ЭЛЕКТРОГИДРООБЪЁМНАЯ ГЛУБИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
ELECTRIC HYDROSTATIC WELL PUMP AGGREGATE FOR OIL PRODUCTION

Предлагаемое изобретение относится к насосным установкам (качалкам), предназначенным для подъема жидкостей с больших глубин, например нефти, при эксплуатации всевозможных скважин, в частности малодебитных скважин с осложненными характеристиками нефтяного пласта.
Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат по патенту №2116512, далее агрегат, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос (плунжерный гидроцилиндр) с всасывающим и нагнетательным клапанами, отличающийся тем, что снабжен гидродвигателем возвратно-поступательного действия, причем гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, штоки плунжеров соединены друг с другом, полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель с входом и выходом приводного насоса, всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса, цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой нефти, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема и соединенным с входом приводного насоса. Выход приводного насоса, т.е. линия высокого давления, поочередно соединяется с поршневой или штоковой полостями гидродвигателя посредством распределителя с механическим переключателем, связанным с плунжером гидродвигателя.
Агрегат имеет регулятор расхода рабочей жидкости, который снабжен управляющим механизмом. Кроме того, регулятор может быть снабжен шаговым гидравлическим или электромагнитным приводом, управляемым с поверхности, что позволяет изменять подачу добываемой жидкости в автоматическом режиме в зависимости от гидростатического давления пласта или в режиме ручного управления с поверхности, что расширяет эксплуатационные возможности агрегата.
Недостатками известного агрегата являются теоретическая нецелесообразность применения регулятора расхода для регулирования скорости всасывающих (нефть) ходов плунжера рабочего насоса, естественно, сложность гидравлической принципиальной схемы агрегата в целом за счет применения регулятора расхода с управляющим дистанционно с поверхности механизмом, а также практическая невозможность его размещения вместе с механизмом управления в ограниченном пространстве герметичной капсулы, внутренний диаметр которой для глубин более 1,5 км, на которых должен эксплуатироваться данный агрегат, не может превышать 92 мм, а наружный - 103 мм.
Если мы проанализируем работу рабочего насоса под действием штока поверхностной качалки, принудительно опускающего поршень рабочего насоса и с такой же скоростью тянущего его вверх, то отметим, что внутрипластовое давление при этом во внимание вообще не принимается. Как не принимается и наличие газов в нефтяном пласту. Что успело «засосаться» в рабочий насос, то и «вытолкнется» в нефтепровод скважины над рабочим насосом и поступит в последствии на поверхность.
При отсутствии внешней силы, воздействующей на плунжер рабочего насоса для его перемещения, таковой является давление рабочей жидкости от приводного насоса, подводимой к полостям гидродвигателя, шток которого кинематически соединен со штоком рабочего насоса. В этом случае скорость «всасывания» нефти штоковой полостью рабочего насоса и одновременно выталкивания нефти из поршневой полости в нефтепровод над рабочим насосом, т.е. скорость перемещения поршня вверх, будет меньше скорости перелива нефти из штоковой полости в поршневую при ходе поршня вниз из-за разности эффективных площадей поршневой и штоковой полостей гидродвигателя, что создает проблему еще большего уменьшения скорости «всасывания» при изменении пластового давления нефти.
В известном агрегате это снижение скорости должен осуществлять регулятор расхода. Но как его настроить, если сигнал будет запаздывать на несколько часов при глубине установки более 1,5 км? Как известно, производительность поверхностно установленной качалки не превышает 20 м куб. в сутки, а объем нефти, находящейся в скважине диаметром 10,3 см и глубиной 1500 м, равен 11-12 м куб. Предварительно настроить скорости можно на стенде с помощью регулятора расхода, а вот как решить задачу её снижения своевременно и на сколько, если пластовое давление нефти постоянно падает? Дистанционно, но именно в контроле этого процесса и своевременном реагировании и заключается проблема.
