Установка плунжерная с линейным двигателем
PLUNGER UNIT WITH LINEAR MOTOR

Изобретение относится к насосным устройствам для добычи нефти из глубоких скважин, в частности к погружному насосному устройству возвратно-поступательного действия с трехфазным числовым программным управлением.
Общеизвестны применяемые в настоящее время станки-качалки с колонной штанг и УЭЦН (установки электроцентробежных насосов), работающие на низкодебитных скважинах. Для создания напора 3000 м и более применяют большое количество ступеней и двигатели большой мощности, что увеличивает стоимость установки и расходы на электроэнергию. При эксплуатации станков-качалок с плунжерными насосами существенным недостатком является удлинение колонны штанг, при этом сокращается полезный объем насоса и тратится энергия на подъем колонны штанг. Случаются обрывы штанг, что останавливает добычу нефти на значительное время, увеличивая издержки и снижая эффективность работы скважины. При установке станка-качалки на скважине для нее строят фундамент или площадку на сваях, что увеличивает затраты. Также отсутствует телеметрия.
Известна погружная насосная установка, которая состоит из подвешенного к насосно-компрессорным трубам вентильного электродвигателя и присоединенного к нему насоса. Вентильный электродвигатель оснащен трубчатым валом с проточным каналом, который соединен с валом насоса шлицевой муфтой, имеющей отверстия в стенке. Отверстия сообщают выход насоса с проточным каналом трубчатого вала, связанным с насосно-компрессорными трубами. Устройством защиты вентильного электродвигателя от скважинной жидкости служит герметичная тонкостенная оболочка на статоре, при этом в корпусе вентильного электродвигателя выполнено отверстие для сообщения его полости со скважиной (патент RU 2687658, МПК F04D 13/10, опубл. 15.05.2019 г.).
3
Недостатком такой установки будет ограничение по ее применению для вязкой нефти с высокой концентрацией механических примесей, невысокий напор и, соответственно, небольшая глубина установки. Для работы на скважинах с большим содержанием попутного газа необходимо устанавливать дополнительные газоотсекатели. Не оптимальна работа на малых дебитах до 30 м в день.
Известна погружная бесштанговая насосная установка (патент RU 2669418, МПК F04B 47/00, опубл. 11.10.2018 г.), которая содержит плунжерный насос (ПН) с плунжером, всасывающим клапаном, нагнетательным клапаном и погружной линейный электродвигатель (ЛПЭД), включающий статор и головку возвратно-поступательного действия (слайдер). Статор установлен внутри корпуса ЛПЭД и состоит из цилиндра статора, из периодически установленных на цилиндре индукционных катушек (ИК) фаз А, В, С и сердечников, образующих зубья магнитопровода. ИК распределены по всей длине статора, образуя три фазные обмотки А, В, С, которые в конце соединены в «звезду». Сердечники выполнены в виде круглых пластин с функциональными технологическими вырубками. К сердечникам по периметру присоединены кольцевые пакеты, образующие ярмо магнитопровода. При этом пластины сердечников и ярма магнитопровода устанавливаются ориентированными вдоль направления силовых линий магнитного потока ИК. ИК и сердечники распределены по длине статора на группы (модули). Модули по торцам закрыты торцевыми крышками. Между крышками и соединением с торцевыми крышками установлены стальные патрубки, на которых коаксиально установлены опорные втулки, образующие опорные поверхности скольжения слайдера. Для заполнения трансформаторным маслом и размещения сросток фазных обмоток модулей образованы межмодульные полости. Слайдер содержит последовательно установленные на валу аксиально намагниченные постоянные магниты и магнитопроводящие сердечники. На валу слайдера установлены постоянные магниты и магнитопроводящие сердечники и дополнительно периодически вставлены шайбы. Магниты и сердечники фиксируются на стальном валу торцевыми муфтами. К корпусу ЛПЭД присоединена головка токоввода с ниппелем для подвески насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). В головке токоввода выполнены канал для подачи добываемой жидкости от плунжерного насоса через полый вал слайдера в НКТ и разъем для соединения концов фазных обмоток ЛЭД с муфтой кабельного ввода питающего кабеля, а также выполнен верхний масляный клапан для закачки трансформаторного масла в межмодульные полости статора. В нижней части статора установлен нижний масляный стравливающий клапан. На приеме плунжерного насоса установлен фильтр для защиты от механических примесей.
