ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РЕЦИРКУЛЯЦИИ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRICALLY DRIVEN BOREHOLE PUMP WITH WORKING FLUID CIRCULATION (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к скважинным насосным системам, погружаемым в скважинные флюиды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к рециркуляции части потока, подаваемого погружным насосом скважинной насосной системы на впуск последней.
Погружные насосные системы часто используются в процессе добычи углеводородов для подачи флюидов (текучих сред) из скважины на поверхность. Как правило, эти флюиды представляют собой жидкости, содержащие добываемые углеводороды, а также воду. В одной из систем такого типа, представленной в настоящем описании, используется электрический погружной насос (ЭПН). ЭПНы обычно располагаются на конце лифтовых колонн насосно-компрессорных труб (НКТ) и содержат двигатель с электропитанием. Подача электрической энергии для двигателя насоса часто осуществляется через кабель. Как правило, насосная установка располагается внутри скважины непосредственно над участком перфорации продуктивной зоны. Такое расположение обеспечивает прохождение потока добываемого флюида вдоль наружной поверхности двигателя насоса и создание эффекта охлаждения.
В некоторых ситуациях погружные насосные системы располагаются в скважине таким образом, что впуск насоса находится ниже перфорационных отверстий. В подобной ситуации поток флюида из продуктивного пласта достигает впуска насоса до прохождения мимо двигателя. По существу, добываемый флюид подается на поверхность без предварительного охлаждения двигателя. Для обеспечения охлаждения двигателя система ЭПН может содержать несколько насосов и линию рециркуляции, направляющую поток из выпуска нижнего насоса под двигатель.
Настоящее изобретение относится к скважинной погружной насосной системе, размещаемой в обсаженной скважине. Данная система содержит нижний и верхний насосы, двигатель, взаимодействующий с нижним и верхним насосами, гидрозащиту и рециркуляционную муфту, соединенную одним концом с выпуском нижнего насоса, а другим концом - с впуском верхнего насоса. Кроме того, система включает линию рециркуляции, впуск которой сообщается (находится в связи по потоку флюида) с рециркуляционной муфтой и с выпускным каналом, предназначенным для выпуска флюида из линии рециркуляции на двигатель. Рециркуляционная муфта сначала изготавливается как модульный независимый компонент, а затем подсоединяется к нижнему и верхнему насосам. Взаимодействие между двигателем и насосами может осуществляться через вал, проходящий от двигателя к обоим насосам и имеющий конфигурацию, обеспечивающую вращение крыльчаток, расположенных внутри насосов. Конфигурация рециркуляционной муфты позволяет принять флюид, вышедший из нижнего насоса, и направить часть принятого флюида на впуск верхнего насоса, а оставшуюся часть принятого потока - в линию рециркуляции. В альтернативном варианте нижний и верхний насосы изначально содержат часть многоступенчатой насосной системы, а многоступенчатая насосная система модифицирована посредством установки рециркуляционной муфты между нижним и верхним насосами.
Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается скважинная погружная насосная система, размещаемая в скважине и содержащая:
нижний насос с выпуском и впуском;
рециркуляционную муфту, соединенную с выпуском нижнего насоса;
верхний насос с выпуском и впуском, сообщающимся с впуском нижнего насоса через рециркуляционную муфту;
двигательный узел, подсоединенный под нижним насосом для приведения насосов в действие;
канал впуска флюида в насосную систему, сообщающийся с впусками нижнего и верхнего насосов;
приводной вал, простирающийся от двигательного узла через нижний насос, рециркуляционную муфту и верхний насос;
линию рециркуляции, впуск которой сообщается с рециркуляционной муфтой и с выпускным каналом, предназначенным для выпуска флюида из линии рециркуляции на стороне двигательного узла;
канал, проходящий насквозь муфту и имеющий нижнюю часть, сужающуюся по радиусу внутрь, и вал, проходящий через этот канал, образуя кольцеобразное пространство между валом и каналом, и
при этом конфигурация рециркуляционной муфты позволяет направить часть флюида, принятого из выпуска нижнего насоса, на впуск верхнего насоса, а оставшуюся часть принятого потока - в линию рециркуляции.
Каждый из насосов предпочтительно имеет трубчатый корпус, а рециркуляционная муфта крепится к этим корпусам. Приводной вал может представлять собой единственный цельный приводной вал, проходящий через нижний насос, или приводной вал состоит из отдельных приводных валов для верхнего и нижнего насосов, соединенных друг с другом в рециркуляционной муфте.
