ШТАНГОВЫЙ НАСОС С МАГНИТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ПРОБОК
MAGNETIC ANTI-GAS LOCK ROD PUMP

Ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной патентной заявки US 61/940667, зарегистрированной 17 февраля 2014 г. и целиком включенной в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к скважинным насосным установкам с возвратно-поступательным движением и, в частности, к нагнетательным и всасывающим клапанам, отталкивающим друг друга вследствие намагничивания.
Уровень техники
Штанговые насосы обычно используются в нефтяных скважинах для выкачивания скважинного флюида. Типичный штанговый насос крепится к колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), спускаемой в скважину. Насос содержит цилиндр с плунжером, перемещающимся внутри этого цилиндра, обычно с помощью колонны насосных штанг, простирающейся до расположенного на поверхности механизма, сообщающего движение. Нагнетательный (подвижный) клапан монтируется на плунжере, а всасывающий (неподвижный) клапан - на цилиндре под плунжером.
Во время рабочего хода вверх скважинный флюид, вошедший в плунжер, поднимается вверх по колонне НКТ. Во время рабочего хода вверх нагнетательный клапан находится в положении закрытия, а всасывающий клапан открывается и дает возможность скважинному флюиду войти в цилиндр. Во время рабочего хода вниз всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан переходит в положение открытия, что позволяет скважинному флюиду, поступившему в цилиндр, войти в плунжер.
Наряду с жидким флюидом, в некоторых скважинах присутствует газ. Если скважинный флюид, втекающий в цилиндр, содержит газ, то плунжер будет стремиться сжать этот газ во время рабочего хода вниз. Сжатие газа может привести к тому, что жидкости в цилиндре окажется недостаточно для перевода нагнетательного клапана обратно в положение открытия во время рабочего хода вниз. Как следствие, в насосе может возникнуть газовая пробка, что приведет к срыву подачи насосом жидкости в направлении устья скважины.
Раскрытие изобретения
Предлагаемая в настоящем изобретении скважинная насосная установка содержит цилиндр с осью (осевой линией) и выполнена с возможностью подвешивания в скважине. Седло всасывающего клапана смонтировано в цилиндре. Всасывающий клапан (запорный элемент) располагается на седле всасывающего клапана и может перемещаться относительно этого седла между положениями открытия и закрытия. Плунжер располагается внутри цилиндра, совершая возвратно-поступательное движение в осевом направлении. На нижнем конце плунжера смонтировано седло нагнетательного клапана. Нагнетательный клапан располагается на седле нагнетательного клапана и может перемещаться относительно этого седла между положениями открытия и закрытия. Магнитное поле, взаимодействующее с нагнетательным клапаном, толкает его в положение открытия, когда плунжер приближается к нижней точке своего рабочего хода.
В представленном варианте осуществления настоящего изобретения магнитное поле частично создается подвижным магнитом, которым снабжен нагнетательный клапан для его перемещения. Магнитное поле также создается неподвижным магнитом, которым снабжен цилиндр, расположенным под подвижным магнитом. Подвижный и неподвижный магниты имеют такие полярности, что они отталкивают друг друга, вследствие чего нагнетательный клапан совершает подъем от своего седла, когда подвижный магнит приближается к неподвижному магниту.
В представленном варианте осуществления настоящего изобретения нагнетательный клапан содержит головку и шток, простирающийся вниз от головки сквозь отверстие в седле нагнетательного клапана в положении закрытия. Шток содержит подвижный магнит, определяющий (создающий) часть магнитного поля. Один полюс магнита находится на нижнем конце штока, а противоположный полюс - на верхнем. Седло нагнетательного клапана выполнено из немагнитного материала.
В представленном варианте осуществления настоящего изобретения шток простирается вниз от головки сквозь отверстие в седле нагнетательного клапана. Головка располагается на верхней стороне седла нагнетательного клапана и перекрывает отверстие в положении закрытия. Наружный диаметр штока меньше внутреннего диаметра отверстия, что позволяет скважинному флюиду проходить сквозь отверстие в кольцевое пространство вокруг штока, когда нагнетательный клапан находится в положении открытия.
