УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОПОГРУЖНОГО ГИДРОПОРШНЕВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может применяться в нефтедобыче.
При добыче нефти из скважин широко применяются общеизвестные погружные установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) и штанговые глубинные плунжерные насосы (УШГН), имеющие наземное и подземное оборудование.
Добыча нефти или пластовой жидкости может производиться фонтанным способом - когда потенциальная энергия самого пласта достаточна для подъема ее на поверхность земли, или, в подавляющем большинстве случаев, механизированным способом - когда для повышения потенциальной энергии и подъема жидкости на верх применяются специальные скважинные глубинные насосные установки, состоящие собственно из насоса, спущенного на глубину скважины под динамический уровень жидкости, и электро, - гидропривода, спущенного вместе с насосом как один единый агрегат, так называемые бесштанговые насосные установки: электроцентробежные установки (УЭЦН) [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.113. Москва «Недра». 1990]; погружные винтовые электронасосы (УЭЦН) [1. С.149]; погружные диафрагменные электронасосы (УЭДН) [1. С.162]; установки гидропоршневых насосов (УГН) [1. C.167].
Все типы установок имеют погружное оборудование и комплект наземного оборудования из понижающего напряжение электросилового маслонаполненного трансформатора с силовым кабелем для электропитания погружного двигателя или дополнительного трубопровода для подачи рабочей жидкости в гидропоршневой двигатель в ту или иную его рабочую полость через золотниковое устройство для совершения возвратно-поступательного движения плунжера гидропоршневого двигателя, соединенного через шток с плунжером насоса и создания давления нагнетания для подъема пластовой жидкости на устье скважины. В первых же трех установках при подаче напряжения по кабелю двигатель вращением вала или колебаниями мембраны насоса тоже передает потенциальную энергию жидкости для подъема на землю. Такими установками оборудованы около 35% скважин эксплуатационного фонда.
Остальные 65% скважин оборудованы глубинными штанговыми насосными установками (УШГН) [1. 53]. Установки УШГН состоят из собственно погружного плунжерного насоса объемного действия и наземного привода - станка-качалки или цепного привода производства Бугульминского механического завода ОАО «Татнефть» [2. Паспорт ПЦ-60-18-3.0-0.5/2.5 ПС или Инструкция по эксплуатации ПЦ-60-18-3.0-0,5/2.5 РЭ]. Для электропитания привода применяется наземный понижающий маслонаполненный трансформатор типа ТМ с силовым кабелем. Для сообщения плунжеру погружного насоса возвратно-поступательного движения к головке балансира или к каретке цепного привода подвешивается многотонная колонна штанг - «звено-паразит» кинематики привода. Таким образом, в погружном насосе создается достаточное давление, необходимое для подъема жидкости на устье скважины по колонне насосно-компрессорных труб, подвешенных в свою очередь к устьевой головке скважины.
Основными недостатками всех типов установок для добычи нефти являются большая металлоемкость и энергоемкость, большие потери энергии на трение, большие внутренние потери добываемой жидкости, большие капитальные затраты на изготовление оборудования, а также на изготовление электрокабеля высокого напряжения (УЭЦН, УЭВН, УЭДН) или создания дополнительного канала подачи рабочей жидкости с земли к погружному гидропоршневому двигателю (УГН), наличие колонны штанг (звено-паразит) (УШГН) для передачи возвратно-поступательного движения от станка-качалки или цепного привода к плунжеру погружного насоса. И это «звено-паразит», не совершая никакой полезной работы, отбирает у УШГН огромную электроэнергию, соразмерную (или даже большую) с энергией для подъема жидкости на поверхность земли. При этом только за счет трения штанг о стенки НКТ и жидкости внутри НКТ и эффекта «взбалчивания» ее теряется дополнительно электроэнергия. С учетом сказанного коэффициент полезного действия (КПД) УШГН очень низок и практически равен 0,07…0,1. Хотя по принципу работы и устройства КПД УШГН должен быть самым высоким по сравнению с другими установками, имеющими следующие значения КПД: УЭЦН ~33,5…52 [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.114. Москва «Недра». 1990]; УЭВН ~38,6…49,8 [1. С.152.]; УЭДН ~35…40 [1. С.163.];
Попытка снижения потерь энергии переходом от привода от станка-качалки или цепи на гидропривод, установленный на устье скважины, смонтированный не посредственно на головке устья или на фундаменте-постаменте горизонтально (на фундаменте от СКН), не может дать реального выигрыша материальных ценностей и энергии, так как «звено-паразит» для передачи возвратно-поступательного движения от плунжера гидропривода к плунжеру погружного гидронасоса остается и отбирает ту же энергию как и в случае УШГН, не совершая никакой полезной работы.
