НАСОС, СИСТЕМА И СПОСОБ ДЕОЖИЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ
PUMP SYSTEM AND METHOD FOR WELL RELIQUEFACTION

Область техники
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области добычи углеводородов. Более конкретно настоящее изобретение имеет отношение к созданию систем, способов и устройств деожижения скважин для повышения добычи.
Предпосылки к созданию изобретения
Геологические структуры, из которых добывают газ, типично производят воду и другие жидкости, которые накапливаются в нижней части ствола скважины. Жидкости типично содержат конденсат углеводородов (например, относительно легкую нефть) и поровую воду в пласте. Жидкости накапливаются в стволе скважины в двух формах, а именно как однофазная жидкость, поступающая из пласта, и как сконденсированные жидкости, падающие назад в ствол скважины. Сконденсированные жидкости фактически поступают в ствол скважины как пар, и когда они перемещаются вверх по стволу скважины, их температура падает ниже точки росы и они конденсируются. В любом случае, имеющая более высокую плотность жидкая фаза, которая в основном является разрывной, должна транспортироваться газом на поверхность.
В некоторых производящих углеводород скважинах, из которых добывают как газ, так и жидкость, образованные давление газа и объемная скорость потока достаточны для того, чтобы поднимать добытые жидкости на поверхность. В таких скважинах накопление жидкостей в стволе скважины обычно не препятствует добыче газа. Однако в том случае, когда газовая фаза не обеспечивает достаточную энергию транспортирования для подъема жидкостей из скважины (то есть образованные давление газа и объемная скорость потока недостаточны для подъема добытых жидкостей на поверхность), жидкость будет накапливаться в стволе скважины.
Во многих случаях углеводородная скважина может сначала производить газ с достаточным давлением и объемной скоростью потока, чтобы поднимать добытые жидкости на поверхность, однако, с течением времени, давление добытого газа и объемная скорость потока снижаются так, что они больше не позволяют поднимать добытые жидкости на поверхность. В частности, по мере увеличения срока службы скважины природного газа, снижаются давления пласта, которые поднимают добытый газ на поверхность, что приводит к снижению добычи. В некоторый момент времени скорости газа падают ниже критической скорости (CV), которая представляет собой минимальную скорость, требующуюся для подъема капель жидкости на поверхность. С течением времени эти капли накапливаются в нижней части ствола скважины. Накопление жидкостей в скважине создает дополнительное противодавление на пласт и может начать закрывать участок добычи газа пласта, в результате чего ограничивается поток газа и губительно снижается дебит скважины. Как только жидкость перестает протекать вместе с добытым газом на поверхность, скважина фактически становится "нагруженной", так как гидростатический напор жидкости начинает превышать подъемное действие газового потока, и в этот момент времени скважина будет заглушена или остановлена. Таким образом, накопление жидкостей, таких как вода, в скважине природного газа приводит к снижению количества природного газа, который может быть добыт из данной скважины. Поэтому может стать необходимо использовать технологии механизированной эксплуатации (искусственного подъема) для удаления накопленной жидкости из ствола скважины, для восстановления потока газа из пласта. Способ удаления таких накопленных жидкостей из ствола скважины обычно называют деожижением.
Для нефтяных скважин, из которых первично получают однофазные жидкости (нефть и воду) с минимальным количеством увлеченного газа, уже предложены различные технологии механизированной эксплуатации. Наиболее часто используемый тип механизированной эксплуатации требует вытягивания 30 футов секций системы труб из скважины, прикрепления гидравлического насоса к самой нижней секции и включения насоса внизу в скважине на колонне секций системы труб. Гидравлический насос может быть приведен в действие при помощи сочлененных штанг, соединенных с балкой насоса, при помощи скважинного электродвигателя, получающего электроэнергию с поверхности по проводам, прикрепленным бандажом к наружной стороне колонны насосно-компрессорных труб, или при помощи поверхностного гидравлического насоса, подающего рабочую жидкость в скважинный гидравлический насос с использованием нескольких гидравлических линий. Несмотря на то, что имеется несколько типов оборудования механизированной эксплуатации, которые используют для подъема нефти, они обычно требуют трудоемкого способа развертывания с использованием установки для капитального ремонта скважины, бухтованных систем труб и кабельных намоточных механизмов, а также наличия нескольких дополнительных рабочих на месте добычи.
Первоначально, технологии механизированной эксплуатации, используемые для нефтяных скважин, использовали для деожижения газовых скважин (то есть для удаления жидкостей из газовых скважин). Однако приспособление существующих технологий механизированной эксплуатации нефтяных скважин для газовых скважин создает целый набор новых проблем. Первая такая проблема является коммерческой. Когда используют технологии механизированной эксплуатации для нефтяных скважин, сразу получают доход в виде ценной нефти, дополнительно поднятой на поверхность. В отличие от этого, при деожижении газовой скважины, в основном возникают дополнительные расходы за счет не создающих дохода жидкостей - типично, воды и небольших количеств сконденсированных легких углеводородов, поднятых на поверхность. Однако выгодой является способность поддержания и потенциального увеличения добычи газа в течение более продолжительного времени, за счет чего создаются дополнительные добываемые резервы. Типично, при скважинном давлении 100 psi, критическая скорость, а следовательно, и необходимость в механизированной эксплуатации, достигаются при давлении меньше чем 300 mcfd. Типичная газовая скважина в США имеет среднее давление около 110 mcfd, и около 90% всех газовых скважин (около 480,000 скважин) в США нагружены жидкостью. Проблема заключается в том, что большой остаточный резервный потенциал с более низким уровнем дохода на скважину должен оправдать стоимость установки традиционного оборудования механизированной эксплуатации.
Вторым основным недостатком существующих технологий механизированной эксплуатации является отсутствие возможности работы с трехфазными потоками, в которых газовая фаза составляет самый большой процент. Например, многие стандартные насосы для механизированной эксплуатации создают скопление газов или кавитацию, когда нагнетаемые флюиды содержат ориентировочно больше чем 30% газа по объему. Однако во многих газовых скважинах, насос может иметь эмульсионный режим двухфазного потока флюида, в котором на входе насоса могут происходит переходы между 100% газа и 100% жидкости в течение нескольких секунд. Вообще говоря, задачей скважинного флюидного насоса является физическое или гидростатическое понижение уровня флюида в стволе скважины возможно ближе к впуску насоса. К сожалению, большинство стандартных технологий механизированной эксплуатации не могут решить эту задачу и поэтому не подходят для такого назначения.
При экономике скважины, определяемой ограниченным выбором средств деожижения, одним из самых рентабельных возможных вариантов деожижения является так называемый "плунжерный подъем". В системе плунжерного подъема сплошную круглую металлическую пробку вводят внутрь трубопровода у дна скважины, и позволяют жидкостям накапливаться сверху от пробки. Затем блок управления запирает скважину через стопорный клапан и позволяет давлению повышаться, а затем освобождают плунжер, который при подъеме выталкивает на поверхность находящиеся выше него флюиды. Когда стопорный клапан закрыт, давление на дне скважины обычно повышается медленно, по мере того, как флюиды и газ проходят из пласта в скважину. Когда стопорный клапан открыт, то, так как давление у устья скважины ниже чем давление на дне скважины, разность давлений побуждает плунжер перемещаться на поверхность. Плунжерный подъем в основном представляет собой циклический порционный ("bucketing") подъем флюидов на поверхность. Так как движущей силой является давление в стволе скважины, то оно прямо пропорционально количеству жидкости, которое может быть поднято. Кроме того, в старых скважинах, требуется большое время остановки скважин для нарастания давления. Кроме проблем безопасности, связанных с движением металлической пробки на поверхность при скоростях около 1,000 футов в минуту, плунжер требует большого объема ручной подналадки и позволяет выбрасывать на поверхность только небольшую фракцию столба жидкости.
Таким образом, остается необходимость в создании экономичных способов и систем деожижения скважин, имеющих низкий объем жидкости.
Раскрытие изобретения
Эти и другие потребности удовлетворены в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения за счет насоса для деожижения скважин. В соответствии с одним конструктивным вариантом насос деожижения содержит флюидный концевой насос, адаптированный для откачивания флюида из ствола скважины. Кроме того, насос деожижения содержит гидравлический насос, адаптированный для привода флюидного концевого насоса. Гидравлический насос имеет центральную ось и содержит кожух, имеющий первую внутреннюю насосную камеру, и первый насосный узел, расположенный в первой камере. Первый насосный узел содержит поршень, адаптированный для возвратно-поступательного движения по оси относительно кожуха. Поршень имеет первый конец, второй конец, противоположный первому концу, и сквозное расточное отверстие, идущее между первым концом и вторым концом. Кроме того, первый насосный узел содержит первый наклонный диск, имеющий плоскую торцевую поверхность, смежную по оси со вторым концом поршня, и паз, идущий по оси через первый наклонный диск. Паз расположен на постоянном радиусе от центральной оси, а торцевая поверхность ориентирована под острым углом к центральной оси. Первый наклонный диск адаптирован для вращения вокруг центральной оси относительно кожуха, чтобы создавать осевое возвратно-поступательное движение поршня и циклически вводить сквозное расточное отверстие поршня во флюидную связь с пазом
Эти и другие потребности удовлетворены в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения за счет системы деожижения ствола скважины. В соответствии с одним конструктивным вариантом система содержит скважинный насос деожижения, связанный с нижним концом колонны насосно-компрессорных труб. Скважинный насос деожижения имеет продольную ось и содержит впуск насоса и выпуск насоса. Кроме того, насос деожижения содержит флюидный концевой насос, адаптированный для нагнетания флюида через выпуск насоса на поверхность через колонну насосно-компрессорных труб. Кроме того, насос деожижения содержит гидравлический насос, связанный с флюидным концевым насосом и адаптированный для приведения в действие флюидного концевого насоса. Дополнительно, насос деожижения содержит электродвигатель, связанный с гидравлическим насосом и адаптированный для приведения в действие гидравлического насоса. Система также содержит канал, имеющий флюидную связь с впуском насоса и идущий по оси через электродвигатель и гидравлический насос во флюидный концевой насос. Канал адаптирован для подачи флюида во флюидный концевой насос.
Эти и другие потребности удовлетворены в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения за счет способа деожижения скважин. В соответствии с одним вариантом осуществления способ предусматривает (а) установку насоса деожижения в стволе скважины при помощи колонны насосно-компрессорных труб. Насос деожижения содержит флюидный концевой насос, гидравлический насос, связанный с флюидным концевым насосом, и электродвигатель, связанный с гидравлическим насосом. Кроме того, способ предусматривает (b) приведение в действие флюидного концевого насоса при помощи гидравлического насоса. Дополнительно, способ предусматривает (с) приведение в действие гидравлического насоса при помощи электродвигателя. Кроме того, способ предусматривает (d) всасывание скважинные флюиды в сепаратор. Скважинные флюиды содержат жидкую фазу и множество твердых частиц, находящихся в жидкой фазе. Более того, способ предусматривает (е) отделение по меньшей мере порции твердых частиц от жидкой фазы, чтобы образовать обработанные скважинные флюиды. Способ также предусматривает (f) обеспечение протекания обработанных скважинных флюидов во флюидный концевой насос. Кроме того, способ предусматривает (g) подачу обработанных скважинных флюидов на поверхность при помощи флюидного концевого насоса.
Таким образом, описанные здесь варианты осуществления содержат комбинацию характеристик и преимуществ, предназначенных для устранения различных недостатков, связанных с устройствами, системами и способами в соответствии с известным уровнем техники. Различные кратко описанные здесь выше характеристики, также как и другие характеристики, станут понятны специалистам в данной области после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием изобретения, данным со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан вариант осуществления не имеющей буровой установки системы деожижения скважины для добычи углеводорода.
На фиг.2 показано поперечное сечение наматываемого трубопровода, показанного на фиг.1.
На фиг.3 схематично показан вид спереди насоса деожижения, показанного на фиг.1.
На фиг.4A-4G показаны поперечные сечения последовательных участков насоса деожижения, показанного на фиг.3.
На фиг.5 показано с увеличением поперечное сечение верхнего клапанного узла, показанного на фиг.4.
На фиг.6 показано с увеличением поперечное сечение нижнего клапанного узла, показанного на фиг.4В.
На фиг.7 показан с увеличением вид с торца верхнего клапанного узла, показанного на фиг.5.
На фиг.8 показано с увеличением поперечное сечение наклонных дисков гидравлического насоса, показанного на фиг.4С.
На фиг.9 показан вид сверху наклонного диска верхнего насосного узла, показанного на фиг.4С.
На фиг.10 показан вид сбоку впуска циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.11 показан вид сверху в перспективе впуска циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.12 показан вид снизу в перспективе впуска циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.13 показан вид снизу впуска циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.14 показан вид в перспективе сепаратора циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.15 показано поперечное сечение сепаратора циклона, показанного на фиг.4G.
На фиг.16 показано поперечное сечение одного из узлов сбора твердых частиц, показанного на фиг.4G.
На фиг.17 показан с увеличением вид в перспективе узла крышки, показанного на фиг.16.
На фиг.18 показан вид сбоку в разрезе элемента основания узла крышки, показанного на фиг.11.
На фиг.19 показан вид снизу элемента основания узла крышки, показанного на фиг.17.
На фиг.20 показан вид сбоку поворачивающегося элемента узла крышки, показанного на фиг.17.
На фиг.21 показан вид сверху поворачивающегося элемента узла крышки, показанного на фиг.17.
