КОМПОНОВКА РОТОРНОГО НАСОСА И РОТОРНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
ROTOR PUMP ASSEMBLY AND ROTARY PUMP UNIT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[1] Данный раздел дает информацию уровня техники для содействия лучшему пониманию различных аспектов раскрытия. Понятно, что утверждения в данном разделе документа следует читать в таком плане, и не как признание существующей техники.
[2] Подземные текучие среды, например нефть, газ и воду часто выкачивают или "поднимают" из ствола скважины, эксплуатируя забойные насосы, например, с помощью систем электроцентробежных погружных насосов. В данных насосных системах обычно применяют удлиненный электрический двигатель, установленный в стволе скважины, для вращения насоса. В некоторых установках роторный насос применяют для извлечения вязких текучих сред и текучих сред с относительно высокими концентрациями песка. Известные установки раскрыты, например, в патентных документах US 5871051 A (опубл. 16.02.1999, МПК E21B23/00) и US 2014028119 A1 (опубл. 30.01.2014, МПК F04B17/03), которые не смотря на ряд улучшений по-прежнему требуют доработки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[3] Для улучшения конструкции известных устройств в одном аспекте изобретения предложена компоновка роторного насоса, содержащая:
приводной механизм, содержащий погружной электрический двигатель, прикрепленный к нижнему концу насосно-компрессорной трубы, причем погружной электрический двигатель является двигателем с постоянным магнитом;
роторный насос, установленный в насосно-компрессорной трубе и над приводным механизмом, причем роторный насос принимает рабочую мощность с приводного механизма, при этом роторный насос выполнен с возможностью отсоединения от приводного механизма и извлечения из скважины через насосно-компрессорную трубу без отсоединения приводного механизма от насосно-компрессорной трубы, и
датчик, прикрепленный к нижнему концу приводного механизма.
В одном из вариантов предложена компоновка, в которой роторный насос является винтовым насосом.
В одном из вариантов предложена компоновка, дополнительно содержащая элемент, прикрепленный к верхнему концу роторного насоса, причем элемент выполнен с возможностью приема извлекающего инструмента для вытаскивания роторного насоса из насосно-компрессорной трубы без удаления приводного механизма.
В одном из вариантов предложена компоновка, дополнительно содержащая дренажный клапан, установленный в боковой стенке насосно-компрессорной трубы выше роторного насоса.
В одном из вариантов предложена компоновка, в которой приводной механизм дополнительно содержит защиту двигателя, установленную между погружным электрическим двигателем и роторным насосом.
В одном из дополнительных аспектов предложена роторная насосная установка, содержащая компоновку роторного насоса, развернутую в скважине, при этом компоновка роторного насоса содержит:
приводной механизм, прикрепленный к нижнему концу насосно-компрессорной трубы, причем приводной механизм содержит двигатель с постоянным магнитом;
роторный насос, установленный в насосно-компрессорной трубе над приводным механизмом, причем роторный насос принимает рабочую мощность с вала двигателя с постоянным магнитом; и
датчик, прикрепленный к нижнему концу приводного механизма.
В одном из вариантов предложена установка, в которой приводной механизм дополнительно содержит защиту, установленную между двигателем с постоянным магнитом и роторным насосом.
В одном из вариантов предложена установка, в которой роторный насос является винтовым насосом.
В одном из вариантов предложена установка, в которой верхняя поверхность роторного насоса содержит элемент, который разъемно прикреплен к извлекающему инструменту для вытаскивания роторного насоса из скважины без удаления приводного механизма.
В одном из вариантов предложена установка, дополнительно содержащая.
Благодаря использованию предложенных устройств возможно обеспечить сохранность силового кабеля и других линий управления при извлечении погружного оборудования, т.к. в такой конструкции они изолированы от каких-либо движущихся элементов, так что не подвергаются повреждениям, которые могут произойти в установках уровня техники, когда насосы и приводные механизмы удаляют из скважины, поскольку силовой кабель и линия управления расположены снаружи мандрели и/или колонны насосно-компрессорных труб.