Недостатком такой конструкции будет низкий коэффициент заполнения цилиндра насоса. Известный насос - плунжерный насос традиционной конструкции с подвижным плунжером и отверстиями для входа жидкости в нижней трубе корпуса насоса. При таком расположении входных отверстий нет отсекания газа, поэтому жидкость, проходя через них, будет увлекать за собой газ. Газ, попав в цилиндр, при рабочем ходе сжимается и не дает плунжеру выдавить весь объем цилиндра. При ходе плунжера вниз газ разжимается и уменьшает объем поступающей в цилиндр жидкости. Слайдер проходного сечения уменьшит размеры магнитов и, соответственно, максимальное тяговое усилие линейного двигателя, что ограничит диапазон применения установки.
Известно погружное насосное устройство возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением, содержащее сетчатую трубу, привод и насос, при этом все устройство предназначено для установки в подземном нефтяном пласте, привод состоит из статора и головки возвратно-поступательного действия со стальными сердечниками внутри статора, статор и головка формируют фрикционное соединение посредством опорных направляющих и стальных сердечников головки. При наличии воздухонепроницаемой полости верхний конец статора соединен с нижним концом насоса через сетчатую трубу, насос соединен с нефтяной трубой, нижний конец статора последовательно соединен с балансировочной сетчатой трубой, концевой пробкой и концевой соединительной муфтой (патент ЕА 009268, МПК F04B 47/00, опубл. 28.12.2007). Принято за прототип.
Недостатком такой конструкции является наличие холостого хода при ходе вниз слайдера и соединенного с ним через шток плунжера. При ходе плунжера вниз происходит заполнение цилиндра насоса, но объем жидкости внутри корпуса небольшой, 2/3 объема жидкости поступает снаружи корпуса, захватывая с собой попутный газ и механические примеси. Газ, попадая в цилиндр при рабочем ходе плунжера, сжимается и существенно снижает коэффициент наполнения насоса, снижая эффективность работы всей установки, а механические примеси значительно ускоряют износ цилиндра и плунжера, увеличивая утечки, и также снижают эффективность работы насоса. Отсутствие гидрокомпенсатора, выравнивающего давление внутри и снаружи установки, значительно увеличивает риск протечки жидкости внутрь двигателя, короткого замыкания и выхода установки из строя.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание лишенной недостатков аналогов установки плунжерной с линейным двигателем (УПЛД) для поднятия скважинной жидкости (нефть, вода и др.) на поверхность, с повышенной энергоэффективностью, более высоким КПД и увеличенным дебитом.
Технический результат - возможность установки УПЛД на большую глубину с увеличением ее производительности и отделением попутного газа.
Проблема решается, а технический результат достигается погружным насосным устройством возвратно-поступательного действия, содержащим привод и насос, при этом все устройство предназначено для установки в подземном нефтяном пласте, привод состоит из статора и головки возвратно-поступательного действия со стальными сердечниками, статор и головка формируют фрикционное соединение посредством опорных направляющих и стальных сердечников головки, при этом насос соединен с насосно-компрессорной трубой. В отличие от прототипа привод выполнен в виде линейного погружного электродвигателя, который включает последовательно соединенные верхнюю головку статора с колодкой токоввода, через которую электродвигатель подключен к электропитанию, и заполненный маслом статор, состоящий из магнитопроводов с катушками, находящимися в корпусе статора, в негерметичном внутреннем пространстве которого расположена также головка возвратно-поступательного действия электродвигателя - слайдер, который через верхнюю головку статора соединен с нижним концом корпуса плунжерного насоса, включающего две плунжерные пары, установленные на одной оси последовательно друг за другом, каждая пара состоит из плунжера и подвижного цилиндра, нижнего большого и верхнего малого, соединенных между собой последовательно друг за другом соединительной втулкой, причем нижний большой цилиндр соединен снизу через шток с верхним наконечником слайдера, а плунжеры последовательно соединены и установлены друг за другом в верхней части насоса, в которой над плунжером верхнего малого цилиндра также расположен блок нагнетательных клапанов, соединенный с верхним концом плунжера, и с указанным плунжером снизу через разделительный клапан соединен плунжер нижнего большого цилиндра, причем в месте соединения плунжеров большого и малого цилиндров установлен разделительный клапан малого цилиндра, кроме этого, для входа скважинной жидкости в верхней наружной части корпуса насоса предусмотрены отверстия, а в нижней части большого цилиндра выполнены отверстия и установлен всасывающий клапан.