На фиг.22 схематично показано поперечное сечение сепаратора, показанного на фиг.4G, поясняющее его работу.
Подробное описание изобретения В последующем описании изложены различные варианты осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то, что один или несколько из этих вариантов осуществления могут быть предпочтительными, раскрытые здесь варианты осуществления не следует интерпретировать, или использовать иным образом, как ограничивающие объем патентных притязания настоящего изобретения, в том числе ограничивающие объем формулы изобретения. Кроме того, специалисты в данной области легко поймут, что последующее описание имеет широкое применение, так что обсуждение любого варианта осуществления является только примерным для этого варианта осуществления и не предназначено для ограничения объема патентных притязания настоящего изобретения, в том числе объема формулы изобретения, только этим вариантом осуществления.
Некоторые термины, которые используются в последующем описании и в формуле изобретения, относятся к специфическим характеристикам или компонентам. Следует иметь в виду, что специалисты в данной области могут давать тем же самым характеристикам или компонентам другие названия. В данном документе не сделаны различия между характеристиками или компонентами, которые имеют различные названия, но не функции. Также следует иметь в виду, что чертежи не обязательно приведены в реальном масштабе. Некоторые характеристики или компоненты могут быть показаны в преувеличенном масштабе или в несколько схематичном виде, а некоторые детали стандартных элементом могут быть не показаны, чтобы сократить описание и упросить понимание сущности изобретения.
В последующем описании и в формуле изобретения термины "содержащий" и "включающий в себя" используют без дополнения, так что их не следует интерпретировать как "содержащий, но не ограниченный...." Кроме того, следует иметь в виду, что термин "соединять" может относится к прямому или косвенному соединению. Таким образом, если первое устройство связано со вторым устройством, то это соединение может быть прямым соединением или может быть осуществлено за счет косвенного соединения через другие устройства, компоненты и соединения. Кроме того, использованные здесь термины "осевой" и "по оси" обычно означают вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси корпуса или канала), а термины "радиальный" и "радиально" обычно означают перпендикулярно к центральной оси. Например, осевое расстояние является расстоянием, измеренным вдоль или параллельно центральной оси, а радиальное расстояние является расстоянием, измеренным перпендикулярно к центральной оси.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан конструктивный вариант не имеющей буровой установки системы 10 деожижения, предназначенной для деожижения ствола скважины 20 для добычи углеводорода. В этом конструктивном варианте система 10 содержит передвижное транспортное средство 30 развертывания на поверхности 11, наматываемый или бухтованный трубопровод 40, инжекторную головку 50 и насос 100 деожижения. Транспортное средство 30 развертывания имеет катушку или барабан 31 для хранения, транспортирования и развертывания наматываемого трубопровода 40. В частности, трубопровод 40 содержит длинные непрерывные трубы, намотанные на барабан 31. Трубопровод 40 разматывают при опускании в ствол скважины 20 и по окончании работы вновь наматывают на барабан 31. Насос 100 деожижения связан с нижним концом наматываемого трубопровода 40 при помощи соединителя 45 и установлен с возможностью управления в стволе скважины 20 при помощи трубопровода 40.
Ствол скважины 20 пересекает пласт 12 в земле, содержащий продуктивную зону 13. Обсадная колонна 21 облицовывает ствол скважины 20 и содержит перфорации 22, которые позволяют флюидам 14 (например, воде, газу и т.п.) проходить из продуктивной зоны 13 в ствол скважины 20. В этом конструктивном варианте, лифтовая колонна 23 идет от устья 24 скважины через обсадную колонну 21 в ствол скважины. Система 10 входит в ствол скважины 20 через инжекторную головку 50, связанную с устьем 24 скважины и с лифтовой колонной 23. В этом конструктивном варианте противовыбросовый превентор 25 установлен над устьем 24 скважины, так что система 10 проходит через инжекторную головку 50, противовыбросовый превентор 25 и устье 24 скважины в лифтовую колонну 23.
Как это показано на фиг.1, транспортное средство 30 развертывания запарковано рядом с устьем 24 скважины на поверхности 11. Насос 100 деожижения соединяют с трубопроводом 40 и опускают в ствол скважины 20 за счет управления барабаном 31. Вообще говоря, насос 100 может быть связан с наматываемым трубопроводом 40 до или после пропускания наматываемого трубопровода 40 через инжекторную головку 50, противовыбросовый превентор 25 и устье 21 скважины. Трубопровод 40 разматывают до тех пор, пока насос 100 деожижения не будет расположен на дне ствола скважины 20. За счет использования наматываемого трубопровода 40 насос 100 может быть установлен на глубинах свыше 3,000 футов, а в некоторых случаях на глубинах свыше 8,000 футов или даже 10,0000 футов. Таким образом, насос 100 преимущественно выполнен так, чтобы выдерживать тяжелые условия в скважине при таких глубинах.
Во время операций деожижения, флюиды 14 со дна ствола скважины 20 подают при помощи насоса 100 через трубопровод 40 на поверхность 11. Вообще говоря, система 10 может быть использована для подъема и удаления флюидов из скважин любого типа, в том числе (но без ограничения) из нефтяных скважин, скважин для добычи природного газа, скважин для добычи метана, скважин для добычи пропана, а также из их комбинаций. Однако следует иметь в виду, что описанные здесь конструктивные варианты системы 10 особенно хорошо подходят для деожижения газовых скважин. В этом конструктивном варианте скважина 20 представляет собой газовую скважину и, таким образом, флюиды 14 содержат воду, конденсат углеводородов, газ и, возможно, небольшие количества нефти. Насос 100 может оставаться развернутым в скважине 20 в течение срока службы скважины 20 или, альтернативно, может быть удален из скважины 20 после восстановления производительности скважины 20.
Следует иметь в виду, что развертывание системы 10 и насоса 100 деожижения с использованием транспортного средства 30 устраняет необходимость конструирования и/или использования буровой установки (вышки). Другими словами, система 10 и насос 100 могут быть развернуты без использования буровой установки. Использованное здесь выражение "без использования буровой установки" относится к операции, способу, устройству или системе, которые не требуют конструирования или использования установки для капитального ремонта скважины, которая содержит мачтовый кран или мачту, и проведения работ по вытягиванию колонны из скважины. За счет исключения необходимости в установке для капитального ремонта скважины для развертывания системы система 10 позволяет создать более рентабельное средство деожижения для газовых скважин с относительно низким дебитом.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.1, на которой показано, что, в этом конструктивном варианте, не имеющее буровой установки транспортное средство 30 развертывания представляет собой передвижное средство, способное транспортировать систему 10 от одной скважины до другой по дорогам и автомагистралям. В частности, не имеющее буровой установки транспортное средство 30 развертывания представляет собой автомобильный тягач, содержащий прицеп 32 и мачту 33. Барабан 31 установлен с возможностью вращения на прицепе 32, а мачта 33 поворотно и шарнирно связана с прицепом 32. Инжекторная головка 50 связана с дистальным концом мачты 33 и может быть расположена над устьем 20 скважины при помощи мачты 33. В этом конструктивном варианте инжекторная головка 50 содержит деталь 51 S-образной формы, которая облегчает совмещение трубопровода 40 с инжекторной головкой 50 и устьем скважины 24. Энергия, необходимая для вращения барабана 31 и для установки мачты 33, может быть получена при помощи любого подходящего средства, в том числе (но без ограничения) от двигателя внутреннего сгорания (например, от двигателя транспортного средства (автомобильного тягача) 30), электродвигателя, гидравлического двигателя, или их комбинаций. Так как транспортное средство 30 предназначено для движения по автомагистралям и дорогам, то высота транспортного средства 30 преимущественно не превышает 13.5 футов. Примеры подходящих не имеющих буровой установки транспортных средств развертывания, которые могут быть использованы как транспортное средство 30, описаны в патентах США No. 6273188 и 7182140 каждый из которых полностью включен в данное описание в качестве ссылки.
Как уже было указано здесь выше, наматываемый трубопровод 40 используют для развертывания и установки насоса 100 в заданное положение в скважине. Вообще говоря, трубопроводом 40 может быть любой подходящий трубопровод, который может быть намотан на барабан 31 и может храниться на нем, в том числе (но без ограничения) бухтованный стальной трубопровод или наматываемый композитный трубопровод. Как это лучше всего показано на фиг.2, в этом конструктивном варианте, наматываемый трубопровод 40 представляет собой композитный трубопровод, имеющих центральную или продольную ось 45, центральное сквозное расточное отверстие 41, радиально-внутренний непроницаемый для флюида слой 42, радиально внешний слой 43 и промежуточный слой 44, расположенный радиально между слоями 42, 43. Кроме того, трубопровод 40 содержит множество электрических проводов или проводников 46, по которым подают ток с поверхности 11 на насос 100 деожижения. В этом конструктивном варианте провода 46 заделаны в промежуточный слой 44, однако, вообще говоря, проводники (например, провода 46) могут быть заделаны в любую подходящую часть бухтованной системы композитных труб (например, могут быть заделаны во внутренний слой 42).
В этом конструктивном варианте внутренний слой 42 и промежуточный слой 44 сплавлены вместе, чтобы образовать фактически бесшовную связь между ними. Таким образом, внутренний слой 42 и промежуточный слой 44 преимущественно состоят из полимерных материалов, которые могут быть сплавлены вместе, чтобы образовать бесшовную связь. В качестве примеров подходящих полимерных материалов для слоев 42, 44 можно привести (но без ограничения) полиэтилен, полипропилен, полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE), сополимеры, блок сополимеры, полиолефины, поликарбонаты, полистирол или их комбинации. Несмотря на то, что внутренний слой 42 и промежуточный слой 44 изготовлены из одного и того же полимерного материала в этом конструктивном варианте, в других конструктивных вариантах внутренний слой 42 и промежуточный слой 44 могут быть изготовлены из различных полимерных материалов. Кроме того, внутренний слой 42 может быть армирован волокном.
Промежуточный слой 44 может содержать пропитанную волокном полимерную ленту, которая несколько раз обмотана вокруг внутреннего слоя 42 и сплавлена с ним. Вообще говоря, пропитанная волокном полимерная лента может быть изготовлена с использованием любых подходящих волокон, в том числе (но без ограничения) стекловолокон, полимерных волокон, углеродных волокон и их комбинации. Пропитанная волокном полимерная лента может быть намотана под разными углами, чтобы модулировать или регулировать прочность на растяжение композитного бухтованного трубопровода 40.
Так как внутренний слой 42 и промежуточный слой 44 сплавлены вместе, не требуется эпоксидная смола или дополнительные компаунды для скрепления или соединения вместе слоев 42, 44. В результате получают слоистый композитный трубопровод 40 со сплошной стенкой, имеющий относительно высокое допустимое значение давления смятия. Трубопровод со сплошной стенкой позволяет лучше чем трубопровод с эпоксидной связкой бороться с миграцией газа, которая часто создает микротрещины в трубопроводе при его изгибе. В частности, композитный бухтованный трубопровод (например, трубопровода 40) обладает повышенной пластичностью по сравнению с трубопроводом с эпоксидной связкой. Например, конструктивные варианты бухтованного трубопровода 40 позволяют выдерживать свыше 18,000 циклов изгиба. При использовании в тяжелых условиях внизу в скважине, наматываемый трубопровод 40 преимущественно позволяет выдерживать температуры (то есть он рассчитан на номинальные температуры) по меньшей мере около 200° F, а преимущественно позволяет выдерживать температуры по меньшей мере ориентировочно от 250 до 300° F.
Как уже было указано здесь выше, в этом конструктивном варианте, наматываемый трубопровод 40 содержит внутренний слой 42 и промежуточный слой 44, преимущественно изготовленные из полимера, которые сплавлены друг с другом. Однако, вообще говоря, наматываемый трубопровод (например, трубопровода 40) может быть выполнен в виде любого подходящего типа наматываемого трубопровода, в том числе это может быть стальной бухтованный трубопровод, композитный армированный наматываемый трубопровод, и т.п. Например, наматываемый трубопровод может содержать внутренний слой (например, слой 42) и промежуточный слой (например, слой 44), изготовленные из высокотемпературной гибкой эпоксидной смолы. Более того, несмотря на то, что этот вариант осуществления системы 10 содержит наматываемый трубопровод 40, насос 100 также может быть доставлен на дно скважины при помощи обычного сочлененного трубопровода, используемого на нефтепромысле, с одним или несколькими проводниками, соединенными лентой с колонной труб или объединенными с ней.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой показано, что насос 100 деожижения свисает от трубопровода 40 через соединитель 45 и имеет центральную или продольную ось 105, первый или верхний конец 100а, связанный с соединителем 45, и второй или нижний конец 100b, удаленный от соединителя 45 и трубопровода 40. При движении по оси от верхнего конца 100а к нижнему концу 100b, в этом конструктивном варианте, насос 100 содержит флюидный концевой насос 110, гидравлический насос 200, электродвигатель 300, компенсатор 350 и сепаратор 400, связанные вместе конец к концу. Флюидный концевой насос 110, гидравлический насос 200, двигатель 300, компенсатор 350 и сепаратор 400 коаксиально совмещены, и каждый из них имеет центральную ось, совпадающую с осью 105 насоса.