[4] Данная сущность изобретения представляет ряд концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании изобретения. Вместе с тем, многие модификации являются возможными без существенного отхода от идей данного раскрытия. Соответственно, такие модификации входят в объем данного изобретения, определенного формулой изобретения. Данная сущность изобретения не идентифицирует ключевые или существенные признаки заявленного объекта изобретения и не ограничивает объем заявленного объекта изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
[5] Некоторые варианты осуществления описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые позиции ссылки показывают одинаковые элементы. Специально указываем, что согласно стандартной практике в промышленности, различные элементы вычерчены без соблюдения масштаба. Фактически, размеры различных элементов можно произвольно увеличивать или уменьшать для ясности при рассмотрении. Следует понимать, вместе с тем, что прилагаемые фигуры иллюстрируют различные реализации, описанные в данном документе, и не означают ограничения объема различных технологий, описанных в данном документе.
[6] На фиг. 1 показан вид сбоку насоса, соединенного с электрическим двигателем, подвешенного в стволе скважины, согласно варианту осуществления изобретения.
[7] На фиг. 2 показана компоновка насоса согласно варианту осуществления изобретения.
[8] На фиг. 3 показан вид сбоку с частичным вырезом компоновки насоса согласно варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[9] В следующем описании приведены многочисленные детали, обеспечивающие понимание нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения. Понятно, что следующее изобретение дает много отличающихся вариантов осуществления или примеров реализации отличающихся элементов различных вариантов исполнения. Конкретные примеры компонентов и устройств описаны ниже для упрощения раскрытия. Указанное, естественно, является только примерами и не накладывает ограничений. В дополнение, в раскрытии могут повторяться одинаковые ссылочные позиции и/или буквы в различных примерах. Данное повторение служит для упрощения и ясности и не диктует само по себе взаимосвязей между различными рассмотренными вариантами осуществления и/или конфигурациями. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что можно применять настоящую систему и методологию изобретения без данных деталей, и что возможны многочисленные вариации или модификации для описанных вариантов осуществления. Данное описание не следует рассматривать ограничивающим, но служащим целям описания общих принципов реализации. Объем описанных вариантов реализации определяют пункты формулы изобретения.
[10] При использовании в данном документе, термины ʺсоединятьʺ, ʺсоединениеʺ, ʺсоединенʺ, ʺв соединении сʺ и ʺсоединяющийʺ применяютcя в значении ʺв прямом соединении сʺ или ʺв соединении посредством одного или нескольких элементовʺ; и термин ʺкомплектʺ применяетcя в значении ʺодин элементʺ или ʺбольше одного элементаʺ. Дополнительно, термины ʺсоединятьʺ, ʺсоединениеʺ, ʺсоединенʺ, ʺсоединены вместеʺ, и ʺсоединен cʺ применяютcя в значении ʺнапрямую соединен вместеʺ или ʺсоединен вместе посредством одного или нескольких элементовʺ. При использовании в данном документе, термины "вверх" и "вниз"; "верхний" и "нижний"; "верх" и "низ"; и другие аналогичные термины, указывающие относительные положения данной точки или элемента, используются для более ясного описания некоторых элементов. Обычно данные термины относятся к опорным точкам на поверхности, от которых начинается проводка скважины, как верхней точки, так и, как самой нижней точки на проектной глубине, при этом скважина (например, ствол скважины) является вертикальной, горизонтальной или наклонной относительно поверхности.
[11] Раскрытие в данном документе в общем включает в себя способ и связанное устройство для установки и извлечения роторного насоса из ствола скважины с оставлением приводного механизма насоса в стволе скважины.
[12] Роторный насос, рассмотренный в данном документе, может являться роторным насосом любого типа, который применяетcя для извлечения скважинных текучих сред, например центробежным насосом, винтовым насосом, лопастным насосом, турбиной, шестеренчатым насосом и т.п. Для рассмотрения ниже в данном документе, принимаем, что роторный насос является винтовым насосом.
[13] Для настоящего рассмотрения термин "приводной механизм" относится к забойной компоновке, которая обеспечивает вращательный привод насоса. Минимально, приводной механизм содержит удлиненный погружной электрический двигатель, и должен обычно также включать в себя один или несколько маслонаполненных защитных устройств двигателя, которые хорошо известны специалисту в данной области техники. Когда винтовой насос применяетcя с погружным электрическим двигателем, шарнирное сочленение, гибкая штанга или узел сочленения можно также применять для обеспечения ограниченного бокового поперечного смещения приводных валов.
[14] Для настоящего рассмотрения термин "фиксирующее устройство" означает любой обычный развертываемый на тросе, кабеле, непрерывной или составной насосной штанге или гибкой насосно-компрессорной трубе посадочный ниппель и/или ловильный инструмент, который имеет контактные элементы, крюки, плашки ловильного инструмента, фиксаторы или т.п., которые разъемно соединяются с наружным выступом расположенном на насосе или связанным с ним, или с внутренней выемкой, расположенной на насосе или связанной с ним.
