Насосная установка для эксплуатации пластов в скважине

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным насосным установкам, эксплуатирующим одновременно несколько объектов.
Известна установка для одновременно-раздельной эксплуатации двух объектов, содержащая электропогружной насос и кожух (см. Р.А. Максутов и др. Одновременная раздельная эксплуатация многопластовых нефтяных месторождений. М.: Недра, 1974 г., с. 106-107).
Наличие двух насосов по сравнению с одним насосом приводит к существенному удорожанию установки и характеризует данную конструкцию сложной, приводящей к трудоемкой технологи спуска.. В скважину с малым диаметром приходится спускать не одну, а две установки малого диаметра, это приводит к снижению надежности конструкции и КПД, так как эффективность одной установки всегда больше, чем двух на ту же полезную суммарную мощность.
Известна установка, содержащая колонну лифтовых труб, пакеры, электропогружной насос с входным модулем и электродвигаталем (см. А.П. Силаш. Добыча и транспорт нефти и газа, часть 1. М.: Недра, 1980 г., с. 364, рис. 4.1-105).
Установка также характеризуется сложностью конструкции, ее сборки на скважине из-за необходимости помещения электропогружного насоса в кожух на устье скважины и размещения узла герметизации кабеля в пакере, необходимостью использования еще одного (штангового) насоса для эксплуатации двух объектов и возможностью эксплуатировать только два объекта.
Известно оборудование одновременно-раздельной эксплуатации насосом двух пластов через одну скважину, разобщенных в стволе скважины пакером, оголовок которого герметично сочленен с трубным хвостовиком, расположенным под насосом. Причем в хвостовик встроен клапан-отсекатель, запорный элемент которого, являющийся одновременно якорем его приводного электромагнита, по электрическому сигналу с устья скважины перекрывает гидравлический канал трубного хвостовика насоса, по которому поступает жидкость из одного разобщенного пакером пласта в насос и далее в наземную установку замера дебита жидкости (по патенту RU 118681 Е21В 43/14 опубл. 27.07.12).
Однако с использованием такого оборудования возможно эксплуатировать только скважины с одинаковым давлением. Количество таких скважин ограничено. Если пласты имеют разное давление, то разница давлений между пластами должна штуцироваться (дросселироваться), превращаться в тепло. Пластовое давление не используется. При повышении температуры происходит выделение свободного газа из пластовой жидкости и повышается вероятность выделения солей. Снижается надежность и КПД работы установки.
Известна насосная установка для эксплуатации пластов в скважине, содержащая колонну лифтовых труб, кабель, хвостовик, пакеры, установленные снаружи хвостовика между пластами и разобщающие скважину на участки, и электропогружной насос для откачки продукции пластов, с входным модулем и электродвигателем и кожух. Кожух окружает только электродвигатель вместе с кабелем, заканчивается на входном модуле электропогружного насоса, на котором выполнен узел герметичного вывода кабеля из кожуха. Электропогружной насос выполнен с производительностью, превышающей общий дебит пластов. Хвостовик выполнен с несколькими каналами, каждый из которых сообщен с одним из участков скважины. При этом установка снабжена регулятором в виде наземного блока управления, манометров для замера забойного давление на участке, сообщенном с соответствующим каналом, и электроклапанов в каждом канале, функционально связанных, как и манометры, с блоком управления, обеспечивающим возможность включения и выключения электропогружного насоса при достижении забойным давлением заданной величины хотя бы в одном из участков с одновременным созданием сообщения или разобщения этого участка или этих участков с полостью кожуха через соответствующий канал (по патенту RU 2339795, МПК Е21В 43/14, опубл. 27.11.2008).
Насосная установка обладает сложной конструкцией и недостаточной надежностью, связанную с необходимостью использования электроклапанов в каждом канале. Невозможно точно синхронизировать открытие и закрытие разных клапанов. При условии, что два клапана будут одновременно открыты, это приведет к перетокам пластовой жидкости между пластами, что запрещено по условиям эксплуатации. При наличии большой разницы давления между пластами (которая может быть более 70 атмосфер) возникнет поток большой скорости с механическими частицами кварца, это приведет к быстрому износу оборудования. Если два клапана будут одновременно закрыты, это приведет к периодическому отсутствию подачи на входе в насос, пульсациям и выходу установки из строя.
Наиболее близка по своей технической сущности насосная установка для эксплуатации пластов в скважине, содержащая колонну насосно-компрессорных труб, кабель, хвостовик, пакер, установленный снаружи хвостовика между пластами, и насос для откачки продукции пластов, устройства переключения пластов, которое гидравлически связано с одним пластом через обратный клапан, а с другим через клапан с отсекающим элементом в виде штока с уплотнениями, приводящимся в движение электроприводом (патент RU №2604897).