Принимая во внимание большую длину насоса 100 деожижения, он показан далее на фиг.4A-4G в виде семи отдельных продольных сечений. Сечения расположены в последовательном порядке вдоль насоса 100 от фиг.4А до фиг.4G и обычно относятся к различным компонентам насоса 100. В частности, на фиг.4А и 4 В показан флюидный концевой насос 110, на фиг.4С показан гидравлический насос 200, на фиг.4D показан электродвигатель 300, на фиг.4Е и 4F показан компенсатор 350 и на фиг.4G показан сепаратор 400. Несмотря на то, что на фиг.3 показан один примерный порядок размещения компонентов насоса 100 деожижения (при этом флюидный концевой насос 110 расположен выше гидравлического насоса 200, гидравлический насос 200 расположен выше электродвигателя 300, электродвигатель 300 расположен выше компенсатора 350 и компенсатор 350 расположен выше сепаратора 400), следует иметь в виду, что, в других конструктивных вариантах, компоненты насоса деожижения (например, флюидный концевой насос 110, гидравлический насос 200, электродвигатель 300, компенсатор 350 и сепаратор 400 насоса 100 деожижения) могут быть расположены в другом порядке. Например, сепаратор (например, сепаратор 400) может быть установлен у верхнего конца насоса деожижения (например, у верхнего конца 100а насоса 100).
Несмотря на то, что компоненты насоса 100 деожижения могут быть сконфигурированы различным образом, основное функционирование насоса 100 не изменяется. В частности, флюид 14 из ствола скважины 20 поступает в сепаратор 400, который отделяет твердые частицы (например, песок, обломки породы и т.п.) от скважинного флюида 14, чтобы образовать не содержащий твердых частиц или в основном не содержащий твердых частиц флюид 15, который также может быть назван "чистым" флюидом 15. Чистый флюид 15 с выхода сепаратора 400 всасывается во флюидный концевой насос 110 и нагнетается на поверхность 11 через соединитель 45 и трубопровод 40. Флюидный концевой насос 110 приводится в действие при помощи гидравлического насоса 200, который приводится в действие при помощи электродвигателя 300. Проводники 46 служат для подачи электроэнергии на дно скважины к двигателю 300. Компенсатор 350 образует резервуар рабочей жидкости, которая при необходимости может протекать в гидравлический насос 200 и двигатель 300, а также в обратном направлении. Насос 100 деожижения специфически предназначен для того, чтобы поднимать в основном не содержащий твердых частиц флюид 15, который может содержать жидкую и газообразную фазы (например, воду и газ), в стволе скважины 20 на поверхность 11, даже если газовое давление в стволе скважины 20 недостаточно для удаления жидкостей во флюиде 14 на поверхность 11 (то есть если ствол скважины 20 имеет относительно низкое скважинное давление). Как это описано далее более подробно, использование гидравлического насоса 200 совместно с флюидным концевым насосом 110 позволяет создавать относительно высокие давления флюида, необходимые для принудительной подачи или выброса относительно малых объемов скважинных флюидов 15 на поверхность 11.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, 4А, и 4В, на которых показано, что флюидный концевой насос 110 имеет первый или верхний конец 110а, второй или нижний конец 110b, и, в этом конструктивном варианте, представляет собой возвратно-поступательный насос двукратного действия. В частности, флюидный концевой насос 110 содержит радиально внешний кожух 120 насоса, идущий между концами 110а, b, первую или верхнюю поршневую камеру 121, расположенную в кожухе 120 и идущую по оси от конца 110а, вторую или нижнюю поршневую камеру 125, расположенную в кожухе 120 и идущую по оси от конца 110b, и узел 130 маятникового клапана, расположенный по оси между камерами 121, 125. В этом конструктивном варианте, кожух 120 образован из множества трубных сегментов, соединенных конец к концу при помощи сопряженных зашплинтованных резьбовых соединений. Таким образом, кожух 120 является модульным и может быть разъединен на части, что необходимо для проведения технического обслуживания или ремонта (например, для замены уплотнений поршня и т.п.).
Флюидный концевой насос 110 также содержит первый или верхний поршень 122, расположенный с возможностью скольжения в первой камере 121, и второй или нижний поршень 126, расположенный с возможностью скольжения во второй камере 122. Поршни 122, 126 соединены друг с другом при помощи удлиненного соединительного штока 125, который идет по оси через узел 130 маятникового клапана. Первый или верхний клапанный узел 500 регулировки скважинных флюидов связан с концом 110а кожуха 110, а второй или нижний клапанный узел 500' регулировки скважинных флюидов связан с концом 110b кожуха 110. Как это описано далее более подробно, клапанные узлы 500, 500' являются по существу одинаковыми. В частности, каждый клапанный узел 500, 500' содержит корпус 510 клапана, впускной клапан 520 скважинных флюидов и выпускной клапан 560 скважинных флюидов.
Поршень 122 разделяет верхнюю камеру 121 на две секции или подкамеры, а именно на секцию 121а скважинных флюидов, расположенную по оси между верхним клапанным узлом 500 и поршнем 122, и секцию 121b рабочей жидкости, расположенную по оси между поршнем 122 и узлом 130 маятникового клапана. Аналогично, поршень 126 разделяет нижнюю камеру 125 на две секции или подкамеры, а именно на секцию 125а скважинных флюидов, расположенную по оси между нижним клапанным узлом 500' и поршнем 126, и секцию 125b рабочей жидкости, расположенную по оси между поршнем 125 и узлом 130 маятникового клапана. Вместе кожух 110, поршень 122 и клапанный узел 500 образуют секцию 121a, а кожух 110, поршень 126 и клапанный узел 500' вместе образуют секцию 125а. Вообще говоря, впускной клапан 520 клапанных узлов 500, 500' управляет протеканием скважинных флюидов 15 в секции 121a, 125а камеры, соответственно, а выпускной клапан 560 клапанных узлов 500, 500' управляет протеканием скважинных флюидов из секций 121а, 125а камеры, соответственно.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 4В, на которых показано, что флюидный концевой насос 110 также содержит впускной канал или проход 111 скважинных флюидов, выпускной канал или проход 112 скважинных флюидов и канал или проход 113 рабочей жидкости, причем каждый проход 111, 112, 113 идет через кожух 120. Проходы 111, 112, 113 смещены по окружности друг от друга вокруг оси 105. В этом конструктивном варианте, проход 113 смещен по окружности от плоскости сечения, и поэтому на фиг.4А и 4 В показан пунктиром. В основном не содержащие твердых частиц скважинные флюиды 15 выходят из сепаратора 400 и протекают через канал 116 скважинных флюидов в распределитель 115, связанный с нижним клапанным узлом 500'. Впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' имеет флюидную связь с каналом 116 скважинных флюидов. Таким образом, сепаратор 400 подает скважинные флюиды 15 во впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' через канал 116 скважинных флюидов. Кроме того, впускной проход 111 идет между впускным клапаном 520 нижнего клапанного узла 500' и впускным клапаном 520 верхнего клапанного узла 500 и имеет флюидную связь с ними. Таким образом, скважинные флюиды 15 из сепаратора 400 протекают через канал 116 скважинных флюидов, впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' и впускной проход 111 во впускной клапан 520 верхнего клапанного узла 500. Другими словами, канал 116 скважинных флюидов подает скважинные флюиды 15 во впускной клапан 520', а впускной проход 111 подает скважинные флюиды 15 из канала 116 скважинных флюидов и впускного клапана 520' во впускной клапан 520.
Выпускной проход 112 имеет флюидную связь с трубопроводом 40 (через соединитель 45), с выпускным клапаном 560 верхнего клапанного узла 500 и с выпускным клапаном нижнего клапанного узла 500'. Таким образом, выпускной проход 112 создает флюидную связь обоих выпускных клапанов 560 с трубопроводом 40. Выпускные клапаны 560 клапанных узлов 500, 500' управляют протеканием скважинных флюидов из соответствующих секций 121a, 125a камеры. Как это описано далее более подробно, скважинные флюиды 15 нагнетаются при помощи флюидного концевого насоса 110 из секций 121a, 125a камеры через выпускные клапаны 560, выпускной проход 112 и трубопровод 40 на поверхность 11.
Проход 113 рабочей жидкости имеет флюидную связь с гидравлическим насосом 200 и узлом 130 маятникового клапана. В частности, гидравлический насос 200 подает сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана через проход 113. Узел 130 маятникового клапана содержит датчик хода и множество клапанов и связанных с ними каналов, которые взаимно распределяют поток сжатой рабочей жидкости в камеры 121b, 125b рабочей жидкости, за счет чего создается осевое возвратно-поступательное движение поршней 122, 126. Датчик хода обеспечивает управляемое переключение подачи рабочей жидкости между клапанами и каналами. Вообще говоря, узел 130 маятникового клапана может содержать любой подходящий маятниковый клапан, который поочередно распределяет поток сжатой рабочей жидкости между двумя отдельными камерами. Примеры подходящих маятниковых клапанов описаны в патенте США No. 4597722, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки.
Пара кольцевых уплотнений 123, 127 расположена соответственно у каждого поршня 122, 126 и обеспечивает герметичное соединение поршней 122, 126 с кожухом 120. В частности, каждое уплотнение 123, 127 образует уплотнение подвижного соединения с кожухом 120 и уплотнение неподвижного соединения с соответствующим поршнем 122,126. Уплотнения 123, 127 предотвращают флюидную связь между скважинными флюидами 15 в секциях 121а, 125а, соответственно, и рабочей жидкостью в секциях 121b, 125b, соответственно. Следует иметь в виду, что, с течением времени, небольшие количества рабочей жидкости могут просачиваться через уплотнения 123, 127 из секций 121b, 125b, соответственно, в секции 121а, 125а, соответственно. Однако, как это описано далее более подробно, компенсатор 350 работает как резервуар рабочей жидкости и позволяет компенсировать любую утечку рабочей жидкости.
Во время операций нагнетания гидравлический насос 200 подает сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана через канал 113. Узел 130 маятникового клапана управляет потоком рабочей жидкости в камерах 121b, 125b, чтобы создавать осевое возвратно-поступательное движение поршней 122, 126 в камерах 121, 125, соответственно. В частности, узел 130 маятникового клапана поочередно подает сжатую рабочую жидкость в секции 121b, 125b и позволяет флюиду поочередно выходить из секций 125b, 121b, соответственно. Когда узел 130 маятникового клапана подает сжатую рабочую жидкость в камеру 121b, поршень 122 принудительно смещается по оси вверх в камере 121 в направлении к верхнему клапанному узлу 500, за счет чего увеличивается объем секции 121b и уменьшается объем секции 121а. Так как поршни 122, 126 соединены при помощи соединительного штока 125, то поршни 122, 126 движутся по оси вместе. Таким образом, когда поршень 122 принудительно смещается по оси вверх в камере 121, поршень 126 также принудительно смещается по оси вверх в камере 125, за счет чего уменьшается объем секции 125b и увеличивается объем секции 125а. Одновременно с подачей сжатой рабочей жидкости в камеру 121b узел 130 маятникового клапана позволяет рабочей жидкости выходить из секции 125b, что позволяет уменьшить объем секции 125b без ограничения осевого движения поршней 122, 126.
Осевое движение вверх поршней 122, 126 продолжается, пока сжатую рабочую жидкость подают в камеру 121b, до тех пор, пока поршень 122 не приблизится к верхнему клапанному узлу 500 и объем секции 121а не станет минимальным. В этой точке поршень 122 находится по оси на самом дальнем конце своего хода относительно узла 130 маятникового клапана (то есть в самом дальнем осевом положении от узла 130 маятникового клапана), а поршень 126 находится по оси на самом ближнем конце своего хода относительно узла 130 маятникового клапана (то есть в самом ближнем осевом положении от узла 130 маятникового клапана). В этом конструктивном варианте, флюидный концевой насос 110 и верхний клапанный узел 500 имеют такие размеры и конфигурацию, которые позволяют минимизировать мертвый или нерабочий объем в секции 121а, когда поршень 122 находится в самом дальнем конце своего хода. В описанных здесь конструктивных вариантах, объем секции 121а, когда поршень 122 находится в самом дальнем конце своего хода (то есть нерабочий объем секции 121а), близок к нулю.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 4В, на которых показано, что одновременно с моментом, когда поршень 122 находится в самом дальнем конце своего хода (то есть в самом ближнем положении от верхнего клапанного узла 500), узел 130 маятникового клапана перестает подавать сжатую рабочую жидкость в камеру 121b, и начинает подавать сжатую рабочую жидкость в камеру 125b. Когда сжатая рабочая жидкость втекает в камеру 125b, поршень 126 принудительно смещается по оси вниз в камере 125 в направлении к нижнему клапанному узлу 500', за счет чего увеличивается объем секции 125b и уменьшается объем секции 125а. Так как поршни 122, 126 соединены друг с другом при помощи соединительного штока 125, то когда поршень 126 принудительно смещается по оси вниз в камере 125, поршень 122 также принудительно смещается по оси вниз в камере 121, за счет чего уменьшается объем секции 121b и увеличивается объем секции 121а. Одновременно с подачей сжатой рабочей жидкости в камеру 125b, узел 130 маятникового клапана позволяет рабочей жидкости выходить из секции 121b, что позволяет уменьшить объем секции 121b без ограничения осевого движения поршней 122, 126.