[15] На фиг. 1 показана система 20 электрического погружного насоса, развертываемая в скважине 28. Погружная насосная система 20 может содержать различные компоненты в зависимости от конкретного варианта или окружающей среды, в которой применяетcя. Показанная насосная система 20 включает в себя насос 22, соединенный с электрическим двигателем 24, и защиту 26 двигателя. Насос 22 может являться роторным насосом. Результирующую осевую нагрузку, например, направленную вниз осевую нагрузку, может нести подшипник 27, показанный на фиг. 1 в защите 26 двигателя. Для ясности, стрелка 10 указывает направление осевой нагрузки вверх и стрелка 12 указывает направление осевой нагрузки вниз. Электрический двигатель 24 может являться двигателем с постоянным магнитом.
[16] Скважина 28 включает в себя ствол 32 скважины, пробуренный в геологический пласт 30, содержащий, например, требуемую промышленную текучую среду 150, такую, как нефть. Ствол 32 скважины может иметь крепление трубной обсадной колонной 34. Перфорации 36 выполнены проходящими через обсадную колонну 34 ствола скважины для обеспечения прохождения потока текучих сред между окружающим пластом 30 и стволом 32 скважины. Погружная насосная система 20 развернута в стволе 32 скважины с помощью системы 38 развертывания, которая может иметь различные конфигурации. Например, система 38 развертывания может содержать насосно-компрессорную трубу 40, например гибкую насосно-компрессорную трубу или эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб, соединенную с погружным насосом 22 соединительным устройством 42. Электропитание может подаваться на погружной двигатель 24 по силовому кабелю 44. Погружной двигатель 24, в свою очередь, приводит в действие погружной насос 22 который может применятьcя для всасывания добываемой текучей среды 150 через прием 46 насоса. Погружной насос 22 подает добываемую среду 150 через, например, насосно-компрессорную трубу 40 на требуемое место сбора, которое может располагаться на земной поверхности 48.
[17] На фиг. 2 показана электрическая погружная насосная система 20, развернутая внутри обсадной колонны 34 вблизи перфораций 36, согласно варианту осуществления изобретения. Погружная насосная система 20 включает в себя винтовой насос (ʺВНʺ) 22, соединенный с двигателем с постоянным магнитом (ʺДПМʺ) 24 и защиту 26 двигателя. ВН 22 установлен внутри насосно-компрессорной трубы 40 и может подниматься из скважины на поверхность без демонтажа связанного приводного механизма. Прием 46 насоса обеспечивает вход скважинной текучей среде в ВН 22. Скважинная текучая среда, перекачиваемая ВН, выкидывается в насосно-компрессорную трубу 40 для подачи на поверхность. Возможный дренажный клапан 52, установленный выше выпуска ВН 22, обеспечивает выкид скважинной текучей среды в насосно-компрессорной трубе 40 в кольцевое пространство между насосно-компрессорной трубой 40 и обсадной колонной 34. ВН установлен выше возможного несущего блока 56, отделяющего ВН 22 от защиты 26 двигателя. Защита 26 двигателя является промежуточным компонентом, установленным между ВН 22 и ДПМ 24. Один или несколько возможных постоянных датчиков 58 мониторинга и/или центратор 60 двигателя можно прикреплять к нижнему концу ДПМ 24. ДПМ 24 принимает электропитание с поверхности по силовому кабелю 44, прикрепленному снаружи насосно-компрессорной трубы 40 одним или несколькими фиксаторами 50 силового кабеля. Удлинитель 54 питающего провода двигателя электрически соединяет силовой кабель 44 с ДПМ 24.
[18] Как показано на фиг. 3, насос 22 содержит стационарный статор 138, в котором вращается геликоидальный ротор 140. Первый или нижний конец ротора 140 включает в себя приводную муфту 142, которая может являться любым соединением обычной трансмиссии, обеспечивающей продольное скольжение или перемещение; вместе с тем, в некоторых вариантах осуществления можно применять шлицевое соединение. Конкретно, конический шлицевой вал 144 проходит от защиты 26 двигателя, или к двигателю 24, который установлен смежно с насосом 22. Данный шлицевой вал 144 принимается в соответствующий конический шлицевой канал 146 в увеличенном конце вала 148, соединенного с ротором 140.