Всасывающий клапан тоже может содержать головку и шток. Шток всасывающего клапана простирается вниз от его головки сквозь отверстие в седле всасывающего клапана. В положении закрытия всасывающего клапана его головка располагается на верхней стороне его седла. Седло всасывающего клапана тоже выполнено из немагнитного материала. В представленном варианте осуществления настоящего изобретения шток всасывающего клапана содержит неподвижный магнит, у которого один полюс находится на нижнем конце штока, а противоположный полюс - у головки всасывающего клапана. Полярность неподвижного магнита у головки всасывающего клапана такова, что он отталкивает подвижный магнит. Шток всасывающего клапана, находящийся в отверстии в седле всасывающего клапана, окружен кольцевым пространством, образованным во всасывающем клапане. Когда всасывающий клапан находится в положении открытия, скважинный флюид проходит через это кольцевое пространство. В положении закрытия всасывающего клапана кольцевое пространство перекрывается головкой клапана.
Краткое описание чертежей
Для получения более детального представления об отличительных признаках, преимуществах и целях настоящего изобретения и прочих его особенностях, которые станут очевидными, ниже приведено более подробное описание изобретения, кратко описанного выше, в котором представлен вариант осуществления изобретения, иллюстрируемый приложенными чертежами, образующими часть настоящей заявки. Следует, однако, отметить, что эти чертежи иллюстрируют только один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, поскольку изобретение допускает реализацию и других, в равной степени эффективных, вариантов осуществления. На чертежах показано:
фиг. 1 - схематическое изображение (вид сбоку) штанговой насосной установки, установленной в скважине и соответствующей настоящему изобретению,
фиг. 2 - увеличенное изображение в разрезе нагнетательного клапана насосной установки, показанной на фиг. 1,
фиг. 3 - увеличенное изображение в разрезе всасывающего клапана насосной установки, показанной на фиг. 1,
фиг. 4 - вид в разрезе насосной установки, показанной на фиг. 1, с плунжером, находящемся в верхней точке рабочего хода,
фиг. 5 - вид в разрезе насосной установки, показанной на фиг. 1, с плунжером, совершающим рабочий ход вниз в цилиндре,
фиг. 6 - вид в разрезе насосной установки, показанной на фиг. 1, с плунжером, совершающим рабочий ход вверх.
Подробное описание изобретения
Способы и системы, предлагаемые в настоящем изобретении, более подробно описываются ниже со ссылками на приложенные чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Эти способы и системы могут быть реализованы во многих разных формах и не должны рассматриваться как ограничивающиеся вариантами осуществления, описанными и проиллюстрированными в настоящей заявке; скорее, эти варианты осуществления обеспечивают детализацию и полноту представления изобретения, позволяющего донести его в полном объеме до сведения специалистов в данной области. Одинаковые численные ссылочные обозначения везде относятся к одинаковым элементам.
Следует, далее, иметь в виду, что объем настоящего изобретения не ограничивается описанными или показанными точными деталями конструкции, работы, конкретными материалами или вариантами осуществления, поскольку специалистам в данной области будут очевидны возможные модификации и эквивалентные варианты осуществления. Варианты осуществления изобретения, представленные на чертежах и в описании, являются иллюстративными и, несмотря на употребление специальных терминов, используются лишь в обобщенном и описательном смысле, а не с целями ограничения.
На фиг. 1 показана скважина 11, содержащая обсадную колонну 13 с отверстиями, например перфорационными отверстиями 14, обеспечивающими поступление скважинного флюида. Насосная установка 15 опирается на эксплуатационную колонну НКТ 17, простирающуюся в скважину 11. В альтернативном варианте осуществления насосная установка 15 может поддерживаться другим конструктивным элементом, например колонной гибких насосно-компрессорных труб (ГНКТ).
Насосная установка 15 относится к установкам штангового типа и содержит цилиндр 19, который крепится к нижнему концу колонны НКТ 17. Цилиндр 19 представляет собой трубчатый элемент, имеющий отверстие с полированной поверхностью. На нижнем конце цилиндра 19 расположено седло 21 всасывающего клапана. Всасывающий клапан 23 расположен на седле 21 и перемещается относительно него в осевом направлении между положениями открытия и закрытия.