В одном из частных вариантов каждый из верхнего и нижнего насосов имеет корпус, и при этом корпус верхнего насоса снабжен внутренней резьбой в области впуска насоса, а корпус нижнего насоса снабжен внутренней резьбой в области выпуска, и которые соответственно сопрягаются с резьбами на верхнем и нижнем концах рециркуляционной муфты.
Часть флюида, принятая на впуске верхнего насоса, перекачивается верхним насосом к верхнему концу ствола скважины.
Далее насосная система может содержать крестовину с подшипником, соединенную с приводным валом внутри нижнего насоса, в частности, система может содержать крестовину с подшипником в рециркуляционной муфте для опоры упомянутого по меньшей мере одного приводного вала.
В другом варианте выполнения предлагается скважинная погружная насосная система, размещаемая в обсаженной скважине и содержащая:
нижний насос;
верхний насос, причем верхний и нижний насосы представляют собой центробежные насосы;
насосный узел, содержащий корпус и двигатель, причем двигатель связан с насосами посредством приводного вала;
рециркуляционную муфту, имеющую конец, прикрепленный к выпуску нижнего насоса, и конец, прикрепленный к впуску верхнего насоса;
сопрягающиеся резьбовые участки, сформированные соответственно на верхнем и нижнем насосах и на рециркуляционной муфте;
канал впуска флюида в насосную систему, сформированный в корпусе насосной системы и имеющий конфигурацию, обеспечивающую подачу добываемого флюида из ствола скважины на впуски верхнего и нижнего насосов;
линию рециркуляции, предназначенную для приема флюида из рециркуляционной муфты и выпуска флюида непосредственно вблизи насосного узла, причем поток выпускаемого флюида проходит мимо корпуса насоса, часть потока добываемого скважинного флюида проходит через впуск насосной системы и направляется в линию рециркуляции, а оставшаяся часть направляется через рециркуляционную муфту на впуск верхнего насоса для переноса вверх по стволу скважины; и
канал, проходящий насквозь муфту и имеющий сужающуюся нижнюю часть.
Некоторые особенности и преимущества настоящего изобретения были упомянуты выше, а другие станут ясны из нижеследующего описания, иллюстрируемого приложенными чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - вид сбоку скважинной погружной системы в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.2 - увеличенное изображение в поперечном разрезе насосной системы, представленной на фиг.1, в скважине,
фиг.3A-3B - подробные изображения в поперечном разрезе второго варианта осуществления насосной системы, представленной на фиг.1.
Хотя настоящее изобретение будет описано применительно к предпочтительным вариантам осуществления, ясно, что изобретение не ограничивается этими вариантами. Напротив, оно охватывает все альтернативные, модифицированные и эквивалентные варианты, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
Настоящее изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Возможны, однако, и многие другие варианты осуществления данного изобретения, которое не должно толковаться как ограниченное вариантами осуществления, изложенными и проиллюстрированными в настоящем описании; эти варианты осуществления представлены для того, чтобы данное описание в полной мере раскрывало объем и возможность осуществления изобретения для специалистов в данной области. Одинаковые элементы на чертежах и в описании обозначены одинаковыми номерами
В настоящем описании представлены варианты осуществления скважинной погружной насосной системы для доставки флюидов из скважины на поверхность. Более конкретно, описанная здесь скважинная погружная насосная система включает систему для рециркуляции потока из выпуска насоса под двигатель. Поток рециркулирующего флюида проходит мимо двигателя и поглощает образовавшееся там тепло по мере его движения к впуску насоса.
На фиг.1 представлен пример электрической погружной насосной системы, показанной в виде сбоку и расположенной в стволе скважины 5. Электрическая погружная насосная система 20 содержит насосную секцию 26. Насосная секция 26 включает верхний насос 28, нижний насос 29 и рециркуляционную муфту 31, расположенную между этими двумя насосами (28, 29). Насосы (28, 29) представляют собой центробежные насосы, каждый из которых имеет большое количество ступеней, содержащих диффузоры и крыльчатки. Кроме этого, электрическая погружная насосная система 20 содержит уравнительную секцию 24 и двигательную секцию 22, причем двигательная секция 22 расположена непосредственно под уравнительной секцией 24. Уравнительная секция 24 обеспечивает уравнивание давлений между смазкой в двигательной секции 22 и окружающим скважинным флюидом. Болты 36 соединяют верхний конец уравнительной секции 24 с нижним концом 34 насосной секции 26.