Также, как описанные выше технические решения, установка по патенту RU №2604897 недостаточно надежна в связи с необходимостью поддержания электропривода штока во включенном состоянии не только во время передвижения штока в крайние положения, но и при фиксации штока в этих положениях. Время на передвижение штока занимает доли секунды, время на удержание штока существенно больше. В связи с этим происходит нагрев электропривода, что может привести к выходу его из строя в условиях плохого охлаждения.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью заключается в повышении ресурса насосной установки при достигаемом техническом результате - повышении надежности работы
Предлагаемая насосная установка для эксплуатации пластов в скважине содержит колонну насосно-компрессорных труб, пакер, предназначенный для установки между пластами, насос для откачки продукции пластов, узел для переключения потока продукции пластов, имеющий корпус с установленным в нем обратным клапаном для обеспечения гидравлической связи с одним из пластов и клапаном с отсекающим элементом в виде штока, уплотнения, установленные в корпусе и охватывающие шток, электромагнитный привод, обеспечивающий возможность приведения в движение штока, выполненный в виде соленоида с сердечником, установленного в полости, заполненной маслом, которая связана через упругую диафрагму с затрубным пространством пространством. Новым в данной установке является следующее: шток выполнен с фиксатором крайних положений штока в виде неподвижного кольца с упорами, закрепленного на корпусе соленоида, подвижного кольца с впадинами клиновидной формы, имеющих разную глубину, и механизма поворота подвижного кольца вокруг оси и осевого перемещении данного кольца вдоль упоров, причем подвижное кольцо установлено внутри корпуса соосно с неподвижным кольцом так, что его поворот вокруг оси обеспечен после выхода из зацепления с упорами, указанный механизм поворота и осевого перемещения подвижного кольца выполнен в виде двух дополнительных колец, одно из которых установлено на сердечнике соленоида внутри неподвижного кольца с возможностью осевого перемещения, а второе такое кольцо закреплено внутри подвижного кольца, причем дополнительные кольца имеют выступающие в осевом направлении зубья треугольной формы, в нижнем положении штока вершины треугольных зубьев дополнительных колец повернуты друг относительно друга на угол от 1 до 4 градусов, между подвижным кольцом и штоком установлен подшипник, на внешней поверхности штока установлена пружина, обеспечивающая возврат штока в обратном направлении.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели используется насос центробежного типа или штанговый глубинный насос.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
При выполнении штока (отсекающего элемента) с фиксатором, обеспечивающим фиксацию штока в крайних положениях, фиксатор позволит повысить надежность и ресурс насосной установки, так как исключается необходимость поддержания электропривода штока во включенном состоянии не только во время передвижения штока в крайние положения, но и при фиксации штока в этих положениях. Время на передвижение штока занимает доли секунды, время на удержание штока существенно больше. В связи с этим происходит нагрев электропривода, что может привести к выходу его из строя в условиях плохого охлаждения.
Если электромагнитный привод выполнен в виде соленоида, установленного в полости, заполненной маслом, связанной через упругую диафрагму с затрубным пространством, это позволит снизить стоимость привода и время переключения.
Если фиксатор штока выполнен в виде неподвижного кольца с упорами, закрепленного на корпусе соленоида, подвижного кольца с впадинами клиновидной формы, имеющих разную глубину, и механизма поворота подвижного кольца вокруг оси и осевого перемещении данного кольца вдоль упоров, причем подвижное кольцо установлено внутри корпуса соосно с неподвижным кольцом так, что его поворот вокруг оси осуществляется после выхода из зацепления с упорами, указанный механизм поворота и осевого перемещения подвижного кольца выполнен в виде двух дополнительных колец, одно из которых установлено на сердечнике соленоида внутри неподвижного кольца с возможностью осевого перемещения, а второе закреплено внутри подвижного кольца, причем дополнительные кольца имеют выступающие в осевом направлении зубья треугольной формы, в нижнем положении штока вершины треугольных зубьев дополнительных колец повернуты друг относительно друга на угол от 1 до 4 градусов, между подвижным кольцом и штоком установлен подшипник, на внешней поверхности штока установлена пружина обеспечивающая возврат штока в обратном направлении, это позволит четко фиксировать положение штока. Смещение вершин зубьев на угол от 1 до 4 градусов позволяет гарантировать поворот в заданном направлении.
Полезная модель поясняется фигурами, на которых изображено:
фиг. 1 - насосная установка для эксплуатации пластов скважины электроцентробежным насосом;
фиг. 2 - насосная установка для эксплуатации пластов скважины штанговым насосом;
фиг. 3 - устройство переключения пластов, продольный разрез;
фиг. 4 - фиксирующий элемент в изометрии;
фиг. 5 - дополнительные кольца фиксирующего элемента с выступающими в осевом направлении зубьями треугольной формы; фиг. 6 - шток с уплотнениями.
Насосная установка для эксплуатации пластов скважины (фиг. 1) содержит колонну насосно-компрессорных труб 1, хвостовик 2, пакер 3, электропогружной насос 4, погружной электродвигатель 5, кожух 6, блок с датчиками давления 7, устройство переключения потоков 8 и станцию управления 9. Погружной электродвигатель 5 связан со станцией управления 9 кабелем 10, а блок с датчиками давления 7 и устройство переключения потоков 8 - кабелем 11.