В частных случаях выполнения:
- в самой нижней точке корпуса насоса установлена пескоотделительная гильза в виде тройной цанги с лепестками, имеющими возможность скольжения по толкателю штока подвижного большого цилиндра;
- опорные направляющие выполнены в виде подшипников скольжения;
- линейный погружной электродвигатель соединен с удлинителем 2А габарита;
- устройство содержит гидрокомпенсатор и погружной блок телеметрии;
- электродвигатель через нижний конец статора и удлинитель для выхода слайдера последовательно соединен с гидрокомпенсатором и погружным блоком телеметрии;
- гидрокомпенсатор и погружной блок телеметрии выполнены проходными и закреплены снизу к статору;
- гидрокомпенсатор и погружной блок телеметрии выполнены не проходными и установлены ниже патрубка для выхода слайдера.
Технический результат достигается следующим.
Устройство содержит 2-х ходовой насос, что обеспечивает подачу жидкости как при ходе вверх, так и при ходе вниз, и увеличивает дебит в 2 раза по сравнению с одноходовым насосом (при использовании одноходового насоса подъем жидкости происходит только при ходе слайдера вверх, ход вниз холостой) при одинаковой мощности погружного линейного электродвигателя (ЛПЭД), что значительно повышает диапазон применения УПЛД, ее эффективность и снижает удельный расход энергии (затраты энергии на тонну поднятой жидкости).
Насос состоит из 2-х плунжерных пар плунжер-цилиндр, которые установлены на одной оси последовательно друг за другом, цилиндры соединены между собой. При ходе слайдера вверх перемещается как большой, так и малый цилиндр, соединенные через шток со слайдером, при этом жидкость из большого цилиндра одновременно подается в НКТ (насосно-компрессорную трубу) и в раскрывающийся второй малый цилиндр, причем  объема подается в НКТ и  во второй цилиндр. Разделение подачи от большого цилиндра снижает усилие, необходимое для работы насоса, повышая эффективность и КПД линейного двигателя.
При ходе слайдера вниз оба цилиндра перемещаются, а разделяющий клапан, установленный на входе во второй малый цилиндр, закрывается, обеспечивая подачу жидкости из этого цилиндра в колонну НКТ. Усилие ЛПЭД (линейного погружного электродвигателя) при этом совпадает с усилием при ходе вверх. При этом всасывающий клапан нижнего большого цилиндра открывается, и жидкость из внутренней полости насоса перетекает внутрь большого цилиндра. Далее рабочий цикл повторяется. Благодаря разделению рабочего цикла на ход вверх и вниз в 2 раза снижается требуемое усилие линейного двигателя в сравнении с одноходовым насосом (при одинаковом диаметре насоса), что позволяет увеличить глубину установки насоса. При сохранении усилия заявляемый насос в 2 раза увеличивает дебит в сравнении с одноходовым насосом, что повышает эффективность всей установки и делает ее более конкурентноспособной.