В одном варианте осуществления изобретения верхний и нижний насосы (28, 29) представляют собой независимые отдельные насосы, соосно соединенные посредством муфты 31 как показано на чертеже. В контексте настоящего описания термин "независимые отдельные насосы" относится к стандартным погружным насосам, используемым для откачки флюидов из скважины. Таким образом, хотя верхний и нижний насосы (28, 29) скомпонованы в единый узел, они способны производить откачку из скважины без дополнительного насоса. Аналогичным образом, в одном из вариантов осуществления изобретения рециркуляционная муфта 31 также является модульным самостоятельным узлом, изготовленным независимо от верхнего и нижнего насосов (28, 29) и затем присоединенным к этим насосам как показано на фиг.1.
Один из режимов работы электрической погружной насосной системы 20 (фиг.1) включает размещение насосной системы 20 в стволе скважины 5. В этом варианте осуществления ствол скважины 5 содержит обсадную колонну 7, проходящую вдоль ствола скважины 5 на протяжении значительной части его длины. В стволе скважины 5 имеются перфорационные отверстия 10, проходящие сквозь обсадную колонну 7 и открывающиеся в прилегающий подземный продуктивный пласт 8, окружающий часть ствола скважины 5. Поток флюида в форме жидких углеводородов движется из пласта 8 через перфорационные отверстия 10 в ствол скважины 5.
Двигатель 22 передает насосам (28, 29) вращательное усилие, обеспечивая вращение расположенных в них крыльчаток и, тем самым, вызывая закачку пластового флюида в насосную систему 20. В данном варианте осуществления единственный вал (не показан на фиг.1) проходит от насоса 28 до насоса 29. Использование единственного вала вместо специальных валов значительно сокращает время механической обработки и затраты. Впуск 32 насоса предусмотрен на нижней стороне насосной системы 20, обеспечивая вход в эту систему пластового флюида. Как показано на чертеже, двигатель 22 расположен под перфорационными отверстиями 10 и ниже впуска 32 насоса. Поэтому флюид проходит из пласта 8 через перфорационные отверстия 10 во впуск 32 насоса, не контактируя с поверхностью двигателя 22. Следовательно, флюид, попадающий из перфорационных отверстий 10 непосредственно во впуск 32, не может охладить двигатель 22.
Показанный на фиг.1 вариант осуществления изобретения также включает систему рециркуляции, содержащую рециркуляционную муфту 31, находящуюся в связи по потоку флюида с линией (или трубопроводом) рециркуляции 38. Выпускной канал 30 обеспечивает связь по потоку рециркулирующего флюида между рециркуляционной муфтой 31 и линией рециркуляции 38. Вход в линию рециркуляции 38 расположен на стенке рециркуляционной муфты 31. Выпускной канал 30 включает отверстие (обозначено на фиг.2 через 41, а на фиг.3Б - через 72), проходящее сквозь рециркуляционную муфту 31. Система рециркуляции включает выход 39 линии рециркуляции, предназначенный для выпуска пластового флюида в пространство под двигателем 22. Из-за локально низкого давления, создаваемого на впуске 32 насоса, весь рециркулирующий пластовый флюид, попавший в ствол скважины по линии рециркуляции 38 (через выпуск 39 этой линии), будет переноситься вверх по стволу скважины 5. Рециркулирующий пластовый флюид движется вверх по стволу скважины через кольцевое пространство 40 между насосной системой 20 и внутренней поверхностью обсадной колонны 7, проходя по наружной поверхности двигателя 22. Поскольку пластовый флюид, омывающий двигатель 22, охлаждает его, наличие связи по потоку флюида между рециркуляционной муфтой 31 и участком ствола скважины, где расположен двигатель 22, обеспечивает требуемое охлаждение, необходимое для работы двигателя 22 в подземном стволе скважины 5. В альтернативном варианте может быть использован стыковой хомут 42 для соединения нижнего конца линии рециркуляции 38 с удлинительной трубой 44, простирающейся вниз по стволу скважины 5 от нижнего конца двигательной секции 22.