Осевое движение вниз поршней 122, 126 продолжается, пока сжатую рабочую жидкость подают в камеру 125b, до тех пор, пока поршень 126 не приблизится к нижнему клапанному узлу 500' и объем секции 125а не станет минимальным. В этой точке поршень 126 находится по оси на самом дальнем конце своего хода относительно узла 130 маятникового клапана (то есть в самом дальнем осевом положении от узла 130 маятникового клапана), а поршень 122 находится по оси на самом ближнем конце своего хода относительно узла 130 маятникового клапана (то есть в самом ближнем осевом положении от узла 130 маятникового клапана). В этом конструктивном варианте, флюидный концевой насос 110 и нижний клапанный узел 500' имеют такие размеры и конфигурацию, которые позволяют минимизировать мертвый или нерабочий объем в секции 125а, когда поршень 126 находится на самом дальнем конце своего хода. В описанных здесь конструктивных вариантах, объем секции 125а, когда поршень 126 находится на самом дальнем конце своего хода (то есть нерабочий объем секции 125а), близок к нулю. Одновременно с моментом, когда поршень 126 находится в самом дальнем конце своего хода (то есть в самом ближнем положении от верхнего клапанного узла 500), узел 130 маятникового клапана перестает подавать сжатую рабочую жидкость в камеру 125b, и начинает подавать сжатую рабочую жидкость в камеру 121b, и процесс повторяется. Аналогично описанному здесь выше, поршни 122, 126 совершают осевое возвратно-поступательное движение в камерах 121, 125 за счет поочередной подачи сжатой рабочей жидкости в секции 121b, 125b.
Как уже было указано здесь выше, когда поршни 122, 126 движутся по оси вверх в камерах 121, 125, соответственно, объем секции 121а уменьшается, а объем секции 125а увеличивается. Когда объем секции 121а уменьшается, давление скважинных флюидов 15 в ней увеличивается, а когда объем секции 125 увеличивается, давление скважинных флюидов 15 в ней уменьшается. Когда давление в секции 121а становится достаточно большим, выпускной клапан 560 верхнего клапанного узла 500 переходит в "открытое положение," что позволяет скважинным флюидам протекать из секции 121а в трубопровод 40 через выпускной проход 112 и соединитель 45; а когда давление в секции 125а становится достаточно низким, впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' переходит в "открытое положение," что позволяет скважинным флюидам протекать в секцию 125а из канала 116 скважинных флюидов. Как это описано далее более подробно, каждый клапанный узел 500, 500' выполнен так, что выпускной клапан 560 закрыт, когда соответствующий впускной клапан 520 открыт, а впускной клапан 520 закрыт, когда соответствующий выпускной клапан 560 открыт.
Наоборот, когда поршни 122, 126 движутся по оси в направлении вниз в камерах 121, 125, соответственно, объем секции 121а увеличивается, а объем секции 125а уменьшается. Когда объем секции 121а увеличивается, давление скважинных флюидов 15 в ней уменьшается, а когда объем секции 125а уменьшается, давление скважинных флюидов 15 в ней увеличивается. Когда давление в секции 121а становится достаточно низким, впускной клапан 520 верхнего клапанного узла 500 переходит в "открытое положение," что позволяет скважинным флюидам протекать в секцию 121а из впускного прохода 111; а когда давление в секции 125а становится достаточно высоким, выпускной клапан 560 нижнего клапанного узла 500' переходит в "открытое положение," что позволяет скважинным флюидам протекать из секции 125а в трубопровод 40 через выпускной проход 112 и соединитель 45.
Когда поршни 122, 126 совершают возвратно-поступательное движение в камерах 121,125, скважинные флюиды 15 поочередно всасываются в секции 121а, 125а из канала 116 скважинных флюидов и впускного прохода 111, соответственно, и поочередно нагнетаются из секций 125а, 121a, соответственно, в выпускной проход 112 и трубопровод 40. За счет этого флюидный концевой насос 110 нагнетает скважинные флюиды 15 через трубопровод 40 на поверхность 11. Так как флюидный концевой насос 110 представляет собой возвратно-поступательный насос двукратного действия, скважинные флюиды 15 нагнетаются с выхода флюидного концевого насоса 110 на поверхность 11, когда поршни 122, 126 движутся по оси в направлении вниз и когда поршни 122, 126 движутся по оси в направлении вверх, при этом скважинные флюиды 15 всасываются из сепаратора 400 во флюидный концевой насос 110, когда поршни 122, 126 движутся по оси в направлении вниз и когда поршни 122, 126 движутся по оси в направлении вверх.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что верхний клапанный узел 500 содержит корпус 510 клапана, впускной клапан 520 скважинных флюидов, установленный в корпусе 510 клапана, и выпускной клапан 560 скважинных флюидов, установленный в корпусе 510 клапана. Корпус 510 клапана имеет первый или верхний конец 510а, связанный с соединителем 45, и второй или нижний конец 510b, связанный с верхним концом 110а кожуха. Кроме того, корпус 510 клапана содержит сквозное расточное отверстие (расточку) 511, идущее по оси между концами 510а, b, и расточку 512, идущую по оси от конца 510b и смешенную по окружности от расточки 511. Расточки 511, 512 имеют центральные оси 513, 514, соответственно. Клапаны 520, 560 установлены в соответствующих расточках 511,512 с возможностью их съема.
В этом конструктивном варианте, как впускной клапан 520, так и выпускной клапан 560 представляют собой двойные тарельчатые клапаны. Впускной клапан 520 содержит опорный узел 521, расположенный в расточке 511 у конца 510b, узел 530 удержания, расположенный в расточке 511 у конца 510b, первичный тарельчатый клапанный элемент 540 и резервный или вторичный тарельчатый клапанный элемент 550, телескопически связанный с первичным тарельчатым клапанным элементом 540. Опорный узел 521, узел 530 удержания и клапанные элементы 540, 550 коаксиально совмещены с осью 513 расточки.
Опорный узел 521 содержит опорный элемент 522, по резьбе введенный в расточку 511 у конца 510b, торцевую заглушку 526 и элемент 529 смещения. Опорный элемент 522 имеет первый конец 522а, расположенный поблизости от конца 510b корпуса, второй конец 522b, расположенный в расточке 511, противоположный концу 522а, и центральный сквозной проход 523, идущий по оси между концами 522а, b. Кроме того, радиально-внутренняя поверхность опорного элемента 522 содержит кольцевой паз 524 поблизости от конца 522а, первый кольцевой заплечик 525а, смещенный по оси от паза 524, и второй кольцевой заплечик 525b, смещенный по оси от заплечика 525а. Первый кольцевой заплечик 525а расположен по оси между пазом 524 и заплечиком 525b. Как это описано далее более подробно, клапанные элементы 540, 550 входят в зацепление с заплечиками 525а, b, соответственно, и выходят из зацепления с ними, для перехода между закрытым и открытым положениями. Таким образом, кольцевые заплечики 525а, b можно также назвать седлами 525а, b клапанов, соответственно.
Торцевая заглушка 526 расположена в проходе 523 у конца 522а и удерживается в проходе 523 при помощи упорного кольца 527, которое заходит радиально в паз 524 элемента удержания. Как это лучше всего показано на фиг.7, в этом конструктивном варианте, торцевая заглушка 526 содержит множество радиально идущих ветвей 526а и центральное сквозное расточное отверстие 528. Промежутки между смещенными по окружности смежными ветвями 526а, а также центральное сквозное расточное отверстие 528 позволяют протекать скважинным флюидам 15 по оси через торцевую заглушку 526.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что элемент 529 смещения по оси зажат между торцевой заглушкой 526 и первичным клапанным элементом 540. Таким образом, элемент 529 смещения смещает первичный клапанный элемент 540 по оси в направлении удаления от торцевой заглушки 526 и вводит его в зацепление с седлом 525а клапана. Другими словами, элемент 529 смещения смещает первичный клапанный элемент 540 в "закрытое" положение. В частности, когда первичный клапанный элемент 540 сидит в седле 525а клапана, осевой поток флюида через впускной клапан 520 между впускным проходом 111 и секцией 121а будет ограничен и/или прекращен. В этом конструктивном варианте, элемент 529 смещения 529 сидит в цилиндрическом пазу 526b в торцевой заглушке 526, которая ограничивает и/или предотвращает перемещение элемента 529 смещения радиально относительно торцевой заглушки 526. Несмотря на то, что элемент 529 смещения представляет собой цилиндрическую пружину в этом конструктивном варианте, вообще говоря, элементом смещения (например, элементом 529 смещения) может быть любой подходящий элемент для смещения первичного клапанного элемента (например, клапанного элемента 540) в закрытое положение.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что узел 530 удержания содержит элемент 531 удержания, ввинченный в расточку 511 у конца 510а, торцевую заглушку 538 и элемент 539 смещения. Элемент 531 удержания имеет первый конец 531а, расположенный в расточке 511, и второй конец 531b, расположенный заподлицо с концом 510а. Кроме того, элемент 531 удержания содержит центральный сквозной проход 532, идущий по оси между концами 531а, b, и кольцевой заплечик 533, установленный по оси между концами 531, b в проходе 532. Торцевая заглушка 538 ввинчена в проход 532 у конца 531b и закрывает проход 532 и расточку 511 у конца 531b.
Вторичный клапанный элемент 550 идет по оси в проход 532. В частности, вторичный клапанный элемент 550 с возможностью скольжения введен в зацепление с элементом 531 удержания между концом 531а и заплечиком 533, однако он радиально смещен от элемента 531 удержания между заплечиком 533 и концом 531b. Стопорное кольцо 534, установленное у вторичного клапанного элемента 550, по оси расположено между заплечиком 533 и концом 531b. Упорное кольцо 535, установленное у вторичного клапанного элемента 550, предотвращает скольжение стопорного кольца 534 по оси от вторичного клапанного элемента 550. Таким образом, элемент 539 смещения смещает вторичный клапанный элемент 550 по оси в направлении конца 510b и вводит его в зацепление с седлом 525b клапана. Другими словами, элемент 539 смещения смещает вторичный клапанный элемент 550 в "закрытое" положение. В частности, когда вторичный клапанный элемент 550 сидит в седле 525b клапана, осевой поток флюида через впускной клапан 520 между впускным проходом 111 и секцией 121а будет ограничен и/или прекращен. Несмотря на то, что в этом конструктивном варианте элемент 539 смещения выполнен как цилиндрическая пружина, вообще говоря, элементом смещения (например, элементом 539 смещения) может быть любой подходящий элемент для смещения первичного клапанного элемента (например, клапанного элемента 550) в закрытое положение.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что клапанные элементы 540, 550 имеют первые концы 540а, 550а, соответственно, и вторые концы 540b, 550b, соответственно. Кроме того, каждый клапанный элемент 540, 550 содержит удлиненный шток 541, 551 клапана, соответственно, идущий по оси от соответствующего конца 540b, 550b, и головку 542, 552 клапана, соответственно, которая идет радиально наружу от штока 541, 551 клапана, соответственно, у конца 540а, 550b, соответственно. Дополнительно, каждая головка 542, 552 клапана содержит уплотняемую поверхность 545, 555, соответственно, которая сопряжена с седлом 525а, b клапана, соответственно, и входит в герметичное зацепление с ним, когда головка 542, 552 клапана, соответственно, сидит в нем. В этом конструктивном варианте, уплотняемые поверхности 545, 555, и поверхности сопряжения седел 525а, 525b клапанов, соответственно, являются поверхностями усеченного конуса.
Шток 551 вторичного клапанного элемента 550 идет по оси в проход 532 и содержит кольцевой паз, в котором сидит упорное кольцо 535. Вторичный клапанный элемент 550 также содержит центральную расточку 554, идущую по оси от конца 550а через головку 552 и в шток 551. Шток 541 первичного клапанного элемента 540 с возможностью скольжения введен в расточку 554. Дополнительно, головка 542 первичного клапанного элемента 540 содержит цилиндрический паз 546. Элемент 529 смещения сидит в пазу 546, который ограничивает и/или предотвращает перемещение элемента 529 смещения радиально относительно головки 542 клапана.
Как уже было указано здесь выше, во время операций нагнетания, впускной клапан 520 верхнего клапанного узла 500 управляет подачей скважинных флюидов 15 в секцию 121а. В частности, клапанные элементы 540, 550 смещены в закрытые положения и введены в зацепление с седлами 525а, b, соответственно, а головки 542, 552 клапанов расположены по оси между седлами 525а, b, соответственно, и секцией 121а. Таким образом, когда давление в камере 121а равно давлению в проходе 111 или выше него, головки 542, 552 клапанов герметично введены в зацепление с седлами 525а, b клапанов, соответственно, что позволяет ограничивать и/или прекращать поток флюида между проходом 111 и секцией 121а. Однако когда поршень 122 начинает двигаться по оси вниз в камере 121, объем секции 121а увеличивается и давление в ней уменьшается. Когда давление в секции 121а падает ниже давления в проходе 111, разность давлений побуждает клапанные элементы 540, 550 двигаться по оси вниз и выходить из зацепления с соответствующими седлами 525а, b. Элементы 529, 539 смещения смещают клапанные элементы 540, 550, соответственно, в противоположном осевом направлении и стремятся поддерживать герметичное зацепление между головками 542, 552 клапанов и седлами 525а, b клапанов, соответственно. Однако как только давление в секции 121а станет достаточно низким (то есть достаточно низким для того, чтобы разность давлений между секцией 121а и проходом 111 была достаточна для преодоления сопротивления элемента 529 смещения), клапанный элемент 540 отходит от седла 525а и сжимает элемент 529 смещения. Затем, почти мгновенно, комбинация относительно низкого давления в секции 121а и относительно высокого давления скважинных флюидов в проходе 111 преодолевает сопротивление элемента 539 смещения, и клапанный элемент 550 отходит от седла 525b и сжимает элемент 539 смещения, в результате чего впускной клапан 520 переходит в "открытое" положение, разрешающее флюидную связь между проходом 111 и секцией 121a. Так как давление в секции 121а меньше чем давление скважинных флюидов 15 в проходе 111, скважинные флюиды 15 будет протекать через впускной клапан 520 в секцию 121а из прохода 111. В этом конструктивном варианте, элементы 529, 539 смещения создают различные силы смещения. В частности, элемент 529 смещения создает меньшую силу смещения чем элемент 539 смещения (например, элемент 529 смещения представляет собой цилиндрическую пружину с меньшей жесткостью, чем элемент 539 смещения).
