штанговый насос 1 (фиг. 1), включающий корпус 2, выполненный в виде цилиндра с установленным полым плунжером 3, в нижней части плунжера 3 установлен нагнетательный клапан 4, а в нижней части корпуса 2 - всасывающий клапан 5 с образованием рабочей полости 6 насоса. Насос 1 в нижней части, соосно корпусу 2, снабжен приемным фильтром, выполненным в виде цилиндрического перфорированного хвостовика 7 (фиг. 2) с ячейками 8, телескопически соединенного с корпусом 2 с возможностью ограниченного упором 9 осевого перемещения и с образованием полости 10 хвостовика 7. В нижней части корпуса 2 выполнена, например, ответно хвостовику 7, цилиндрическая обточка (на фиг. не указана) с образованием бурта 11.
В верхней части хвостовика 7, выполнены, например, как минимум, два закрытых продольных сквозных паза 12 с возможностью взаимодействия с нижней и верхней стенок (на фиг. не указаны) пазов 12 с упором 9. Упор 9 может быть выполнен в виде, например, штифтов или разрезного пружинного кольца, установленного в кольцевой канавке 13 корпуса 2.
Скребок 14, охватывающий хвостовик 7, выполнен в виде перфорированного цилиндра с чередующимися отверстиями 15 и выступами 16, ответно выполненными ячейкам 8 хвостовика 7. Скребок 14 по торцам снабжен верхним 17 и нижним 18 кольцами, выполненными, например, в виде центраторов. Кольца 17 и 18 выполнены соответственно ответно корпусу 2 насоса 1 и хвостовику 7. Кольцо 17 жестко соединено с корпусом 2, а хвостовик 7 выполнен с возможностью осевого перемещения относительно кольца 18.
Размер отверстий 15 скребка 14 намного больше размера ячеек 8 хвостовика 7.
Насос 1 с хвостовиком 7 опущен в эксплуатационную колонну 19 скважины. Корпус 2 насоса 1 соединен с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) 20, а плунжер 3 соединен с приводом (на фиг. не показан) посредством колонны штанг 21 и полированного штока 22.
Скважина в верхней части оснащена устьевым оборудованием 23.
Погружная скважинная насосная установка с горизонтальным отводом включает бесштанговый насос 24 (фиг. 3), например, винтовой насос с валом 25, соединенный с погружным электродвигателем 26.
Хвостовик 7 установлен между насосом 24 и двигателем 26 с возможностью ограниченного упором 9 (фиг. 4) осевого перемещения относительно насоса 1 и двигателя 26. Двигатель 26 снабжен, например, цилиндрическим выступом 27, охватывающим вал 25, а в нижней части хвостовика 7 выполнено сквозное отверстие 28, ответно выполненное выступу 27.
Хвостовик 7 подпружинен пружиной 29 относительно бурта 11 корпуса 2 насоса 24.
Насосная установка снабжена также устьевым оборудованием 23 и станцией управления 30 электродвигателем 26, оснащенным, например, регулируемы приводом.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 3 находится в крайнем нижнем положении (фиг. 1). Нагнетательный клапан 4 чуть приоткрыт, а всасывающий клапан 5 закрыт. Хвостовик 7 (фиг. 2) под действием собственного веса находится в крайнем нижнем положении. Это достигается тем, что вес хвостовика 7 больше суммарных сил трения скребка 14 по поверхности хвостовика 7. Выступы 16 скребка взаимодействуют с боковой поверхностью хвостовика 7.
Рассмотрим все возможные варианты очистки поверхности хвостовика 7 скребком 14, вызванные:
1) Снижением давления в полости 10 хвостовика 7 при засорении ячеек 8.
2) Изменением давления жидкости в колонне НКТ, которое может быть вызвано следующими причинами:
2.1) Изменением расхода насоса;
2.2) Остановкой и пуском в работу насоса;
2.3) Изменением ускорения жидкости внутри колонны НКТ.
Рассмотрим конкретнее описанные выше варианты.
Снижение давления в полости хвостовика: При движении плунжера 3 вверх давление в рабочей полости 6 снижается. Клапан 4 закрывается. Под действием перепада давления клапан 5 открывается, и жидкость, например, из пласта, (на фиг. не показан) через полость 10 и ячейки 8 хвостовика 7 перетекает в рабочую полость 6 насоса 1.
Когда ячейки 8 перфорированного хвостовика 7 не засорены, его пропускная способность высокая. Поэтому перепад давления жидкости через хвостовик 7 незначительный.
Со временем ячейки 8 хвостовика 7 засоряются механическими примесями и вязкой нефтью. При ходе плунжера 3 вверх, при цикле всасывания, перепад давления через ячейки 8 хвостовика 7 возрастают. Давление в полости 10 хвостовика 7 снижается. Под действием перепада давления между давлением пласта и полости 10 подвижный хвостовик 7 начинает перемещаться вверх. Выступы 16 скребка 14, скользя по поверхности хвостовика 7, очищают ячейки 8 от механических примесей и вязкой нефти. При этом скребок 14, неподвижно установленный в корпусе 2, остается неподвижным.
При ходе нагнетания, когда плунжер 3 перемещается вниз, давление в полости 10 становится равным пластовому давлению. Подвижный хвостовик 7 под действием его веса опускается вниз. При этом выступы 16 скребка 14 дополнительно очищают поверхность хвостовика 7.
Учитывая, что размер отверстий 15 скребка 14 намного больше размера ячеек 8 хвостовика 7, его пропускная способность остается высокой.