Часть пластового флюида, попадающая во впуск 32 насоса, направляется вверх от нижнего насоса 29 через выход рециркуляционной муфты 31 на впуск верхнего насоса 28. Здесь верхний насос 28 производит нагнетание пластового флюида, выходящего из него в подсоединенную лифтовую колонну НКТ 18 и затем на земную поверхность. Таким образом, впуск 32 насоса обеспечивает попадание потока флюида в насосную систему, а именно в нижний насос 29 и верхний насос 28.
На фиг.2 показано увеличенное изображение в частичном разрезе одного из вариантов осуществления электрической погружной насосной системы 20, содержащей верхний насос, рециркуляционную муфту и нижний насос. В этом варианте осуществления верхний насос 28 имеет на своем нижнем конце внутреннюю резьбу 33, сопрягающуюся с резьбой на верхней части рециркуляционной муфты 31. В этом резьбовом соединении двух указанных элементов могут быть предусмотрены уплотнения. Нижний насос 29 имеет внутреннюю резьбу 35, соединенную с нижней частью рециркуляционной муфты 31. Таким образом, в данном варианте осуществления, представленном в частичном разрезе, показано, что выход рециркуляционной муфты 31 связан с впуском верхнего насоса 28. Аналогичным образом, вход рециркуляционной муфты 31 связан с выпуском нижнего насоса 29.
Как показано на чертеже, единственный цельный вал 27 расположен соосным образом внутри верхнего насоса 28 и нижнего насоса 29. Вал 27 соединен с крыльчатками 37, расположенными внутри верхнего насоса 28. Опору и центрирование вала 27 внутри верхнего насоса 28 обеспечивает подшипник 84. Нижняя часть вала 27 располагается внутри нижнего насоса 29 и тоже центрируется в нем посредством соответствующего подшипника 87. Пространство, где выпуск нижнего насоса связывается с входом рециркуляционной муфты 31, представляет собой сужающуюся коническую полость 86. На чертеже показано, что линия рециркуляции 38 соединяется одним своим концом с отверстием 41, проходящим сквозь стенку рециркуляционной муфты 31. Для регулирования скорости потока рециркулирующего флюида здесь может быть дополнительно использован дроссель 47. Как видно из чертежа, дроссель 47 расположен в линии рециркуляции 38, однако возможно также размещение в отверстии 41. Размеры и тип дросселя варьируются в зависимости от конструкции и применения насоса, однако выбор размеров дросселя относится к компетенции специалистов в данной области. В альтернативном варианте для подсоединения трубопровода 38 к отверстию 41 может быть использован резьбовый штуцер. В таком варианте осуществления дроссель может быть смонтирован в штуцере. Дроссель 47 может содержать соединительный элемент типа манжеты, имеющий скошенную внутреннюю поверхность с уменьшающимся диаметром. Кроме того, дроссель 47 может содержать пластину, имеющую отверстие меньшего диаметра для ограничения и регулирования потока флюида.
На фиг.3А более подробно представлена в частичном разрезе верхняя насосная секция 52 альтернативного варианта осуществления электрической погружной насосной системы 50. Как показано на данном чертеже, верхний вал 64 соединен с крыльчатками 58, которые вращаются внутри полостей, образованных в диффузорах 60. Вращение крыльчаток 58 обеспечивается вращением вала 64. Выпуск верхней насосной секции 52 сформирован в виде выпускной головки 71. Внутри выпускной головки 71 имеется кольцеобразное пространство 61, сужающееся внутрь в направлении от верхней части верхней насосной секции 52. Выпускная головка 71 соединена с верхним концевым участком верхней насосной секции 52 посредством резьбового соединения 59. Возможны, однако, и другие виды соединений, например с помощью фланцевого фитинга на болтах. Для защиты от проникновения скважинного флюида внутрь насосной системы 50 предусмотрены уплотнения, обеспечивающие герметичность по давлению и флюиду. Верхняя насосная секция 52 также содержит корпус 53, вдоль внутренней круговой поверхности которого соосно расположены диффузоры 60. В корпусе 53, кроме того, имеется резьба, обеспечивающая сопряжение с соответствующей резьбой выпускной головки 71 и образование резьбового соединения 59.
На фиг.3Б представлено увеличенное изображение в поперечном разрезе рециркуляционной муфты 54. Как видно из чертежа, верхний конец рециркуляционной муфты 54 крепится к нижнему концу верхней насосной секции 52 посредством резьбового соединения 67. Вал 64 простирается вниз от верхней насосной секции 52 до соединительной муфты 68, расположенной во внутреннем кольцеобразном пространстве рециркуляционной муфты 54. Корпус 55, образующий верхние границы рециркуляционной муфты, имеет в целом кольцеобразную конфигурацию с полым пространством вдоль оси рециркуляционной муфты 54. В кольцеобразном пространстве 70 также расположены опора и подшипники 76, предназначенные для установки в них верхнего вала 64.