Поставленная задача в предлагаемом изобретении достигается тем, что насосная установка, содержащая герметичную капсулу с погружным электродвигателем и соединенным с ним приводным многосекционным шестеренным гидронасосом с необходимыми в зависимости от глубины эксплуатации установки рабочим давлением нагнетания и производительностью, гидродвигатель возвратно-поступательного действия, основной шток которого соединен со штоком рабочего насоса, находящегося вне герметичной капсулы и оснащенного всасывающим и напорным клапанами, соответственно, в нижней и верхней крышке корпуса, распределитель с механическим управлением от кулачка, установленного на фальшштоке гидродвигателя, равного диаметра с основным штоком, служащего для подачи рабочей жидкости высокого давления в основную штоковую полость гидродвигателя, при этом в поршне рабочего насоса установлен обратный клапан (клапаны) для совмещения процесса и обеспечения равенства скорости всасывания и нагнетания нефти из пласта, при этом снижение этой скорости происходит автоматически с помощью предохранительно-перепускного клапана, установленного в линии высокого давления фальшштоковой полости гидродвигателя, давление перепуска в которой устанавливается дросселем равным давлению настройки предохранительного клапана, выполненного с учетом глубины установки насосного агрегата в скважине и величины, необходимой для преодоления возникающего вакуума в штоковой полости рабочего насоса при отсутствии пластового давления на этой глубине.
На рисунке 1 представлена принципиальная гидравлическая схема скважинной электронасосной установки гидрообъемного типа действия.
Насосная установка состоит из погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) 1, приводного гидронасоса 2, распределителя 3 с механическим управлением от кулачка 4, установленного на фальшштоке 5 гидродвигателя 6, служащего одновременно трубопроводом для подачи рабочей жидкости от распределителя 3 в штоковую полость 7 гидродвигателя 6. В линии высокого давления 8, питающей основную поршневую полость 9 гидродвигателя 6, установлен клапан предохранительно-переливной с дросселем 10. Шток 11 гидродвигателя 6 соединен со штоком 12 рабочего насоса 13, в крышках которого установлены всасывающие 14 и нагнетательные 15 клапаны, а в поршне 16 - обратные клапаны 17.
Предохранительный клапан 10 предварительно настраивается на давление, обеспечивающее выталкивание нефти на поверхность из глубины установки насосного агрегата, с учетом дополнительного давления, обеспечивающего неразрывность потока нефти, поступающей через проходное сечение всасывающих клапанов 14 в штоковую полость 18 рабочего насоса 13 при падении пластового давления до атмосферного.
Установка работает следующим образом.
Вращение от электродвигателя 1 приводит во вращение приводной гидронасос 2, который создает поток рабочей жидкости высокого давления, поступающий к распределителю 3 с механическим управлением, переключаемого кулачком 4, установленным на фальшштоке 5 гидродвигателя 6. Рабочая жидкость высокого давления поступает через фальшшток 5 в штоковую полость 7 гидродвигателя 6 и приводит в движение его поршень со штоком 11. Шток 11, соединенный со штоком 12 рабочего насоса 13, начинает тащить поршень рабочего насоса вниз, при этом находящаяся в штоковой полости 18 нефть через обратные клапаны 17 начинает перетекать в поршневую полость рабочего насоса 13. Это движение прекращается после переключения кулачком 4 распределителя полостей гидродвигателя 6. Жидкость высокого давления начинает поступать по линии высокого давления 8 в поршневую полость 9 гидродвигателя 6. Шток 11 толкает шток 12 и поршень 16 рабочего насоса 13 начинает выдавливать нефть из насоса через нагнетательные клапаны 15 в нефтепровод и одновременно засасывать её из нефтяного пласта в штоковую полость 18 через всасывающие клапаны 14. За счет предварительной настройки давления срабатывания предохранительного клапана с дросселем 10 устанавливается максимальная скорость перемещения поршня рабочего насоса, которая обеспечивает полное заполнение нефтью при всасывании штоковой полости рабочего насоса без срабатывания предохранительного клапана за счет пластового давления, помогающего процессу всасывания. А если пластовое давление начинает снижаться вплоть до атмосферного, то в штоковой полости рабочего насоса возникнет вакуум из-за возникающего эффекта разрыва потока засасываемой в насос нефти, при этом давление в фальшштоковой полости гидродвигателя начинает расти вплоть до величины настройки предохранительного клапана и равного ему давления перепуска, при этом часть расхода приводного насоса начнет сливаться во внутрь герметичной капсулы, скорость поршня рабочего насоса уменьшится и процесс разрыва потока прекратится. После переключения полостей гидродвигателя по завершению процесса нагнетания нефти в нефтепровод скважины и всасывания в штоковую полость рабочего насоса нефти из пласта поршень рабочего насоса возвращается вниз и в его поршневую полость начинает перетекать нефть из штоковой полости через обратные клапаны.
После срабатывания распределителя процесс нагнетания-всасывания повторяется.