После того, как поршень 122 доходит по оси до конца своего хода вниз, ближайшего к маятниковому клапану, и начинает двигаться по оси вверх в камере 121a, объем камеры 121а уменьшается и давление в ней увеличивается. Как только давление в секции 121а, вместе с силами смещения, созданными элементами 529, 539 смещения, будет достаточно для преодоления давления в проходе 111, клапанные элементы 540, 550 начнут двигаться по оси вверх и сядут на седла 525а, b клапанов, соответственно, так что они вновь переходят в закрытые положения, ограничивающие и/или прекращающие флюидную связь между секцией 121а и проходом 111.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что выпускной клапан 560 содержит опорный элемент 561, расположенный в расточке 512 у конца 510b, направляющий элемент 570, расположенный в расточке 512 у дистального конца 510b, первичный тарельчатый клапанный элемент 580 и резервный или вторичный тарельчатый клапанный элемент 590, телескопически связанный с первичным тарельчатьм клапанным элементом 580. Элемент 561 удержания, направляющий элемент 570 и клапанные элементы 580, 590 коаксиально совмещены с осью 514 расточки.
Опорный элемент 561 ввинчен в расточку 512 у конца 510b и имеет первый конец 561а, расположенный заподлицо с концом 510b корпуса, второй противоположный конец 561b, расположенный в расточке 512, и центральный сквозной проход 562, идущий по оси между концами 561a, b. Кроме того, радиально-внутренняя поверхность опорного элемента 561 содержит кольцевой заплечик 563 у конца 561а. Как это описано далее более подробно, клапанные элементы 580, 590 входят в зацепление с заплечиком 563 и концом 561b, соответственно, и выходят из зацепления с ними для перехода в закрытое положение и открытое положение. Таким образом, кольцевой заплечик 563 и конец 561b опорного элемента также можно назвать седлами 563, 561b клапанов, соответственно.
Клапанный элемент 580 расположен в проходе 562 и имеет первый конец 580а и второй противоположный конец 580b. Конец 580а содержит радиально расширенную головку 581 клапана, которая сопряжена с седлом 563 клапана и входит в герметичное зацепление с ним. В этом конструктивном варианте, головка 581 клапана содержит уплотняемую поверхность 582 усеченного конуса, которая входит в герметичное зацепление с сопряженной поверхностью усеченного конуса седла 563 клапана. Элемент 569 смещения по оси сжат между клапанными элементами 580, 590. Таким образом, элемент 569 смещения смещает первичный клапанный элемент 580 по оси от клапанного элемента 590 и в зацепление с седлом 563 клапана. Другими словами, элемент 569 смещения смещает первичный клапанный элемент 580 в "закрытое" положение. В частности, когда первичный клапанный элемент 580 сидит в седле 563 клапана, флюидная связь между выпускным проходом 113 и секцией 121а ограничена и/или прекращена. В этом конструктивном варианте, элемент 569 смещения сидит в цилиндрической расточке 583, идущей по оси от конца 580b, что ограничивает и/или предотвращает движение элемента 569 смещения радиально относительно клапанного элемента 580. Несмотря на то, что в этом конструктивном варианте элемент 569 смещения представляет собой цилиндрическую пружину, вообще говоря, элементом смещения (например, элементом 569 смещения) может быть любой подходящий элемент для смещения первичного клапанного элемента (например, клапанного элемента 580) в закрытое положение.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4А и 5, на которых показано, что направляющий элемент 570 расположен в расточке 512 и содержит секцию 571 основания, которая сидит в выемке 512а, идущей по оси из расточки 512, секцию 572 направления клапана, расположенную у клапанного элемента 590, и множество размещенных по окружности с промежутками друг от друга ветвей 573, идущих по оси между секциями 571, 572. Элемент 579 смещения по оси сжат между клапанным элементом 590 и секцией 571 основания. Таким образом, элемент 579 смещения смещает вторичный клапанный элемент 590 по оси от секции 571 основания и в зацепление с седлом 561b клапана. Другими словами, элемент 579 смещения смещает вторичный клапанный элемент 590 в "закрытое" положение. В частности, когда вторичный клапанный элемент 590 сидит в седле клапана 561b, флюидная связь между выпускным проходом 113 и секцией 121а ограничена и/или прекращена. В этом конструктивном варианте, элемент 579 смещения сидит в цилиндрической расточке 574 в секции 571 основания и радиально расположен внутри ветвей 573, что позволяет ограничивать и/или предотвращать движение элемента 579 смещения радиально относительно направляющего элемента 570. Несмотря на то, что в этом конструктивном варианте элемент 579 смещения представляет собой цилиндрическую пружину, вообще говоря, элементом смещения (например, элементом 579 смещения) может быть любой подходящий элемент для смещения вторичного клапанного элемента (например, клапанного элемента 590) в закрытое положение.
Клапанный элемент 590 расположен в проходе 562 и имеет первый конец 590а и второй противоположный конец 590b. Конец 590а содержит радиально расширенную головку 591 клапана, которая сопряжена с седлом 561b клапана и входит в герметичное зацепление с ним. В этом конструктивном варианте, головка 591 клапана содержит уплотняемую поверхность 592 усеченного конуса, которая входит в герметичное зацепление с сопряженной поверхностью усеченного конуса седла 561b клапана. Как уже было указано здесь выше, элемент 579 смещения смещает клапанный элемент 590 в герметичное зацепление с седлом 561b. Кроме того, в этом конструктивном варианте, конец 590b содержит цилиндрическую вершину 593, которая идет по оси в элемент 579 смещения, что позволяет ограничивать и/или предотвращать движение элемента 579 смещения и клапанного элемента 590 радиально относительно друг друга.
Как уже было указано здесь выше, во время операций нагнетания, выпускной клапан 560 верхнего клапанного узла 500 управляет потоком скважинных флюидов 15 из секции 121а в трубопровод 40. В частности, клапанные элементы 580, 590 смещены в закрытые положения и введены в зацепление с седлами 563, 561b, соответственно, а седла 563, 561b клапанов расположены по оси между головками 581, 591 клапанов, соответственно, и секцией 121а. Таким образом, когда давление в камере 121а становится меньше чем или больше чем давление в проходе 113 и в соединителе 45, головки 581, 591 клапанов входят в герметичное зацепление с седлами 563, 561b клапанов, соответственно, что позволяет ограничивать и/или предотвращать поток флюида между соединителем 45 и секцией 121а. Однако когда поршень 122 начинает двигаться по оси вверх в камере 121, объем секции 121а уменьшается и давление в ней увеличивается. Когда давление в секции 121а увеличивается выше давления в проходе 112 и соединителе 45, разность давлений побуждает клапанные элементы 580, 590 двигаться по оси вверх и выходить из зацепления с седлами 563, 561b, соответственно. Элементы 569, 579 смещения смещают клапанные элементы 580, 590, соответственно, в противоположном осевом направлении и стремятся поддерживать герметичное зацепление между головками 581, 591 клапанов и седлами 563, 561b клапанов, соответственно. Однако как только давление в секции 121а станет достаточно высоким (то есть достаточно высоким для того, чтобы разность давлений между секцией 121а и проходом 112 была достаточна для преодоления сопротивления элемента 569 смещения), клапанный элемент 580 отходит от седла 563 и сжимает элемент 569 смещения. Затем, почти мгновенно, комбинация относительно высокого давления в секции 121а и относительно низкого давления в проходе 112 преодолевает сопротивление элемента 579 смещения, и клапанный элемент 590 отходит от седла 561b, в результате чего выпускной клапан 560 переходит в "открытое" положение, разрешающее флюидную связь между проходом 112 и секцией 121а. Так как давление в секции 121а больше чем давление скважинных флюидов 15 в проходе 112, скважинные флюиды 15 будут протекать через выпускной клапан 560 из секции 121а в проход 112, соединитель 45 и трубопровод 40. В этом конструктивном варианте, элементы 569, 579 смещения создают различные силы смещения. В частности, элемент 569 смещения создают меньшую силу смещения чем элемент 579 смещения (например, элемент 569 смещения представляет собой цилиндрическую пружину с меньшей жесткостью, чем элемент 579 смещения).
После того, как поршень 122 доходит по оси до конца своего хода вверх, наиболее удаленного от узла 130 маятникового клапана, и начинает двигаться по оси вниз в камере 121, объем камеры 121а увеличивается и давление в ней уменьшается. Как только давление в соединителе 45, вместе с силами смещения, созданными элементами 569, 579 смещения, будет достаточно для преодоления давления в секции 121а, клапанные элементы 580, 590 начнут двигаться по оси вниз и сядут на седла 563, 561b клапанов, соответственно, так что они вновь переходят в закрытые положения, ограничивающие и/или прекращающие флюидную связь между секцией 121а и соединителем 45.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4В и 6, на которых показано, что нижний клапанный узел 500' сконфигурирован так, чтобы работать по существу так же, как описанный здесь ранее верхний клапанный узел 500. В частности, нижний клапанный узел 500' содержит корпус 510 клапана, впускной клапан 520 скважинных флюидов, установленный в корпусе 510 клапана, и выпускной клапан 560 скважинных флюидов, установленный в корпусе 510 клапана, каждый из которых выполнен в соответствии с описанным здесь выше. Однако нижний клапанный узел 500' расположен по оси между нижним концом 110b кожуха 110 флюидного концевого насоса и гидравлическим насосом 200, впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' управляет подачей скважинных флюидов 15 в секцию 125а, а выпускной клапан 560 нижнего клапанного узла 500' управляет потоком скважинных флюидов 15 из секции 125а в трубопровод 40 через проход 113 и соединитель 45. Дополнительно, опорный узел 521 нижнего клапанного узла 500' не содержит торцевую заглушку 526. Таким образом, впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' имеет флюидную связь с каналом 116 скважинных флюидов. Несмотря на то, что на фиг.7 показан вид с торца конца 510b верхнего клапанного узла 500, он аналогичен виду с торца конца 510b нижнего клапанного узла 500'. Другими словами, виды с торца концов 510b обоих клапанных узлов 500, 500' являются одинаковыми.
Как уже было указано здесь выше, во время операций нагнетания, впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' управляет подачей скважинных флюидов 15 в секцию 125а. В частности, клапанные элементы 540, 550 смещены в закрытые положения и введены в зацепление с седлами 525а, b, соответственно, а головки 542, 552 клапанов расположены по оси между седлами 525а, b, соответственно, и секцией 121а. Таким образом, когда давление в камере равно давлению в канале 116 скважинных флюидов, головки 542, 552, клапанов герметично введены в зацепление с седлами 525а, b клапанов, соответственно, что позволяет ограничивать и/или предотвращать поток флюида между каналом 116 скважинных флюидов и секцией 125а. Однако когда поршень 126 начинает двигаться по оси вверх в камере 125, объем секции 125а увеличивается и давление в ней уменьшается. Когда давление в секции 125а падает ниже давления в канале 116 скважинных флюидов, разность давлений побуждает клапанные элементы 540, 550 двигаться по оси вниз и выходить из зацепления с соответствующими седлами 525а, b. Элементы 529, 539 смещения смещают клапанные элементы 540, 550, соответственно, в противоположном осевом направлении и стремятся поддерживать герметичное зацепление между головками 542, 552 клапанов и седлами 525а, b клапанов, соответственно. Однако как только давление в секции 125а станет достаточно низким (то есть достаточно низким для того, чтобы разность давлений между секцией 125а и каналом 116 скважинных флюидов была достаточна для преодоления сопротивления элементов 529, 539 смещения), клапанные элементы 540, 550 будут отходить от седел 525а, b, соответственно, в результате чего впускной клапан 520 нижнего клапанного узла 500' переходит в "открытое" положение, разрешающее флюидную связь между каналом 116 скважинных флюидов и секцией 125а. Так как давление в секции 125а меньше чем давление скважинных флюидов 15 в канале 116 скважинных флюидов, то скважинные флюиды 15 будут протекать через впускной клапан 520 в секцию 125а из канала 116 скважинных флюидов. В этом конструктивном варианте, элементы 529, 539 смещения создают различные силы смещения. В частности, элемент 529 смещения создает меньшую силу смещения чем элемент 539 смещения (например, элемент 529 смещения представляет собой цилиндрическую пружину с меньшей жесткостью, чем элемент 539 смещения). Таким образом, клапанный элемент 540 нижнего клапанного узла 500' будет отходить от седла немного раньше чем клапанный элемент 550 нижнего клапанного узла 500'.