[19] Второй или верхний конец ротора 140 включает в себя фланец 1150, который содержится в кольцевой выемке 152 в кожухе статора насоса 122 или в цилиндрическом адаптере 154, который соединен со вторым или верхним концом насоса 22. Фланец 1150 предотвращает выход ротора 140 из статора 138, когда насос 22 работает и когда насос 22 удаляют из ствола 32 скважины и устанавливают в нем. Фланец приспособлен к перемещению между верхним и нижним ограничителями так, что не трется о любой из них во время нормального вращения. В дополнение, второй или верхний конец ротора 140 может включать в себя снабженную фланцем шейку для взаимодействия с обычным извлекающим или ловильным инструментом, хорошо известную специалисту в данной области техники.
[20] Цилиндрический элемент 156 крышки свинчивается или соединяется на штифтах со вторым или верхним концом насоса 22 или цилиндрическим адаптером 154, и содержит средство, с помощью которого извлекающий инструмент (не показано) может соединяться с насосом 22 для его извлечения из скважины. Элемент 156 крышки может являться любым обычным работающим на тросе или ловильным посадочным патрубком (или стыковочным патрубком) или аналогичный устройством, известным специалисту в данной области техники. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, элемент 156 крышки жестко соединен резьбой, штифтами или сваркой со вторым или верхним концом насоса 22 или цилиндрическим адаптером 154 и включает в себя множество уплотнительных колец 158, которые уплотняются в упор с внутренней поверхностью канала 136 мандрели 134. Элемент 156 крышки также включает в себя кольцевую выемку 160 смежную со вторым или верхним концом элемента 156 крышки, который выполнен с возможностью приема извлекающего инструмента, что описано более подробно ниже.
[21] Для предотвращения продольного перемещения насоса 22 (т.e., вверх и вниз) в мандрели 134 и/или поворота или вращения относительно мандрели 134 предусмотрены удерживающие механизмы в элементе 156 крышки, мандрели 134 и/или насосе 22. Удерживающие механизмы могут являться электрическими, пневматическими, гидравлическими или механическими. В одном варианте осуществления удерживающие механизмы являются срезными штифтами, срезающимися или высвобождающимися посредством продольного перемещения и/или вращения. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, удерживающие механизмы содержат множество подпружиненных контактных элементов или собачек 162, которые удерживаются в выдвинутом положении при соответствующим позиционировании элемента 156 относительно крышки мандрели 134, весом насоса 22 или любым другим хорошо известным и технически возможным способом. Когда собачки 162 установлены в элементе 156 крышки, собачки 162 принимаются в радиально отнесенные отверстия 164 в мандрели 134, и когда собачки установлены в мандрели 134, собачки 162 принимаются в отверстия 164 в элементе 156 крышки. Собачки 162 убираются для обеспечения продольного перемещения и/или вращения насоса 22 по отношению к мандрели 134 посредством любого обычного вращения, работы яссом, продольного перемещения либо вверх или вниз, или любой комбинации указанного, что хорошо известно специалисту в данной области техники.
[22] В альтернативном варианте осуществления собачки 162 применяютcя только для удержания насоса от продольного перемещения 22 относительно мандрели. Удержание насоса 22 от вращения обеспечивает шлиц (не показано) проходящий от наружной поверхности нижней части кожуха насоса, который взаимодействует с одним или несколько шлицами (не показано), включенными в состав или прикрепленными к внутренней поверхности мандрели 134.
[23] Когда погружную насосную систему устанавливают в стволе 32 скважины, всю компоновку насоса соединяют вместе на поверхности земли и затем спускают в ствол 32 скважины на кабеле или колонне 40 насосно-компрессорных труб с силовым кабелем 44 опоясывающим ее снаружи, что хорошо известно специалисту в данной области техники. Если и когда насос 22 подлежит извлечению из скважины, двигатель 24 останавливают, и фиксирующее устройство спускают в ствол 32 скважины на проволочном канате, многожильном кабеле в оплетке, непрерывной или составной насосной штанге или гибкой насосно-компрессорной трубе. Фиксирующее устройство (не показано) принимается в кольцевую выемку 160, и затем с его помощью производят манипуляции для высвобождения удерживающих механизмов. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, только продольное перемещение или перемещение вверх элемента 156 крышки относительно мандрели 134, которая жестко соединена с приводным механизмом насоса, обуславливает убирание собачки 162. Перемещение вверх элемента 156 крышки также вытягивает насос 22 из мандрели 134, и шлицевой вал 144 выводится из шлицевого канала 146. Фиксирующее устройство, элемент 156 крышки и насос 22 все вместе затем извлекают на поверхность. Приводной механизм насоса остается подвешенным в стволе 32 скважины, поскольку мандрель 134 жестко соединена между насосно-компрессорной трубой 40 и защитой 26 двигателя и/или двигателем 28.