Наиболее близким только по принципу работы собственно насоса, а не по конструкции установки в целом, прототипом предлагаемой установки являются установки гидропоршневых насосов (УГН) [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.167. Москва «Недра». 1990]; использующих потенциальную энергию специально подготовленной на поверхности земли пластовой жидкости и закачиваемой по наземным разводящим трубопроводом и каналу между обсадной колонной и колонной НКТ наземным силовым насосом в погружной гидравлический поршневой двигатель через золотниковое устройство, управляющее направлением возвратно-поступательного движения плунжера двигателя, жестко соединенного с помощью штока с плунжером насоса. Плунжер насоса передает энергию на пластовую жидкость в рабочем объеме насоса и создает давление для подъема ее на землю по НКТ. Затем жидкость поступает в трубопроводы промыслового сбора. Однако эти установки (УГН) имеют очень низкий КПД, требуют тщательной очистки части добытой жидкости от газа, воды и механических примесей с использованием громадных по размеру и по массе, доходящих до 47,5 тонн, наземного оборудования из технологического блока и 7,5 тонн блока управления.
Принцип максимального приближения в УГН двигателя к насосу является наиболее прогрессивным и оптимальным вариантом погружного оборудования, а подготовка части пластовой жидкости на поверхности земли и подача ее в скважину к гидропоршневому двигателю с применением наземных громоздкого оборудования и многокилометровых трубопроводов с помощью силового наземного насоса практически превращается в огромный недостаток установки в целом, многократно перекрывающий ее достоинства.
Задачей предлагаемой полезной модели является вместо существующих различных типов насосных установок, с заменой всего парка их, создание установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН), в которой учтены все положительные достоинства существующих установок и исключены недостатки, отрицательно влияющие на технико-экономические показатели эксплуатации в различных условиях при добыче нефти. При разработке полезной модели осуществлен принцип компоновки подземного погружного насосного агрегата с максимальным приближением двигателя и насоса, а также подачу рабочей жидкости с повышенной потенциальной энергией силовым насосом из подземного бака в гидропоршневой двигатель. Это позволяет резко повысить КПД установки до 80% и более, исключить все дорогостоящие механическое или технологическое оборудование с блоком управления, многокилометровые наземные разводящие трубопроводы и колонны НКТ и штанг.
Технический результат достигается путем разработки, совершенно новой установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН). При этом удается решить главный принцип полезной модели - максимально приблизить исполнительный орган установки - насос с его приводом, а также способ подачи повышенной потенциальной энергии рабочего агента (масла или гидравлической жидкости) в главный двигатель установки с помощью силового погружного насоса (шестеренного, винтового или диафрагменного) с погружным электродвигателем, забирающего рабочий агент (масло или гидравлическая жидкость) из бака между силовым насосом и главным двигателем и подающим под давлением в главный двигатель через золотниковое устройство, управляющее направлением движения плунжера двигателя жестко связанного с плунжером насоса, передающим потенциальную энергию пластовой жидкости, всасываемой через всасывающую головку в цилиндр насоса, для подъема ее по НКТ на поверхность земли. При этом все подземное оборудование между собой жестко закреплено и собрано в единый герметичный погружной агрегат, спускаемый на колонне НКТ, подвешенной к устьевой головке скважины.
Такое конструктивное решение поставленной задачи позволяет достичь следующих технических характеристик установки: коэффициент полезного действия становится равным или более 80%, производительность установки практически любая и покрывает всю потребность в установках при добыче нефти производительностью в интервале от менее 1 до 1400 куб. м. в сутки и выше за счет исключения многотонных колонн штанг или наземного технологического или механического оборудования.
Новым является то, что гидропоршневые насос и двигатель с силовым насосом составляют один подземный единый агрегат, спущенный под динамический уровень жидкости в скважине, что позволяет отказаться от громадных и многотонных двух наземных блоков (УГН) массой до 47,5 и 7,5 т, индивидуальных приводов от цепи и станков - качалок (УШГН) массой до 15 т.
Новым является то, что гидропоршневой двигатель выполнен в подземном варианте как единый герметичный агрегат в составе электрического силового насоса и бака для образования запаса диэлектрического масла или гидравлической рабочей жидкости с целью обеспечения межремонтного периода (МРП) скважины на уровне или значительно выше достигнутой в настоящее время величины.
Новым является то, что силовой насос спущен в скважину под динамический уровень и выполнен в погружном варианте в комплекте с электродвигателем.
Новым является то, что в состав герметичного агрегата включен специальный бак для образования запаса масла или жидкости с возможностью компенсации разницы давлений внутри и вне его, имеющий на всасе силового насоса фильтр для очистки от механических примесей и объем, обеспечивающий длительную бесперебойную работу установки и межремонтный период скважины выше достигнутого в настоящее время уровня.
Новым является то, что установка УЭГПН, выполненная как единый агрегат, позволяет исключить «звено-паразит» - многотонную колонну штанг у УШГН и УГН, а также дополнительную колонну НКТ для организации канала для подачи рабочей жидкости к двигателю УГН, что позволяет резко сократить потребляемую электроэнергию и довести КПД установки выше 80 процентов, резко снизить металлоемкость и увеличить МРП скважины из-за отсутствия трения между штангами и НКТ, износа и выхода из строя их.
Новым является то, что шток, соединяющий плунжеры насоса и двигателя уплотняется сальниковым или другим уплотнительным устройством, что позволяет резко увеличить срок службы погружного электродвигателя силового насоса и установки в целом.