После того, как поршень 126 доходит по оси до конца своего хода вверх, ближайшего к маятниковому клапану, и начинает двигаться по оси вниз в камере 125, объем секции 125а уменьшается и давление в ней возрастает. Как только давление в секции 125а, вместе с силами смещения, созданными элементами 529, 539 смещения, будет достаточно для преодоления давления в канале 116 скважинных флюидов, клапанные элементы 540, 550 начнут двигаться по оси вверх и сядут на седла 525а, b клапанов, соответственно, так что они вновь переходят в закрытые положения, ограничивающие и/или прекращающие флюидную связь между секцией 125а и каналом 116 скважинных флюидов.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4В и 6, на которых показано, что, как уже было указано здесь выше, во время операций нагнетания, выпускной клапан 560 нижнего клапанного узла 500' управляет потоком скважинных флюидов 15 из секции 125а в трубопровод 40 через проход 113 и соединитель 45. В частности, клапанные элементы 580, 590 смещены в закрытые положения и введены в зацепление с седлами 563, 561b, соответственно, а седла 563, 561b клапанов расположены по оси между головками 581, 591 клапанов, соответственно, и секцией 121а. Таким образом, когда давление в камере 125 меньше чем или больше чем давление в проходе 113 и соединителе 45, головки 581, 591 клапанов входят в герметичное зацепление с седлами 563, 561b клапанов, соответственно, что позволяет ограничивать и/или предотвращать поток флюида между соединителем 45 и секцией 125а. Однако когда поршень 126 начинает двигаться по оси вниз в камере 125, объем секции 125а уменьшается и давление в ней увеличивается. Когда давление в секции 125а увеличивается выше давления в проходе 113, разность давлений побуждает клапанные элементы 580, 590 двигаться по оси вверх и выходить из зацепления с соответствующими седлами 563, 561b. Элементы 569, 579 смещения смещают клапанные элементы 580, 590, соответственно, в противоположном осевом направлении и стремятся поддерживать герметичное зацепление между головками 581, 591 клапанов и седлами 563, 561b, соответственно. Однако как только давление в секции 125а станет достаточно высоким (то есть достаточно высоким для того, чтобы разность давлений между секцией 125а и проходом 113 была достаточна для преодоления сопротивления элементов 569, 579 смещения), клапанные элементы 580, 590 будут отходить от седел 563, 5б1b, соответственно, в результате чего выпускной клапан 560 нижнего клапанного узла 500' переходит в "открытое" положение, разрешающее флюидную связь между секцией 125а и проходом 112. Так как давление в секции 125а больше чем давление скважинных флюидов 15 в проходе 113, скважинные флюиды 15 будут протекать через выпускной клапан 560 из секции 125а в проход 113, соединитель 45 и трубопровод 40. В этом конструктивном варианте, элементы 569, 579 смещения создают различные силы смещения. В частности, элемент 569 смещения создает меньшую силу смещения чем элемент 579 смещения (например, элемент 569 смещения представляет собой цилиндрическую пружину с меньшей жесткостью, чем элемент 579 смещения). Таким образом, клапанный элемент 580 нижнего клапанного узла 500' будет отходить от седла немного раньше чем клапанный элемент 590 нижнего клапанного узла 500'.
После того, как поршень 126 доходит по оси до конца своего хода вниз, наиболее удаленного от узла 130 маятникового клапана, и начинает двигаться по оси вверх в камере 125, объем камеры 125а увеличивается и давление в ней уменьшается. Как только давление в проходе 113, вместе с силами смещения, созданными элементами 569, 579 смещения, будет достаточно для преодоления давления в секции 125а, клапанные элементы 580, 590 начнут двигаться по оси вниз и сядут на седла 563,5б1b клапанов, соответственно, так что они вновь переходят в закрытые положения, ограничивающие и/или прекращающие флюидную связь между секцией 125а и проходом 113.
Аналогично ранее описанному, впускной клапан 520 и выпускной клапан 560 верхнего клапанного узла 500 управляют потоком скважинных флюидов 15 в секцию 121а и из нее, а впускной клапан 520 и выпускной клапан 560 нижнего клапанного узла 500' управляют потоком скважинных флюидов 15 в секцию 125а и из нее. Каждый клапан 520, 560 содержит два тарельчатых клапанных элемента, адаптированных для входа в зацепление и выхода из зацепления с сопряженными седлами клапанов. В частности, впускной клапан 520 содержит тарельчатые клапанные элементы 540, 550, а выпускной клапан 560 содержит тарельчатые клапанные элементы 580, 590. Клапанные элементы 540, 550 могут работать независимо друг от друга. Таким образом, клапанный элемент 540 может сидеть в седле 525а клапана, даже если клапанный элемент 550 не сидит в седле 525b клапана, и наоборот. Аналогично, клапанные элементы 580, 590 могут работать независимо друг от друга. Таким образом, клапанный элемент 580 может сидеть в седле 563 клапана, даже если клапанный элемент 590 не сидит в седле 5б1b клапана, и наоборот. Использование нескольких последовательных, работающих независимо друг от друга, клапанных элементов 540, 550 во впускном клапане 520 создает возможность повышения надежности и герметичности впускного клапана 520 при работе в тяжелых условиях на дне скважины. Например, даже если клапанный элемент 540 застревает в открытом положении (например, за счет твердых частиц, застрявших между клапанным элементом 540 и седлом 525а), клапанный элемент 550 все еще может входить в герметичное зацепление с седлом 525b клапана, что приводит к закрыванию впускного клапана 520. Аналогично, использование нескольких последовательных, работающих независимо друг от друга, клапанных элементов 580, 590 в выпускном клапане 560 создает возможность повышения надежности и герметичности выпускного клапана 560 при работе в тяжелых условиях на дне скважины. Например, даже если клапанный элемент 590 застревает в открытом положении (например, за счет твердых частиц, застрявших между клапанным элементом 590 и седлом 5б1b), клапанный элемент 580 все еще может входить в герметичное зацепление с седлом 563 клапана, что приводит к закрыванию выпускного клапана 560.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3 и 4С, на которых показано, что гидравлический насос 200 имеет первый или верхний конец 200а, связанный с распределителем 115, и второй или нижний конец 200b, связанный с двигателем 300. Кроме того, гидравлический насос 200 содержит радиально наружный кожух 210, первую или верхнюю насосную камеру 220, расположенную в кожухе 210, вторую или нижнюю насосную камеру 230, расположенную в кожухе 210 и смещенную по оси ниже камеры 220, камеру 240 подшипника, расположенную по оси между камерами 220, 230, верхний насосный узел 250, расположенный в камере 220, нижний насосный узел 280, расположенный в камере 230, и узел 245 подшипника, расположенный в камере 240 подшипника. Как это описано далее более подробно, рабочая жидкость заполняет камеры 220, 230, 240 и образует ванну для компонентов, расположенных в камерах 220, 230, 240.
Трубчатый канал 205 скважинных флюидов идет коаксиально через гидравлический насос 200 и имеет флюидную связь с каналом 116 распределителя 115. Как это описано далее более подробно, канал 205 подает скважинные флюиды 15 из сепаратора 400 во флюидный концевой насос 110 через канал 116 распределителя. Несмотря на то, что канал 205 идет через гидравлический насос 200, он не имеет флюидной связи ни с одной из камер 220, 230, 240.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4С, на которой показано, что кожух 210 содержит трубчатую секцию 211, верхнюю торцевую заглушку 212, связанную с секцией 211 и образующую верхний конец 210а, и нижнюю торцевую заглушку 213, связанную с противоположной концевой секцией 211 и образующую нижний конец 210b. Радиально-внутренняя поверхность трубчатой секции 211 содержит обращенный вверх кольцевой заплечик 21la и обращенный вниз кольцевой заплечик 21lb, смещенный по оси от заплечика 211а. Верхняя камера 220 расположена по оси между заплечиком 211а и верхней торцевой заглушкой 212, нижняя камера 230 расположена по оси между заплечиком 211b и нижней торцевой заглушкой 213, а камера 240 подшипника расположена по оси между заплечиками 211a, b. Проход 214 для подачи рабочей жидкости идет по оси через трубчатую секцию 211 и имеет флюидную связь с множеством проходов для подачи рабочей жидкости или ветвей 215, 216, идущих через торцевые заглушки 212, 213, соответственно. За счет ориентации насоса 200 в сечении, показанном на фиг.4С, видна только одна ветвь 215 в торцевой заглушке 212 и видна только одна ветвь 216 в торцевой заглушке 213. Однако фактически имеется несколько ветвей 215 в торцевой заглушке 212, имеющих флюидную связь с проходом 214, и несколько ветвей 216 в торцевой заглушке 213, имеющих флюидную связь с проходом 214. Каждая ветвь 215, 216 содержит стопорный клапан 217, который разрешает однонаправленное протекание флюида из соответствующей ветви 215,216 в проход 214.
Проход 214 имеет флюидную связь с проходом 113 рабочей жидкости флюидного концевого насоса 110 через канал 117 рабочей жидкости, идущий через распределитель 115. Таким образом, гидравлический насос 200 подает сжатую рабочую жидкость в ранее описанный узел 130 маятникового клапана через ветви 215, 216 и проходы 214, 117, 113. Проход для возврата рабочей жидкости (не показан) позволяет возвращать рабочую жидкость из узла 130 маятникового клапана в камеры 220, 230, 240 гидравлического насоса 200. Торцевые заглушки 212, 213 имеют соответствующие сквозные расточные отверстия 218, 219, через которые проходит канал 205.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4С, на которой показано, что верхний насосный узел 250 расположен в камере 220 и содержит направляющий элемент 251, множество удлиненных, размещенных по окружности с промежутками друг от друга поршней 255 (только один из которых виден на фиг.4С), элемент 260 смещения, втулку 261 смещения, верхнюю поворотную пластину 265 и наклонный диск 270. Направляющий элемент 251, поворотная пластина 265, элемент 270 смещения, втулка 271 смещения и наклонный диск 280, все расположены около канала 205. В этом конструктивном варианте, верхний насосный узел 250 содержит три равномерно размещенных по окружности с промежутками друг от друга поршня 255.
Направляющий элемент 251 по оси упирается в торцевую заглушку 212 и содержит центральное сквозное расточное отверстие 252, множество размещенных по окружности с промежутками друг от друга расточек 253 для направления поршней, радиально смещенных от центрального сквозного расточного отверстия 252, и идущую по оси расточку 254, коаксиально совмещенную со сквозным расточным отверстием 252 и обращенную к остальной части узла 250. Элемент 260 смещения сидит в расточке 254, а втулка 261 смещения расположена у элемента 260 смещения и с возможностью скольжения входит в зацепление с расточкой 254. Как это описано далее более подробно, элемент 260 смещения сжат между направляющим элементом 251 и втулкой 261 смещения и, таким образом, смещает втулку 261 смещения по оси в направлении удаления от направляющего элемента 251. Каждая направляющая расточка 253 совмещена и имеет флюидную связь с одной из ветвей 215 в торцевой заглушке 212. Кроме того, каждый поршень 255 телескопически введен в соответствующую одну из расточек 253 для направления поршней и выступает по оси из нее.
Втулка 261 смещения имеет первый или верхний конец 261а, расположенный в расточке 254, второй противоположный конец 261b, радиально-внутреннюю поверхность, которая имеет кольцевой заплечик 262 между концами 261а, b, и седло 263 в виде усеченного конуса у конца 261b. Элемент 260 смещения по оси упирается в кольцевой заплечик 262 и направляющий элемент 251, а поворотная пластина 265 сидит с возможностью поворота в седле 263.
Каждый поршень 255 расположен на одном и том же радиальном расстоянии от оси 105 и имеет первый конец 255а, расположенный в одной расточке 253, второй конец 255b, расположенный по оси между поворотной пластиной 265 и наклонным диском 270, и сквозное расточное отверстие 256, идущее по оси между концами 255а, b. Расточка 256 каждого поршня 255 имеет флюидную связь с соответствующей расточкой 253. В этом конструктивном варианте, конец 255b каждого поршня 255 содержит сферическую головку 257.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4С, на которой показано, что поворотная пластина 265 имеет основание 266, которое по меньшей мере частично сидит в седле 263, и фланец 267, идущий радиально наружу из основания 266 с внешней стороны от седла 263. Основание 266 имеет в основном изогнутую, выпуклую радиально внешнюю поверхность 266а, которая с возможностью скольжения входит в зацепление с седлом 263, что позволяет поворотной пластине 265 совершать поворот относительно втулки 261 смещения. Фланец 267 содержит плоскую торцевую поверхность 268 напротив наклонного диска 270 и множество размещенных по окружности с промежутками друг от друга расточек 269. Каждый поршень 255 идет по оси через свою соответствующую расточку 269. Кольцо 290 удержания поршня установлено у каждой головки 257 поршня, и расположено по оси между фланцем 267 и головкой 257 поршня. Каждое кольцо 290 удержания имеет плоскую поверхность 291, которая входит в зацепление с плоской торцевой поверхностью 268, и сферическое вогнутое седло 292, противоположное поверхности 291. Сферическая головка 257 поршня с возможностью поворота сидит в сопряженном седле 292. Каждое кольцо 290 удержания поддерживает герметичное зацепление обоих фланцев 267 и их соответствующих головок 257 поршней, когда поворотная пластина 265 совершает поворот относительно втулки 261 смещения.