Изменение расхода насоса: При ходе нагнетания расход насоса определяется скоростью плунжера 3 и разностью площадей плунжера 3 и полированного штока 22, диаметр которого составляет примерно половину диаметра плунжера 3. При ходе же плунжера 3 вниз (цикл всасывания), расход насоса определяется скоростью плунжера 3 и площадью полированного штока 22, т.е. составляет примерно третью часть расхода при цикле нагнетания. Учитывая квадратичную зависимость гидравлического сопротивления в канале НКТ 20 от скорости жидкости, гидравлическое сопротивление в колонне НКТ 20 резко снижается при цикле всасывания. В связи со значительной длиной колонны НКТ 20, составляющей от 800 м до 2000 м, нижняя часть НКТ 20, и вместе с ней и корпус 2 насоса 1 со скребком 14, совершают возвратно-поступательное движение.
Учитывая, что хвостовик 7 соединен телескопически с корпусом 2 с возможностью относительного ограниченного осевого перемещения, скорость и перемещение хвостовика 7 будет отличаться от скорости и перемещения скребка 14.
Остановка и пуск насоса: При остановке насоса 1 давление в колонне НКТ 20 резко снижается, и она укорачивается. Низ НКТ 20 и вместе с ним насос 1 со скребком 14 перемещаются вверх. Хвостовик 7 под действием силы тяжести остается практически неподвижным. При подъеме вверх выступы 16 скребка 14 очищают ячейки 8 хвостовика 7. При пуске насоса 1 давление в колонне НКТ 20 возрастает, и она удлиняется. Низ НКТ 20, и вместе с ним насос 1 со скребком 14 опускаются вниз, дополнительно очищая поверхность хвостовика 7.
При приближении плунжера 3 в крайнее верхнее положение, давление в колонне НКТ 20 снижается. Колонна НКТ 20 укорачивается. И насос 1 со скребком 14 перемещается вверх.
Изменение ускорения жидкости в колонне НКТ: В начале цикла нагнетания жидкость, находящаяся в колонне НКТ 20, приобретает ускорение, создавая дополнительный перепад давления. Под действием создавшегося перепада давления колонна НКТ 20 удлиняется, и насос 1 со скребком 14 резко перемещается вниз. При этом очищаются ячейки 8.
Таким образом, при засорении ячеек 8 хвостовик 7 поднимается вверх, остающийся неподвижным скребок 14 выступами 16 очищает ячейки 8. Кроме того, при изменении давления в колонне НКТ 20 вследствие изменения расхода (подачи) насоса 1, ускорения жидости в канале НКТ 20, а также при остановке-пуске насоса 1 происходит перемещение скребка 14 относительно хвостовика 7.
Предлагаемое техническое решение позволяет автоматически включить в работу скребок 14 при засорении ячеек 8 хвостовика 7, изменении расхода и ускорения жидкости в канале НКТ 20.
Рассмотрим работу фильтра погружной насосной установки в скважине с горизонтальным отводом.
Добыча нефти из скважин с горизонтальным отводом осуществляется, как правило, погружными насосами, а именно, центробежными или винтовыми насосами.
Погружная скважинная насосная установка включает, например, винтовой насос 24 (фиг. 3 и 4) с валом 25, соединенным с погружным двигателем 26. Под действием пружины 29 хвостовик 7 максимально отодвинут от насоса 1.
Рассмотрим все возможные варианты очистки поверхности хвостовика 7 скребком 14, вызванные снижением давления в полости 10 хвостовика 7 при засорении ячеек 8, а также изменением давления жидкости в колонне НКТ 20.
Засорение ячеек хвостовика: При засорении ячеек 8 хвостовика 7 давление в полости 10 снижается. Под действием перепада давления между давлением пласта и полости 10 хвостовик 7 перемещается в сторону насоса 24, сжимая пружину 29, скользя по поверхности корпуса 2 и цилиндрического выступа 27 двигателя 26. При этом выступы 16 скребка 14 очищают ячейки 8 хвостовика 7. При увеличении пропускной способности хвостовика 7 давление в полости 10 нормализуется, и хвостовик 7 под действием усилия пружины 29 отдвигается от насоса 1.
Изменение расхода насоса: Изменение расхода насоса 1 может происходит вследствие снижения коэффициента наполнения при засорении ячеек 8 хвостовика 7, или при принудительном изменении расхода насоса 1 посредством станции управления 30 с регулируемым приводом электродвигателя 26.
Остановка и пуск в работу насоса: При остановке насоса 1 резко снижается давление в канале НКТ 20. Происходит сокращение длины НКТ 20, и ее низ вместе с насосом 1 и скребком 14 перемещаются в сторону устья. Хвостовик 7, имеющий способность ограниченного осевого перемещения относительно насоса 1, остается практически неподвижным. Выступы 16 скребка 14 очищают ячейки 8 хвостовика 7. При пуске насоса 1 в работу происходит обратный процесс.
Изменение ускорения жидкости в НКТ: При изменении расхода насоса 1, его пуске и остановке, происходит ускоренное движение жидкости в канале НКТ 20. Давление в НКТ 20 резко меняется, что приводит к чередующемуся удлинению и укорачиванию длины НКТ 20.
При выполнении скребка 14 разрезной по всей его длине выступы 16 постоянно прижаты к хвостовику 7 под действием силы упругости. При возможном износе выступов 16 они остаются прижатыми к хвостовику 7.