[24] Если требуется, вторую защиту 26 двигателя можно жестко соединить со вторым концом ротора 140 насоса шлицевым соединением 142, расположенным между первой и второй защитой 26 двигателя и/или насосом 22, который жестко соединен через мандрель 134 с насосно-компрессорной трубой 40. В данном способе насос 22 и, если необходимо, защиту 26 двигателя можно легко извлекать из ствола скважины, оставляя другие части приводного механизма в стволе 32 скважины.
[25] Когда насос 22 подлежит установке обратно в ствол 32 скважины, фиксирующее устройство вновь разъемно соединяют с элементом 156 крышки и/или насосом 22, и насос 22 спускают в ствол 32 скважины. Нижний конец ротора 140 соединяется с приводной муфтой 142. Данная приводная муфта 142 включает в себя область большего наружного диаметра. При спуске компоновки в ствол скважины, область большего наружного диаметра проходит через продольный канал 136, под которым имеется сужение к части уменьшенного диаметра, которая немного меньше, чем приводная муфта 142. При проходе приводной муфты 142 через сужение, приводная муфта 142 центрируется для обеспечения ее стыковки с шлицевым валом 144. Шлицы на канале 146 и валу 144 являются скошенными, так что относительное перемещение вниз должно обуславливать небольшой поворот шлицов и валов и вход в соединение. При спуске блока далее вниз часть большого диаметра приводной муфты 142 проходит полностью через уменьшенный диаметр и встает на расстоянии от него. Данное обеспечивает приводной муфте требуемые колебания с ротором насоса. Когда канал 146 и вал 144 стыкуются, наружный или вставной шлиц, который соединен со вторым или нижним концом насоса, стыкуется с внутренним шлицом, соединенным с мандрелью 134. Шлицы на канале и нижнем кожухе насоса являются скошенными так, что относительное перемещение вниз должно обуславливать небольшой поворот шлицов и валов и их образование соединения. Ступенька на заплечике 168 входит в контакт с заплечиком 170 и предотвращает дальнейшее перемещение вниз.
[26] При данном способе извлечения и связанном с ним устройстве силовой кабель 44 и любые линии управления (не показано) изолированы от каких-либо движущихся элементов, так что не подвергаются повреждениям, что в некоторых случаях происходит, когда насосы и приводные механизмы удаляют из скважины, поскольку кабель 44 и линия управления расположены снаружи мандрели 134 и колонны 40 насосно-компрессорных труб.
[27] В некоторых вариантах осуществления изобретения система электрического погружного насоса включает в себя масляный компенсатор удлинения, интегрированный с упорным устройством, несущим высокую аксиальную нагрузку от насоса. В некоторых вариантах осуществления изобретения система электрического погружного насоса включает в себя прием насоса, объединенный с блоком гибкого вала. В некоторых вариантах осуществления изобретения, система электрического погружного насоса включает в себя фиксирующее устройство, обеспечивающее извлекающему инструменту соединение с ВН и отсоединение от него. В некоторых вариантах осуществления изобретения датчик может являться любым из следующего: датчик температуры, датчик давления, датчик вибрации, химический датчик.
[28] Хотя только несколько вариантов осуществления изобретения описаны подробно выше, специалисту в данной области техники понятно, что многие модификации являются возможными без существенного отхода от идей данного изобретения. Соответственно, такие модификации включены в объем данного изобретения, определенный в формуле изобретения. Объем изобретения определяется только текстом формулы изобретения, приведенной ниже. Термин "содержащий" в формуле изобретения означает "включающий в себя по меньшей мере", так что указанные перечни элементов в пункте формулы изобретения являются открытой группой. Термины "a", "an" и другие сингулярные термины включают в себя множественные формы, если это специально не исключено. В формуле изобретения пункты, изложенные как "средство плюс функция" охватывают конструкции, описанные в данном документе, как выполняющие указанные функции, и не только конструктивные эквиваленты, но также эквивалентные конструкции. Заявителем прямо оговорено отсутствие требования применения 35 U.S.C. 112, paragraph 6 для любых ограничений по любому из пунктов формулы изобретения в данном документе, за исключением тех, где прямо применяются слова ʺсредство дляʺ вместе со связанной функцией.