Следует иметь в виду, что поворотная пластина 265 расположена у канала 205, но радиально смещена от канала 205 на радиальное расстояние, которое создает достаточный зазор между ними, когда поворотная пластина 265 совершает поворот относительно втулки 261 смещения. Аналогично, каждая расточка 269 в поворотной пластине 265 имеет диаметр больше чем внешний диаметр части поршня 255, проходящего через нее, чтобы создавать достаточный зазор между ними, когда поворотная пластина 265 совершает поворот относительно этого поршня 255.
r
r
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4С, 8, и 9, на которых показано, что наклонный диск 270 содержит плоскую торцевую поверхность 271 напротив торцевой поверхности 268 фланца и дуговидный паз 272, идущий по оси через пластину 270. Торцевая поверхность 271 ориентирована под острым углом α относительно оси 105. Этот угол α преимущественно составляет от 0° до 60°, а предпочтительнее от 10° до 45°. За счет своей ориентации под углом α к оси 105 торцевая поверхность 271 идет от самой дальней от оси точки 271a, с наклоном относительно опорной плоскости Р, перпендикулярной к оси 105 и расположенной в положении по оси между насосными узлами 250, 280, до самой ближней по оси точки 271b относительно опорной плоскости Р. Точки 271a, b смещены друг от друга на 180° относительно оси 105. Так как торцевая поверхность 271 наклонного диска 270 верхнего насосного узла 250 обращена вверх, то точка 271а образует самую верхнюю по оси точку на торцевой поверхности 271, а точка 271b образует самую нижнюю по оси точку на торцевой поверхности 271. Как это описано далее более подробно, торцевая поверхность 271 наклонного диска 270 нижнего насосного узла 280 обращена вниз и, таким образом, соответствующая точка 271а образует самую нижнюю по оси точку на торцевой поверхности 271 наклонного диска 270 нижнего насосного узла 280, а соответствующая точка 271b образует самую верхнюю по оси точку на торцевой поверхности 271 наклонного диска 270 нижнего насосного узла.
272
Как это лучше всего показано на фиг.9, паз 272 расположен на одинаковом радиальном расстоянии R от оси 105, и имеет первый конец 272а и второй конец 272b, смещенный по углу немного меньше чем на 180°. от первого конца 272а вокруг оси 105. В этом конструктивном варианте, концы 272а, b в основном радиально совмещены с точками 271а, b, соответственно. Другими словами, каждый конец 272а, b по окружности находится рядом с опорной плоскостью Pi, проходящей через точки 271 а, b и содержащей ось 105. Каждая сферическая головка 257 поршня расположена на таком же радиальном расстоянии R272 от оси 105. Таким образом, головки 257 поршня по окружности совмещены с пазом 272.
Разделительный башмак поршня 295 установлен у каждой головки 257 поршня и расположен по оси между наклонным диском 270 и головкой 257 поршня. Каждый разделительный башмак 295 имеет плоскую поверхность 296, которая с возможностью скольжения входит в зацепление с плоской торцевой поверхностью 271, и сферическое вогнутое седло 297, противоположное поверхности 296. Сферическая головка 257 поршня сидит с возможностью поворота в сопряженном седле 297.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4С и 8, на которых показано, что трубчатый приводной вал 298 коаксиально расположен около канала 205 и приводит во вращение наклонный диск 270 вокруг оси 105. В этом конструктивном варианте, приводной вал 298 объединен с наклонным диском 270 верхнего насосного узла 250 и выполнен в виде единого целого с ним. Однако в других конструктивных вариантах приводной вал, который приводит во вращение наклонный диск, может быть выполнен в виде отдельного компонента, который связан с наклонным диском. Радиально-внутренняя поверхность приводного вала 298 может быть отполирована и/или может иметь зеркальную полировку, чтобы снизить трение в канале 205.
Когда наклонный диск 270 вращается, тогда осевое расстояние от каждой расточки 253 для направления поршня до торцевой поверхности 271 наклонного диска циклически изменяется. Например, осевое расстояние от данной направляющей расточки 253 до торцевой поверхности 271 является максимальным, когда "тонкий" участок наклонного диска 270 является по оси противоположным направляющей расточке 253, и осевое расстояние от данной направляющей расточки 253 до торцевой поверхности 271 является минимальным, когда "толстый" участок наклонного диска 270 является по оси противоположным направляющей расточке 253. Однако поршни 255 движутся по оси вперед и назад в расточках 253, чтобы поддерживать головку 257 поршня по оси рядом с торцевой поверхностью 271. В частности, элемент 260 смещения смещает втулку 261 смещения по оси в направлении поворотной пластины 265, которая, в свою очередь, смещает кольца 290 удержания и соответствующие головки 257 поршней относительно торцевой поверхности 271. Скользящее зацепление поверхности 266а поворотной пластины и смещение седла 263 втулки позволяет одновременно производить осевое смещение поворотной пластины 265 и поворот поворотной пластины 265 относительно втулки 261 смещения. Также следует иметь в виду, что зацепление каждой сферической головки 257 поршня с соответствующим сферическим седлом 292 кольца удержания и сферическим седлом 297 разделительного башмака позволяет кольцу 290 и башмаку 295 с возможностью скольжения входить в зацепление с головкой 257 и совершать поворот относительно головки 257, однако при поддержании контакта с головкой 257 и пластинами 265,270, соответственно.
Когда наклонный диск 270 вращается, тогда поршни 255 совершают возвратно-поступательное движение по оси в направляющих расточках 253 и паз 272 циклически входит во флюидную связь с расточкой 256 каждого поршня 255 и выходит из этой связи. В частности, наклонный диск 270 вращается так, что расточка 256 каждого поршня 255 сначала входит во флюидную связь с пазом 272 у конца 272а (в основном совмещенного с точкой 271 а) и выходит из флюидной связи с пазом 272 у конца 272b (в основном совмещенного с точкой 27 lb). Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 имеет флюидную связь с пазом 272, когда соответствующая головка 257 поршня движется по оси вниз и в направлении от направляющего элемента 251, так как она смещена относительно торцевой поверхности 271. Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 имеет флюидную связь с пазом 272, когда поршень 255 телескопически выдвигается по оси из своей соответствующей расточки 253. Как уже было указано здесь выше, стопорный клапан 217 в каждой ветви 215 позволяет только однонаправленную флюидную связь из расточки 253 к соответствующей ветви 215. Таким образом, когда каждый поршень 255 выдвигается из своей соответствующей направляющей расточки 253, давление флюида внутри соответствующих расточек 253, 256 уменьшается и рабочая жидкость из камеры 220 протекает через паз 272 и заполняет расточки 253, 256. Как это описано далее более подробно, компенсатор 350 поддерживает давление рабочей жидкости в камерах 220, 230, 240 достаточным для того, чтобы подавать поток рабочей жидкости в поршни 255, когда расточки 256 поршней имеют флюидную связь с камерами 220,230,240 через паз 272.
Наоборот, когда каждый поршень 256 выходит из флюидной связи с пазом 272, тогда соответствующая головка 257 поршня движется по оси вверх и в направлении к направляющему элементу 251. Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 изолирована от паза 272 (то есть не имеет флюидной связи с ним), когда поршень 255 телескопически втягивается по оси в свою соответствующую расточку 253. Так как каждый поршень 255 дополнительно втягивается по оси в свою соответствующую расточку 253, то рабочая жидкость в соответствующих расточках 253, 256 будет сжата. Как уже было указано здесь выше, стопорный клапан 217 в каждой ветви 215 позволяет только однонаправленную флюидную связь из расточки 253 к соответствующей ветви 215. Таким образом, когда рабочая жидкость в расточках 253, 256 будет достаточно сжата (то есть разность давлений через стопорный клапан 217 превышает давление срабатывания стопорного клапана 217), тогда соответствующий стопорный клапан 217 будет открыт и позволит сжатой рабочей жидкости из расточек 253,256 протекать в соответствующую ветвь 215 и проход 214.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4С и 8, на которых показано, что нижний насосный узел 280 расположен в камере 230 и выполнен аналогично описанному здесь выше верхнему насосному узлу 250. В частности, нижний насосный узел 280 содержит направляющий элемент 251, три удлиненных, размещенных по окружности с промежутками друг от друга, поршня 255 (только один из которых виден на фиг.4С), элемент 260 смещения, втулку 261 смещения, поворотную пластину 265 и наклонный диск 270, причем каждый из этих компонентов выполнен так, как уже было описано здесь выше. Однако компоненты нижнего насосного узла 280 перевернуты так, что торцевые поверхности 271 наклонных дисков 270 обращены в направлении друг от друга, при этом торцевая поверхность 271 верхнего наклонного диска 270 обращена к торцевой заглушке 212, а торцевая поверхность 271 нижнего наклонного диска 270 обращена к торцевой заглушке 213. Таким образом, самая дальняя от оси точка 271 а торцевой поверхности 271 нижнего наклонного диска 270 будет самой нижней по оси точкой на торцевой поверхности 271, а самая ближняя от оси точка 27lb торцевой поверхности 271 нижнего наклонного диска 270 будет самой верхней по оси точкой на торцевой поверхности 271. Дополнительно, в отличие от наклонного диска 270 верхнего насосного узла 250, который объединен с приводным валом 298, наклонный диск 270 нижнего насосного узла 280 расположен около приводного вала 298 и соединен шпонкой с приводным валом 298 так, что наклонный диск 270 нижнего насосного узла 280 вращается вместе с приводным валом 298 и наклонным диском 270 верхнего насосного узла 250.
Нижний насосный узел 280 работает аналогично верхнему насосному узлу 280 и подает сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана. Однако каждая направляющая расточка 253 направляющего элемента 251 нижнего насосного узла 280 имеет флюидную связь с одной ветвью 216 нижней торцевой заглушки 213. Таким образом, нижний насосный узел 280 подает сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана через ветви 216 и проходы 214, 117, 113. В частности, приводной вал 298 приводит во вращение нижний наклонный диск 270. Так как нижний наклонный диск 270 вращается, то поршни 255 нижнего насосного узла 280 совершают возвратно-поступательное движение по оси в направляющих расточках 253, и паз 272 в нижнем наклонном диске 270 циклически входит во флюидную связь с расточкой 256 каждого поршня 255 и выходит из этой связи. В частности, нижний наклонный диск 270 вращается так, что расточка 256 каждого поршня 255 сначала входит во флюидную связь с пазом 272 у конца 272а (в основном совмещенного с точкой 271а нижнего наклонного диска 270) и выходит из флюидной связи с пазом 272 у конца 272b (в основном совмещенного с точкой 271b нижнего наклонного диска 270). Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 имеет флюидную связь с пазом 272, когда соответствующая головка 257 поршня движется по оси вверх и в направлении от направляющего элемента 251, так как она смещена относительно торцевой поверхности 271 нижнего наклонного диска 270. Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 имеет флюидную связь с пазом 272 нижнего наклонного диска, когда поршень 255 телескопически выдвигается по оси из своей соответствующей расточки 253. Стопорный клапан 217 в каждой ветви 216 позволяет только однонаправленную флюидную связь из расточки 253 к соответствующей ветви 216. Таким образом, когда каждый поршень 255 выдвигается из своей соответствующей направляющей расточки 253, давление флюида внутри соответствующих расточек 253,256 уменьшается и рабочая жидкость из камеры 230 протекает через паз 272 в нижнем наклонном диске 270 и заполняет расточки 253, 256. Наоборот, когда каждый поршень 256 нижнего насосного узла 280 выходит из флюидной связи с пазом 272 в нижнем наклонном диске 270, тогда соответствующая головка 257 поршня движется по оси вниз и в направлении к направляющему элементу 251. Таким образом, расточка 256 каждого поршня 255 в нижнем насосном узле 280 изолирована от паза 272 нижнего наклонного диска (то есть не имеет флюидной связи с ним), когда поршень 255 телескопически втягивается по оси в свою соответствующую расточку 253. Так как каждый поршень 255 нижнего насосного узла 280 дополнительно втягивается по оси в свою соответствующую направляющую расточку 253, то рабочая жидкость в соответствующих расточках 253, 256 будет сжата. Как уже было указано здесь выше, стопорный клапан 217 в каждой ветви 216 позволяет только однонаправленную флюидную связь из расточки 253 к соответствующей ветви 216. Таким образом, когда рабочая жидкость в расточках 253, 256 будет достаточно сжата (то есть разность давлений через стопорный клапан 217 превышает давление срабатывания стопорного клапана 217), тогда соответствующий стопорный клапан 217 будет открыт и позволит сжатой рабочей жидкости из расточек 253, 256 протекать в соответствующую ветвь 216 и проход 214.