Плунжер 25 находится в плотном контакте с цилиндром 19 и совершает рабочий ход между верхним и нижним положениями, обеспечиваемый системой подъема, например колонной насосных штанг 27. Плунжер 25 содержит седло 29 нагнетательного клапана, которое движется вместе с плунжером 25.
Нагнетательный клапан 31 расположен на седле 29 и может перемещаться относительно него в осевом направлении между положениями открытия и закрытия.
Устьевое оборудование 33 скважины располагается у верхнего конца обсадной колонны 13 и поддерживает эксплуатационную колонну НКТ 17. Насосная штанга 27 проходит с уплотнением сквозь устьевое оборудование 33 к механизму, сообщающему движение этой штанге, например к станку-качалке 35. Выкидная линия 37 соединена с устьевым оборудованием 33. Когда станок-качалка 35 поднимает насосную штангу 27 и плунжер 25, нагнетательный клапан 31 закрывается, а плунжер 25 поднимает столб скважинного флюида в НКТ 17, вследствие чего часть флюида в этом столбе поступает в выкидную линию 37. Одновременно с этим движение плунжера 25 вверх вызывает открытие всасывающего клапана 23, в результате чего скважинный флюид поступает из перфорационных отверстий 14 в цилиндр 19.
Когда насосная штанга 27 перемещает плунжер 25 обратно вниз, нагнетательный клапан 31 открывается, позволяя флюиду в цилиндре 19 пройти через седло 29 этого клапана. По мере перемещения плунжера 25 вниз закрывается всасывающий клапан 23. Понижение давления внутри цилиндра 19, вызванное движением плунжера 25 вверх, приводит к подъему всасывающего клапана 23 вверх от его седла 21. Всасывающий клапан 23 закрывается под действием силы тяжести, когда плунжер 25 достигает верхней точки своего рабочего хода. Аналогичным образом, повышение давления в цилиндре 19, вызванное движением плунжера 25 вниз, приводит к открытию нагнетательного клапана 31.
В некоторых скважинах наряду с жидкостью присутствует газ, который может образовать газовую пробку. При движении плунжера 25 вниз может происходить сжатие газа, который ранее вошел в цилиндр 19 и который затем будет давить на нагнетательный клапан 31, вынуждая того открыться. Отличительные признаки настоящего изобретения, описанные ниже, позволяют предотвратить образование газовой пробки.
Как показано на фиг. 2, седло 29 нагнетательного клапана содержит пластину, крепящуюся к нижнему концу плунжера 25 и имеющую отверстие, или проход, 39. В данном примере нагнетательный клапан 31 выполнен в форме толкателя, содержащего головку 41 в форме диска, которая в положении закрытия располагается на седле 29 нагнетательного клапана. Диаметр головки 41 превышает диаметр отверстия 39, что позволяет перекрывать нисходящий поток через это отверстие, когда плунжер 25 движется вверх. Нагнетательный клапан 31 содержит шток 43, простирающийся вниз от головки 41 сквозь отверстие 39. Нагнетательный клапан 31 намагничен, причем один магнитный полюс находится на головке 41, а другой - на нижнем конце штока 43. В данном примере на головке 41 находится северный полюс 45, а на нижнем конце штока 43 - южный полюс 47, но расположение полюсов может быть и обратным. Шток 43 нагнетательного клапана содержит постоянный магнит. В альтернативном варианте постоянный магнит может быть прикреплен к штоку 43 нагнетательного клапана или представлять собой одну из частей последнего.
В показанном варианте осуществления настоящего изобретения наружный диаметр штока 43 значительно меньше внутреннего диаметра отверстия 39, определяющего кольцевое пространство, окружающее шток 43. Когда нагнетательный клапан 31 находится в положении открытия, поток скважинного флюида проходит через это кольцевое пространство с нижней стороны седла 29 нагнетательного клапана на его верхнюю сторону. В альтернативном варианте отверстие 39 может лишь незначительно отличаться по размеру от штока 43, а вокруг отверстия 39 могут быть предусмотрены дополнительные отверстия (не показаны) для прохождения потока скважинного флюида. Головка 41 клапана при этом должна быть достаточно большой, чтобы перекрывать поток сквозь эти дополнительные отверстия в положении закрытия.