Насосная установка для эксплуатации пластов скважины (фиг. 2) содержит колонну насосно-компрессорных труб 1, хвостовик 2, пакер 3, штанговый глубинный насос 12, блок с датчиками давления 7, устройство переключения пластов 8 и станцию управления 9. Блок с датчиками давления 7 и устройство переключения пластов 8 связаны со станцией управления 9 кабелем 11.
Устройство переключения пластов (фиг. 3) содержит корпус в виде головки 13, основания 14, соединенных друг с другом трубой 15. В головке расположен входной канал 16, связанный через обратный клапан 17 с выходом устройства переключения пластов. Внутри корпуса 15 расположена диафрагма 18, внутренняя полость которой заполнена маслом и связана с полостью 19, в которой расположен соленоид 20 со штоком 21, который разделяет каналы 22 и 23. Внутри диафрагмы 18 расположен канал 24.
Шток 21, охватывающийся уплотнениями 25, перекрывает гидравлическую связь с нижним пластом за счет сдвига штока 21 вверх соленоидом 20, возвращается шток вниз за счет пружины 26 (фиг. 6).
Чтобы удерживать шток 21 в верхнем или нижнем положении, используется фиксатор 27.
Фиксатор 27 штока 21 выполнен в виде неподвижного кольца 28 с упорами 29, закрепленного на сердечнике соленоида 30, подвижного кольца 31 с впадинами треугольной формы 32, имеющих разную глубину, установленного внутри корпуса 13, соосно с неподвижным кольцом 28.
Кроме того, фиксатор содержит механизм поворота подвижного кольца, выполненный в виде двух дополнительных колец 33 и 34, одно из которых 33 установлено внутри неподвижного кольца 30 с возможностью осевого перемещения, а второе 34 внутри подвижного кольца 31, без возможности перемещения.
Причем дополнительные кольца 33 и 34 имеют выступающие в осевом направлении зубья 35 и 36 треугольной формы, в нижнем положении штока вершины треугольных зубьев дополнительных колец повернуты друг относительно другу на угол от 1 до 4 градусов. Между подвижным кольцом 31 и штоком 21 установлен подшипник 37.
Насосная установка для эксплуатации пластов в скважине работает следующим образом.
Установку (фиг. 1, 2) спускают на колонне насосно-компрессорных труб 1 и закрепляют пакером 3 выше нижнего пласта скважины. Дебит насоса, входящего в установку, равен суммарному дебиту двух пластов. Электроклапан 20 (фиг. 3) перекрывает пласт с большим давлением (в представленной на фиг. 3 компоновке - это нижний пласт).
Насос начинает откачку пластовой жидкости из одного пласта (предположим верхнего). Пластовая жидкость поступает в канал 16, открывает клапан 17 и поступает на вход насоса. Когда давление верхнего пласта, измеряемое блоком с датчиками давления 7 (фиг. 1, 2), уменьшится на заданную величину, станция управления 9 подает электрический сигнал на соленоид 20 (фиг. 3). Шток 21 перемещается вверх, зубья 36 поворачиваются относительно зубьев 25 на угол, равный 360/2*k, где k - число зубьев. Одновременно поднимается кольцо 31, выступы 29 выходят из зацепления с впадинами 32. Подвижное колесо 31, скрепленное с кольцом 34 выходит из зацепления с кольцом 28, проворачивается в подшипнике 37 на этот же угол. В дальнейшем выступы 29 входят в следующие по ходу вращения менее глубокие впадины 32 на кольце 31, при этом происходит до ворот на угол 360/2*k. Суммарно за одно включение соленоида происходит поворот на угол 360/k. Движение штока 21 вниз происходит за счет действия пружины 26, при этом соединяются каналы 22 и 23. Пластовая жидкость с нижнего пласта через хвостовик 2 (фиг. 1, 2), канал 24 (фиг. 3), внутреннюю полость корпуса 15, каналы 22 и 23 поступает на вход насоса.
Клапан 17 закроется из-за разницы давления между пластами. Происходит откачка пластовой жидкости из нижнего пласта. Когда давление нижнего пласта, уменьшится на заданную величину, станция управления 9 (фиг. 1, 2) подает электрический сигнал на электроклапан 20 (фиг. 3). Шток 21 перемещается и разобщает каналы 22 и 23. Начинается откачка из верхнего пласта, цикл повторяется.
Также установка может работать для эксплуатации двух пластов в одной скважине при условии, что давления в пластах одинаковые. В этом случае электроклапан 20 будет все время открыт. Вход в насос будет гидравлически соединен одновременно с двумя пластами, так как обратный клапан 17 практически не требует перепада давления для своего открытия. Электроклапан 20 будет задействоваться лишь для периодического отключения одного из пластов в соответствии с каналом, в котором он установлен. Это необходимо для гидродинамических исследований и исследований состава пластовой жидкости, обводненности в каждом пласте.
Предлагаемая полезная модель позволит повысить надежность работы оборудования.
Таким образом, решения, используемые в полезной модели, повышают ресурс насосной установки.