Осуществлен перенос входных отверстий для скважинной жидкости в верхнюю часть корпуса насоса, а входных отверстий в цилиндр насоса вниз (более легкий газ уходит вверх, не попадая в полость насоса - гравитационный газоотделитель). Таким образом, обеспечивается отделение попутного газа, что позволяет применять УПЛД в скважинах с большим содержанием газа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана заявляемая установка в частном случае выполнения. На рисунке обозначено:
1 - плунжерный насос (ПН)
2 - линейный погружной электродвигатель (ЛПЭД)
3 - гидрокомпенсатор
4 - погружной блок телеметрии
5 - маслонаполненный статор
6 - головка возвратно-поступательного действия (слайдер) электродвигателя 2
7 - верхняя головка статора
8 - шток цилиндров ПН
9 - нижний патрубок корпуса ПН
10- подвижный верхний малый цилиндр ПН
11 - колодка токоввода
12 - катушки магнитопровода
13 - дисковые сердечники статора
14 - верхний наконечник головки 6 (слайдера)
15 - пробка для заполнения статора маслом
16 - клапан для стравливания масла
17 - корпус ПН
18 - плунжер верхнего малого цилиндра
19 - всасывающая клапанная пара
20 - нагнетательные клапанные пары
21 - пескоотделительная гильза
22 - подшипники скольжения
23 - разделяющий клапан верхнего малого цилиндра
24 - плунжер нижнего большого цилиндра
25 - подвижный нижний большой цилиндр
А - отверстия, через которые происходит вход скважинной жидкости внутрь корпуса ПН
Б - отверстия для подачи скважинной жидкости в большой цилиндр ПН
В - полость, в которой происходит оседание механических примесей и выпуск их наружу корпуса пескоотделительной гильзой 21.
Г - объем, вытесняемый большим цилиндром
Д - объем, вытесняемый малым цилиндром.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство предназначено для установки в нефтяной скважине.
Привод устройства - линейный погружной электродвигатель 2 включает в себя последовательно соединенные верхнюю головку 7 статора с колодкой токоввода 11, статор 5, состоящий из магнитопроводов с катушками 12, находящимися в заполненном маслом корпусе статора 5, головку возвратно-поступательного действия (слайдер) 6, находящуюся в негерметичном внутреннем пространстве статора 5. Снизу двигатель 2 последовательно соединен с гидрокомпенсатором 3 и погружным блоком телеметрии 4 (ТМС) через патрубок для выхода слайдера или без патрубка при соединении гидрокомпенсатора 3 и погружного блока 4 (ТМС) проходного сечения (как на схеме). Гидрокомпенсатор 3 и клапан 16 в головке ЛПЭД 2 служит для выравнивания давления в статоре и внешнего давления (так как УПЛД работает в пластовых условиях с высоким внешним давлением до 400 атмосфер), а также стравливания масла наружу при его расширении под воздействием температуры. Погружной блок 4 ТМС подключен к 0 точке катушек статора и передает по кабелю питания данные о температуре, давлении и вибрации на станцию управления (не показана).
Станция управления подает управляющие импульсы по 3-х жильному кабелю и кабельный удлинитель на УПЛД. Электрический ток, проходя по катушкам статора, взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов слайдера и перемещает его. Слайдер 6 соединен через верхний наконечник 14 со штоком 8 цилиндра 25 и передает движения большому 25 и малому 10 цилиндрам плунжерного насоса 1. Головка возвратно-поступательного действия (слайдер 6) линейного двигателя совершает поступательные движения. Цилиндры 10 и 25, перемещаясь через систему клапанов, обеспечивают подачу жидкости из скважины в насосно-компрессорную трубу, по которой она поднимается на поверхность. Станция управления регулирует работу УПЛД и позволяет без остановки работы изменять все параметры с отображением скважинных данных с погружного блока телеметрии.
Статор 5 состоит из секций, установленных неподвижно в корпусе двигателя. Секции статора собраны из чередующихся дисковых сердечников 13 и катушек 12 магнитопровода. Катушки магнитопровода подключены последовательно и образуют три отдельных группы. Верхние группы катушек подключены к контактам колодки 11 токоввода. Снизу группы катушек соединены друг с другом и образуют 0 точку. Катушки магнитопровода герметично заизолированы от внешней среды и находятся в масле. Слайдер 6 состоит из наконечника 14, имеющего возможность соединения сверху со штоком 8, и чередующихся постоянных магнитов и магнитопроводящих колец. В верхней головке статора располагается токоввод для подключения 3-х фазного тока через кабельный удлинитель (например, 2А габарита), пробка 15 для заполнения статора маслом, клапан 16 для стравливания масла.