Как показано на фиг. 3, седло 21 всасывающего клапана содержит пластину, крепящуюся к нижнему концу цилиндра 19 и имеющую отверстие, или проход, 49. В данном варианте осуществления изобретения всасывающий клапан 23 выполнен в форме толкателя, содержащего головку 51 в форме диска, которая в положении закрытия располагается на седле 21 всасывающего клапана. Диаметр головки 51 превышает диаметр отверстия 49, что позволяет перекрывать нисходящий поток через это отверстие, когда плунжер 25 движется вниз. Всасывающий клапан 23 содержит шток 53, простирающийся вниз от головки 51 сквозь отверстие 49. Всасывающий клапан 23 намагничен либо одна из его частей, например шток 53, содержит постоянный магнит. Один магнитный полюс 55 находится на головке 51 штока 53, а другой полюс 57 - на нижнем конце последнего. Полярность всасывающего клапана 23 противоположна полярности нагнетательного клапана 31. Если, как показано на чертеже, южный полюс 47 находится на нижнем конце штока 43 нагнетательного клапана 31, то южный полюс 55 всасывающего клапана 23 будет находиться на головке 51. Северный полюс 57 будет находиться на нижнем конце штока 53.
Седло 29 нагнетательного клапана и по меньшей мере части плунжера 25, расположенные рядом с седлом 29, выполнены из немагнитного материала. Кроме того, из немагнитного материала выполнены седло 21 всасывающего клапана и по меньшей мере расположенные рядом с ним части цилиндра 19.
В показанном варианте осуществления настоящего изобретения наружный диаметр штока 53 значительно меньше внутреннего диаметра отверстия 49, определяющего кольцевое пространство, окружающее шток 53. Когда всасывающий клапан 23 находится в положении открытия, поток скважинного флюида проходит через это кольцевое пространство с нижней стороны седла 21 всасывающего клапана на его верхнюю сторону. В альтернативном варианте отверстие 49 может лишь незначительно отличаться от размера штока 53, а вокруг отверстия 49 могут быть предусмотрены дополнительные отверстия (не показаны) для прохождения потока скважинного флюида. Головка 51 клапана при этом должна быть достаточно большой, чтобы перекрывать поток сквозь эти дополнительные отверстия в положении закрытия.
Как показано на фиг. 4, плунжер 25 имеет цилиндрическую наружную поверхность, которая находится с внутренней поверхностью цилиндра 19 в плотном контакте с возможностью скольжения как в случае обычного поршня. Показанные на чертеже зазоры между наружной поверхностью плунжера и внутренней поверхностью цилиндра 19 значительно увеличены для наглядности. Плунжер 25 соединен с насосной штангой 27 посредством любого подходящего соединительного элемента 61. Часть плунжера 25, находящаяся над седлом 29 нагнетательного клапана, представляет собой не замкнутую камеру, а полость, открытую для прохождения скважинного флюида в эксплуатационную колонну НКТ 17 (фиг. 1), расположенную над плунжером 25.
На фиг. 4 показан плунжер 25, который в процессе работы находится в верхней точке рабочего хода. Оба клапана, нагнетательный 31 и всасывающий 23, находятся в положении закрытия, обусловленном действием силы тяжести, и перекрывают любой нисходящий поток скважинного флюида через отверстие 39 в седле нагнетательного клапана и отверстие 49 в седле всасывающего клапана. В цилиндре 19 имеется камера 63 переменного объема, нижний конец которой находится у седла 21 всасывающего клапана, а верхний конец - у седла 29 нагнетательного клапана. В результате предыдущего рабочего хода вверх камера 63 заполняется скважинным флюидом. Скважинный флюид может целиком состоять из жидкости и в этом случае является по существу несжимаемым. В альтернативном варианте скважинный флюид в камере 63 может представлять собой смесь жидкости и газа или целиком состоять из газа. Если в скважинном флюиде в камере 63 присутствует газ, то этот скважинный флюид является сжимаемым.