На данном чертеже показано, что отверстие 72 проходит сквозь стенку корпуса 55, тем самым обеспечивая связь по потоку флюида между кольцеобразным пространством 70 и внутренним круговым пространством рециркуляционного трубопровода 74. В соответствии с этим отверстие 72 может иметь форму сужающегося канала, регулирующего проходящий сквозь него поток для подачи требуемого количества охлаждающего флюида из кольцеобразного пространства на наружную поверхность насоса 22. Размеры сужающегося канала зависят от потока на выпуске нижнего насоса 56 и требований, предъявляемых к охлаждению двигателя 22. Специалисты в данной области могут подобрать отверстие требуемого размера, соответствующее этим параметрам. Для регулирования потока рециркуляции в трубопровод 74 может быть включен дроссель 75. Что касается нижнего конца рециркуляционной муфты 54, то на чертеже показано, что он связан с верхним концом нижней насосной секции посредством резьбового соединения.
На фиг.3В представлено увеличенное изображение в частичном разрезе альтернативного варианта осуществления нижней насосной секции 56 электрической погружной насосной системы 50. В этом варианте осуществления вал 65, простирающийся вниз от соединительной муфты 68, проходит через нижнюю насосную секцию и соединен со всеми крыльчатками 78. Соответствующие диффузоры 80 расположены внутри корпуса 57 нижней насосной секции 56. Как известно, группа крыльчаток 78, вращающихся внутри диффузоров 80, передает вытесняющее усилие флюиду, направляя его в область над нижней насосной секцией 56. Через впуск 82, сформированный в фитинге нижней головки 83, обеспечивается попадание пластового флюида из ствола скважины 5 в насосную систему 50.
Одним из многих преимуществ насосной системы, представленной в настоящем описании, является модульная конструкция, позволяющая скомпоновать насосную систему из независимых самостоятельных элементов. В известных насосных системах, имеющих рециркуляционный элемент или функцию рециркуляции, требуется присутствие специальной выпускной головки в соответствующем рециркуляционном насосе, которая направляет рециркулирующий поток выше к двигателю. Описанная здесь модульная конструкция содержит независимые самостоятельные элементы, не требующие специальной механической обработки и проектирования рециркуляционной выпускной головки. Рециркуляционная насосная система, представленная в настоящем описании, может быть легко скомпонована из стандартных компонентов, не требующих специальной механической обработки.
В описанных выше вариантах осуществления изобретения компрессия на ступени нижнего насоса может быть достигнута посредством использования сжимаемого элемента, например волнистой шайбы, которая сжимается, прикладывая усилие к пакету диффузоров, и компенсирует различия в длине диффузоров и/или корпусов, обусловленные допусками изготовления. Кроме того, для сжимания пакета диффузоров в нижнем насосе можно смонтировать крестовину с подшипником.
В одном из альтернативных вариантов осуществления система рециркуляции, соответствующая настоящему изобретению, сформирована посредством модификации многоступенчатой насосной системы. Многоступенчатая насосная система включает два или более отдельных, специально подобранных насосов, установленных соосно в различных положениях вдоль оси насосной системы. Рециркуляционная муфта, соответствующая настоящему описанию, может быть расположена в пространстве между этими разъединенными насосами. В этом варианте осуществления вход и выход рециркуляционной муфты будут связаны с соответствующими разъединенными концами многоступенчатой насосной системы. Соединив рециркуляционную муфту с этими концами, можно скомпоновать единую рециркуляционную насосную систему для размещения и работы в скважине. Может быть подготовлен комплект для модификации, включающий все компоненты, необходимые для переоборудования имеющегося стандартного насоса с целью использования в системе рециркуляции.
Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается показанными и описанными в подробностях элементами конструкции, режимами работы, конкретными материалами и вариантами осуществления, поскольку их модифицированные и эквивалентные формы будут очевидны для специалистов в данной области. На чертежах и в описании раскрыты иллюстративные варианты осуществления изобретения, и хотя там используются специальные термины, они приводятся лишь в типологическом и описательном смыслах, но не в целях ограничения. Поэтому настоящее изобретение ограничено лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.