Статор и слайдер формируют фрикционное соединение через подшипники скольжения 22 и стальные сердечники слайдера. ЛПЭД 2 соединен с нижним патрубком 9 корпуса насоса 1 через верхнюю головку 7 статора, слайдер 6 электродвигателя соединен со штоком 8 цилиндров насоса 1. При линейных перемещениях слайдера двигаются и оба подвижных цилиндра большой 25 и малый 10. При ходе вверх всасывающий клапан пары 19 закрывается, а разделяющий клапан 23 открывается, как и нагнетательные клапаны 20. Разделяющий клапан установлен в месте соединения плунжеров большого и малого цилиндра, при перемещении слайдера двигателя перемещаются и оба цилиндра насоса, причем при вытеснении жидкости из большого цилиндра (ход слайдера вверх) половина жидкости подается в открывающийся малый цилиндр и вытесняется из него уже при обратном ходе (ход слайдера вниз). Большой цилиндр 25 одновременно подает жидкость (объемом Д) через неподвижные плунжеры 24 и 18 и нагнетательные клапаны пар 20 в колонну НКТ и через открытый клапан 23 в малый цилиндр 10 (объем Г), который при перемещения цилиндра 10 увеличивается в объеме. Жидкость одинаковыми объемами распределяется в цилиндр 10 и в колонну НКТ, с которой насос соединен сверху.
При перемещении слайдера вниз перемещаются и подвижные цилиндры 25 и 10, при этом открывается всасывающий клапан 19, и происходит наполнение большого цилиндра 25 (объем Г) жидкостью из внутренней полости насоса В. Закрывается разделяющий клапан 23, и малый цилиндр 10 подает жидкость из полости Д через плунжер малого цилиндра и нагнетательные клапаны пар 20 в колонну НКТ.
Благодаря подаче жидкости при ходе слайдера вверх и вниз при одновременном уменьшении объема подаваемой жидкости в 2 раза снижается усилие, требуемое для работы насоса, в сравнении с одноходовым насосом. При одинаковом тяговом усилии линейного двигателя 2-х ходовой насос обеспечивает подачу в 2 раза большего объема жидкости, чем одноходовой насос.
Вход скважинной жидкости внутрь корпуса происходит в верхней части насоса (отверстия А), а вход скважинной жидкости в цилиндр насоса через отверстия Б и клапанные пары 19. Более легкий газ уходит вверх и не попадает во внутреннюю полость корпуса насоса.
Данное решение обеспечивает лучшее наполнение цилиндра и дает возможность работы в скважинах с большим содержанием газа более 50% и высокой концентрации механических примесей более 1,3 г/литр, благодаря гравитационному газоотделению и пескоотделительной гильзе, которая отделяет примеси из полости всасывания насоса. С наружной стороны насосного цилиндра 10 расположен корпус 17 насоса 1, внутри корпуса формируется полость В, в которой происходит оседание механических примесей и выпуск их наружу корпуса пескоотделительной гильзой 21. Пескоотделительная гильза может быть в виде цанги с лепестками или в виде втулки.
3
Применение установки плунжерной с линейным двигателем (УПЛД) позволяет добывать нефть в скважинах, имеющих отклонения от вертикали более 60°, в том числе горизонтальных, при значительно меньших затратах на электроэнергию (т.к. нет колонны штанг) и низких капитальных вложениях, так как на поверхности земли нет громоздкого оборудования (станков-качалок), отсутствует необходимость в строительстве фундаментов под них. УПЛД делает возможным добычу нефти на глубинах более 3000 метров с высокой эффективностью, что при существующих способах добычи (электроцентробежные насосы, станки-качалки) очень затруднительно и не эффективно (высокие затраты). Наиболее эффективно применение УПЛД на малодебитных скважинах с дебитом до 30 м, т.к. применение на таких скважинах УЭЦН приводит к работе в режиме накопления, а применение станков-качалок нежелательно из-за отсутствия системы телеметрии и сложности изменения режимов работы (требуется остановка добычи). УПЛД оснащается системой телеметрии, которая получает данные с погружного блока в режиме реального времени и передает данные на станцию управления для подбора оптимальных режимов работы всей установки.
Примененные технические решения значительно повышают эффективность работы УПЛД, повышают производительность и снижают удельный расход электроэнергии, что позволяет эксплуатировать УПЛД в скважинах с большим дебитом нефти и осложненными условиями добычи.