Как показано на фиг. 5, если скважинный флюид в камере 63 целиком состоит из жидкости, то по мере движения плунжера 25 вниз он будет прикладывать к скважинному флюиду в камере 63 сжимающее усилие. Во время движения плунжера 25 вниз всасывающий клапан 23 остается закрытым. Движение плунжера 25 вниз приводит к тому, что скважинный флюид, находящийся в камере 63, толкает нагнетательный клапан 31 вверх в положение открытия. В результате этого скважинный флюид в камере 63 проходит сквозь отверстие 39 в пространство над седлом 29 нагнетательного клапана, что показано стрелками 65.
Во время рабочего хода вверх (фиг. 6) действие силы тяжести вынуждает нагнетательный клапан 31 переместиться вниз в положение закрытия, перекрывая любой поток сквозь отверстие 39 в седле нагнетательного клапана. Плунжер 25 поднимает массу столба скважинного флюида в колонну НКТ 17 на длину рабочего хода вверх. Движение плунжера 25 вверх создает разрежение, или понижение давления, в камере 63 цилиндра, что вынуждает всасывающий клапан 23 переместиться вверх в положение открытия, позволяя скважинному флюиду войти в камеру 63 как показано стрелками 65.
Если скважинный флюид в камере 63 содержит значительное количество газа, то при рабочем ходе вниз нагнетательный клапан 31 может остаться закрытым из-за действия силы тяжести, поскольку при движении плунжера 25 вниз будет происходить сжатие газа в камере 63. Усилия, направленного вверх и прикладываемого к нагнетательному клапану 31 вследствие сжатия газа, может оказаться недостаточно для подъема нагнетательного клапана в положение открытия. Однако при вхождении штока 43 нагнетательного клапана в магнитное поле всасывающего клапана 23 магнитные полюса 47, 55 (фиг. 2 и 3) будут взаимно отталкиваться. Это усилие отталкивания вынуждает нагнетательный клапан 31 перемещаться вверх в положение открытия, позволяя скважинному флюиду, сжатому в камере 63, пройти сквозь отверстие 39 в седле нагнетательного клапана в колонну НКТ 17. Магнитные поля предпочтительно являются достаточно сильными для подъема нагнетательного клапана 31 до достижения плунжером 25 нижней точки своего рабочего хода вниз. Таким образом, противодействующие магнитные полюса 47, 55 (фиг. 2 и 3) предотвращают сохранение положения закрытия нагнетательного клапана 31 на всем протяжении рабочего хода вниз, что может привести к образованию газовой пробки.
Хотя настоящее изобретение представлено только в одной из своих форм, ясно, что оно предполагает возможность внесения различных изменений. Например, могут быть предусмотрены другие конструкции и формы всасывающего клапана 23 и нагнетательного клапана 31, где вместо толкателя может быть использован шар и связанный с ним соединительный элемент, обеспечивающий фиксированную ориентацию каждого из магнитных полюсов 45, 47 и 55, 57. В альтернативном варианте толкатель может быть предусмотрен только в нагнетательном клапане 31, а всасывающий клапан 23 может иметь обычную конструкцию, не предполагающую создание магнитного поля. Могут быть реализованы и многие другие конструкции, обеспечивающие получение усилия отталкивания, направленного вверх, обусловленного магнитным полем и прикладываемого к нагнетательному клапану 31, когда плунжер 25 приближается к нижней точке своего рабочего хода. Например, магнит с противоположной полярностью может быть смонтирован в цилиндре 19 или на седле 21 всасывающего клапана, а не на самом всасывающем клапане 23. Вместо постоянных магнитов в нагнетательном клапане 31 и всасывающем клапане 23 можно использовать электромагниты. Однако при этом возникла бы необходимость подвода электроэнергии. Плунжер 25 может приводиться в движение не насосными штангами, а скважинным электродвигателем.