Новым является то, что в предлагаемой полезной модели можно для повышения срока службы электродвигателя силового насоса и установки в целом внутреннею полость двигателя ПЭД залить диэлектрическим маслом, уплотнив конец вала его уплотнительным узлом, а в бак - масло или гидравлическую жидкость, обычно применяемая в ГПД общепромышленного назначения.
Новым является то, что в новой установке отсутствует разводящие от наземного технологического блока многокилометровые и многотонные трубопроводы, подающие очищенную фильтрами пластовую жидкость к гидропоршневому двигателю ГПН в скважине.
Конструкция погружного оборудования предлагаемого технического решения представлена на фигуре.
Установка электропогружного гидропоршневого насоса состоит из наземного электрического оборудования и подземного насосного агрегата, состоящего из двигателя - герметичного гидропоршневого двигателя с силовым насосным агрегатом с приводом из маслонаполненного погружного электродвигателя (ПЭД) 1, имеющего возможность для выравнивания давлений внутри и за его корпусом и компенсации утечек масла и силового насоса 2 (шестеренного, винтового или диафрагменного), бака 3, выполненного из трубы, с пеногасителем и возможностью выравнивания давлений внутри и за стенкой его и с запасом масла (гидравлической жидкости), гидропоршневого двигателя 6, снабженного золотниковым устройством 5 и напорным трубопроводом 4 для соединения напорной линии силового насоса 2 с золотниковым устройством 5. Шток 7, проходящий внутри всасывающей головки насоса с фильтром 9, уплотнен на выходе из корпуса двигателя 6 с сальниковым устройством 8 и жестко соединен с плунжером 11, включающим всасывающий клапан, гидропоршневого насоса 10. В головке гидропоршневого насоса 10, размещен нагнетательный клапан 12, с возможностью выхода откачиваемой пластовой жидкости в колонну насосно-компрессорных труб 14 и далее на поверхности земли. Силовой кабель 13, крепится к корпусу агрегата и НКТ с помощью поясков 15 и поднимается от токоввода ПЭД к устью скважены.
Предполагаемая полезная модель работает следующим образом. При подаче электроэнергии под необходимым напряжением по силовому кабелю 13 двигатель 1 начинает вращать шестерни, винт или колебать диафрагму силового насоса 2, который засасывает через фильтр масло (жидкость) из бака 3 и под напором подает по трубопроводу 4 через золотниковое устройство 5 в нижнюю рабочую полость цилиндра ГПД 6. Под давлением масла плунжер двигателя 6 передает движение наверх через шток 7 к плунжеру 11 насоса 10 с одновременным сливом масла (жидкости) из верхней рабочей полости двигателя в бак 3. При этом под действием давления нагнетательный клапан 12 открывается, а всасывающий клапан плунжера ГПН 11 закрывается, и жидкость поступает в НКТ. При достижении плунжером 11 насоса 10 верхней мертвой точки золотниковое устройство 5 переправляет поток масла под давлением в верхнюю рабочую полость цилиндра двигателя 6 с одновременным сливом масла из нижней рабочей полости двигателя 6. Тогда под давлением масла от насоса 2 плунжер двигателя 6 со штоком 7 и плунжером 11 насоса 10 начинает двигаться вниз с одновременным сливом масла (жидкости) из нижней рабочей полости двигателя в бак 3. При этом клапан 12 закрывается, а всасывающий клапан плунжера насоса открывается, и пластовая жидкость из всасывающей головки с фильтром 9 поступает в рабочую полость насоса и так далее. Описанный процесс циклически повторяется. При этом производительность насоса находится в пропорциональной зависимости от диаметра плунжера насоса, длины хода и частоты двойных ходов, величина которой в свою очередь зависит от регулируемой скорости закачки масла в рабочие полости двигателя.
Таким образом, УЭГПН обеспечивает откачку пластовой жидкости со скважин практически с любым дебитом (от минимального до максимального значения). При этом достигается максимальный КПД свыше 80%. Установки позволяют резко сократить капитальные и эксплуатационные затраты, заменяют все существующие типы установок для добычи нефти и сокращают номенклатуру выпускаемых изделий до минимума.
Предлагаемое техническое решение можно применить на нефтепромыслах нашей страны, ближнего и дальнего зарубежья. При этом до разработки документации и начала серийного выпуска установок с оптимальными параметрами можно осуществить ее компоновку следующим образом: в качестве силового насоса применить диафрагменные насосы типа УЭДН или винтовые насосные установки типа УЭВН+бак для масла или жидкости+подземная часть гидропоршневой насосной установки, спущенных на колонне НКТ и подвешенных на устьевой арматуре скважины. Например: УЭДН5-10-10[1.С.163]+бак+ГН59-89-25-25[1.С.174] или УЭВН5-25-1000[1С.156]+бак+ГН59-89-25-25[1.C.174] с применением некоторых видоизмененных, доработанных или адаптированных соединительных деталей и узлов. При этом КПД установки будет не на много ниже вышеописанной, но значительно выше, чем у традиционных установок. Поэтому все же лучше произвести разработку, изготовления и испытания, опытных образцов УЭГПН и начать серийный выпуск и внедрение их.