Аналогично ранее описанному, каждый поршень 255 верхнего насосного узла 250 и каждый поршень 255 нижнего насосного узла 280 совершают осевое возвратно-поступательное движение в их соответствующих направляющих расточках 253, причем расточки 256 поршней входят во флюидную связь с пазами 272 и выходят из этой связи, при этом сжатая рабочая жидкость поступает в узел 130 маятникового клапана через ветви 215, 216 и проходы 214,117,113. Несмотря на то, что только один поршень 255 показан в каждом насосном узле 250, 280, однако, в этом конструктивном варианте, как уже было описано здесь выше, каждый насосный узел 250, 280 содержит три одинаковых, равномерно размещенных по окружности с промежутками друг от друга, поршня 255, которые работают одинаково. Таким образом, в любой данный момент времени при вращении наклонного диска 270 по меньшей мере один поршень 255 в каждом насосном узле 250, 280 будет заполнен рабочей жидкостью и по меньшей мере один поршень 255 в каждом насосном узле 250, 280 будет подавать сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана. Таким образом, гидравлический насос 200 непрерывно подает сжатую рабочую жидкость в узел 130 маятникового клапана, чтобы приводить в действие флюидный концевой насос 110.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4С, на которой показано, как расположены наклонные диски 270 относительно друг друга. В частности, самая дальняя от оси точка 271а на скошенной торцевой поверхности 271 верхнего наклонного диска 270 по окружности совмещена с самой дальней от оси точкой 271а на скошенной торцевой поверхности 271 нижнего наклонного диска 270. В результате самые ближние по оси точки 271b скошенных торцевых поверхностей 271 верхнего и нижнего наклонных дисков 270 будут совмещены по окружности. Такая ориентация верхнего наклонного диска 270 относительно нижнего наклонного диска 270 позволяет уравновешивать осевые силы, приложенные к приводному валу 298 за счет верхнего и нижнего наклонных дисков 270. В частности, рабочая жидкость, сжатая в расточках 253,256 верхнего насосного узла 250, прикладывает направленные по оси вниз силы к торцевой поверхности 271 верхнего наклонного диска 270 и к приводному валу 298. Однако рабочая жидкость, сжатая в расточках 253, 256 нижнего насосного узла 280, прикладывает равные направленные по оси вверх силы к торцевой поверхности 271 нижнего наклонного диска 270 и к приводному валу 298, за счет чего уравновешиваются силы, приложенные к приводному валу 298 за счет верхнего наклонного диска 270. Такое уравновешивание осевых сил, приложенных к приводному валу 298, снижает осевые нагрузки на электродвигатель 300, который приводит во вращение приводной вал 298, что позволяет повысить срок службы двигателя 300.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4С, на которой показано, что узел 245 подшипника расположен в камере 240 подшипника и содержит пару кольцевых радиальных подшипников 246, расположенных у приводного вала 298, которые радиально поддерживают вращающийся приводной вал 298. Вообще говоря, радиальными подшипниками 246 могут быть радиальные подшипники любого типа, в том числе (но без ограничения) радиальные шарикоподшипники.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4D, на которой показано, что электродвигатель 300 имеет первый или верхний конец 300а, связанный с гидравлическим насосом 200, и нижний конец 300b, связанный с компенсатором 350. Электродвигатель 300 содержит радиально внешний кожух 310 и трубчатый ротор или выходной приводной вал 320, имеющий верхний конец 320а, связанный с ранее описанным приводным валом 298. Электродвигатель 300 приводит во вращение приводной вал 320, который, в свою очередь, приводит во вращение приводной вал 298 и наклонные диски 270, за счет чего происходит приведение в действие гидравлического насоса 200. Трубчатый канал 205 идет по оси через коаксиально совмещенные приводные валы 320, 298. Кольцевые радиальные подшипники 330 расположены вокруг приводного вала 320 у его концов. Подшипники 330 радиально расположены между кожухом 310 и приводным валом 320 и радиально поддерживают вращающийся приводной вал 320.
Блок управления (не показан), который может быть расположен на поверхности 11 или внизу в скважине, позволяет регулировать скорость двигателя 320 в ответ на измеренное давление на дне ствола скважины 20. Провода 46 в наматываемом трубопроводе 40 позволяют подводить электрическую энергию для работы двигателя 300.
Вообще говоря, двигателем 300 может быть электродвигатель любого типа, который преобразует электрическую энергию, подводимую по проводам 46, в механическую энергию в виде вращающего момента, и приводит во вращение приводной вал 320. В качестве примеров подходящих электродвигателей можно привести (но без ограничения) двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока, универсальные электродвигатели, электродвигатели со щетками, электродвигатели с постоянным магнитом, или их комбинации. Принимая во внимание потенциально большую глубину применения насоса 100 деожижения (например, глубину свыше 10,000 футов), электродвигатель 300 преимущественно должен выдерживать относительно высокие температуры, имеющиеся на таких глубинах. В этом конструктивном варианте, электродвигатель 300 представляет собой электродвигатель с постоянным магнитом. Кроме того, в этом конструктивном варианте, кожух 310 двигателя заполнен рабочей жидкостью, которая может протекать в гидравлический насос 200 и в компенсатор 350, а также в обратном направлении. Рабочая жидкость улучшает отвод теплоты от электродвигателя 300 и улучшает смазку подшипников 330. В других конструктивных вариантах, электродвигатель (например, электродвигатель 300) может содержать ребра для теплоотдачи, выходящие радиально из кожуха двигателя (например, из кожуха 310), которые облегчают отвод тепловой энергии от электродвигателя в окружающую среду.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4Е и 4F, на которых показано, что, как уже было указано здесь выше, компенсатор 350 содержит резервуар для рабочей жидкости, позволяющий компенсировать тепловое расширение рабочей жидкости в насосе 100 деожижения, подавать рабочую жидкость для смазки двигателя 300 и гидравлического насоса 200 и восполнять рабочую жидкость в насосах 110, 200, которая со временем может просачиваться в окружающую среду (например, за счет утечки через уплотнения и т.п.). Компенсатор 350 имеет первый или верхний конец 350а, связанный с электродвигателем 300, и второй или нижний конец 350b, связанный с сепаратором 400. Кроме того, компенсатор 350 содержит кожух 351, идущий по оси между концами 350а, b, внутреннюю камеру 360 в кожухе 351, кольцевой поршень 370, расположенный в камере 360, и узел 380 смещения, расположенный по оси между поршнем 370 и концом 350b. Трубчатый канал 205 идет по оси через компенсатор 350, двигатель 300 и гидравлический насос 200 и позволяет подавать скважинные флюиды 15 из сепаратора 400 во флюидный концевой насос 110.
Кожух 351 содержит удлиненную трубчатую секцию 352, первую или верхнюю торцевую заглушку 353, закрывающую трубчатую секцию 352 у конца 350а и соединяющую компенсатор 350 с двигателем 300, и вторую или нижнюю торцевую заглушку 354, закрывающую трубчатую секцию 352 у конца 350b. Канал 205 идет по оси через сквозные расточные отверстия 355, 356 в торцевых заглушках 353, 354, соответственно. Кроме того, верхняя торцевая заглушка 353 содержит канал 357 рабочей жидкости, имеющий флюидную связь с кожухом 310 двигателя, а нижняя торцевая заглушка 354 содержит множество каналов 358 скважинных флюидов, имеющих флюидную связь с сепаратором 400.
Поршень 370 расположен около канала 205 в камере 360. В этом конструктивном варианте, поршень 370 содержит корпус 371 поршня, идущий радиально от канала 205 к кожуху 351, и трубчатый элемент 372, идущий по оси из корпуса 371 поршня в направлении к концу 350b. Корпус 371 поршня с возможностью скольжения введен в зацепление как с каналом (трубой) 205, так и с кожухом 351, и разделяет камеру 360 на первую или верхнюю секцию 360а камеры, идущую по оси от верхней торцевой заглушки 353 до поршня 370, и вторую или нижнюю секцию 360b камеры, идущую по оси от поршня 370 до нижней торцевой заглушки 354. В этом конструктивном варианте, корпус 371 поршня содержит два смещенных по оси радиально-внутренних кольцевых уплотнения 373, которые герметично охватывают канал (трубу) 205, и два смещенных по оси радиально внешних кольцевых уплотнения 374, которые входят в герметичное зацепление с трубчатой секцией 352 кожуха. Уплотнения 373, 374 ограничивают и/или предотвращают флюидную связь между секциями 360а, b камеры. Секция 360а камеры заполнена рабочей жидкостью, а секция 360b камеры заполнена скважинными флюидами 15 из сепаратора 400 через каналы 358. Таким образом, когда поршень 370 движется по оси в камере 360 и объем секции 360b изменяется, скважинные флюиды 15 могут свободно протекать между секцией 360b и сепаратором 400 через каналы 358. Остальная порция скважинных флюидов 15 выходит из сепаратора 400 и проходит через канал 205 во флюидный концевой насос 110.
Трубчатый элемент 372 расположен около узла 380 смещения и определяет минимальное осевое расстояние между корпусом 371 поршня и нижней торцевой заглушкой 354, что задает максимальный объем секции 360а камеры. Вообще говоря, поршень 370 в основном может свободно двигаться по оси в камере 360. Когда поршень 370 движется по оси в направлении к торцевой заглушке 353, объем секции 360а уменьшается и объем секции 360b увеличивается, а когда поршень 370 движется по оси в направлении к торцевой заглушке 354, объем секции 360а увеличивается и объем секции 360b уменьшается. Однако, трубчатый элемент 372 ограничивает осевое перемещение поршня 370 в направлении к торцевой заглушке 354. В частности, когда трубчатый элемент 372 по оси упирается в торцевую заглушку 354, поршень 370 не может двигаться по оси вниз. В этом конструктивном варианте, трубчатый элемент 372 имеет такие размеры, что он упирается в торцевую заглушку 354, когда узел 380 смещения полностью сжат.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4Е и 4F, на которой показано, что узел 380 смещения смещает поршень 370 по оси вверх в направлении к концу 350а. В этом конструктивном варианте, узел 380 смещения содержит множество смещенных по оси элементов 381 смещения и множество кольцевых направляющих 382 для элементов смещения, причем одна соответствующая направляющая 382 расположена по оси между каждой парой смежных по оси элементов 381 смещения. Элементы 381 смещения и направляющие 382 расположены вокруг канала 205 и расположены по оси между корпусом 371 поршня и торцевой заглушкой 354. В этом конструктивном варианте, элементы 381 смещения представляют собой цилиндрические пружины, а направляющие 382 поддерживают радиальное положение и центровку по оси цилиндрических пружин 381, что позволяет ограничивать и/или предотвращать выпучивание пружин 381 в секции 360b камеры.
Поршень 370 представляет собой свободно плавающий уравновешенный поршень, который движется в ответ на разность между осевой силой, приложенной за счет давления рабочей жидкости в секции 360а, и осевыми силами, приложенными за счет узла 380 смещения и давления скважинных флюидов в секции 360b. В частности, поршень 370 будет двигаться по оси в камере 360 до тех пор, пока эти осевые силы не будут уравновешены. Например, если давление рабочей жидкости в секции 360а увеличивается, то поршень 370 будет двигаться по оси вниз (увеличивая объем секции 360а), пока действующие на поршень 370 осевые силы не будут уравновешены; а если давление рабочей жидкости в секции 360а уменьшается, то поршень 370 будет двигаться по оси вверх (уменьшая объем секции 360а), пока действующие на поршень 370 осевые силы не будут уравновешены. Рабочая жидкость в секции 360а камеры имеет флюидную связь с кожухом 310 двигателя через канал 357 торцевой заглушки, и имеет флюидную связь с камерами 220, 230, 240 гидравлического насоса через зазоры между торцевой заглушкой 213 кожуха насоса и приводным валом 298. Таким образом, если объем и соответствующее давление рабочей жидкости в насосе 200, двигателе 300 и/или компенсаторе 350 увеличивается, то это компенсируется за счет компенсатора 350. Наоборот, если объем и соответствующее давление рабочей жидкости в насосе 200, двигателе 300 и/или компенсаторе уменьшается (например, если происходит потеря рабочей жидкости за счет утечек через уплотнения), то объем рабочей жидкости может быть восполнен за счет рабочей жидкости из компенсатора 350.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3 и 4G, на которых показано, что сепаратор 400 имеет первый или верхний конец 400а, связанный с нижней торцевой заглушкой 354 компенсатора, и второй или нижний конец 400b, противоположный концу 400а. Несмотря на то, что сепаратор 400 показан горизонтально (в плоскости чертежа) на фиг.4G, следует иметь в виду, что сепаратор 400 развернут в вертикальной ориентации, так как он использует силу тяжести для разделения твердых частиц от скважинных флюидов 14. При движении по оси от верхнего конца 400а к нижнему концу 400b, в этом конструктивном варианте, сепаратор 400 содержит соединитель 410, узел 420 циклонического разделения, первый или верхний узел 450 сбора твердых частиц, второй или нижний узел 450' сбора твердых частиц и трубчатый выпуск 480 твердых частиц, соединенные друг с другом конец к концу. Соединитель 410, узел 420 циклонического разделения, верхний узел 450 сбора твердых частиц, нижний узел 450' сбора твердых частиц и трубчатый выпуск 480 (содержащий сетку) совмещены коаксиально, причем каждый компонент имеет центральную ось, совпадающую с осью 105.
Соединитель 410 соединяет сепаратор 400 с компенсатором 350 и имеет первый или верхний конец 410а, связанный с торцевой заглушкой 354 компенсатора, и второй или нижний конец 410b, прикрепленный к узлу 420 циклонического разделения. В этом конструктивном варианте, соединитель 410 содержит выемку (воронку) 411 в виде усеченного конуса, идущую по оси от верхнего конца 410а, и сквозное расточное отверстие (расточку) 412, идущее по оси от выемки 411 до нижнего конца 410b. Вихревая труба 413, имеющая флюидную связь с расточкой 412, идет по оси вниз от нижнего конца 410b в узел 420 циклонического разделения. Выемка 411, расточка 412 и труба 413 коаксиально совмещены с осью 405 и вместе образуют канал 415, который идет по оси через соединитель 410 и в узел 420. Как это описано далее более подробно, обработанные скважинные флюиды 15 протекают из узла 420 циклонического разделения через проход 415 в устройство 30. Таким образом, проход 415 также может быть назван выпуском обработанных флюидов.
421
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4G, на которой показано, что узел 420 циклонического разделения содержит радиально внешний кожух 421, впускной элемент 430 и корпус 440 циклона. Трубчатый кожух 421 имеет первый или верхний конец 421а, прикрепленный к нижнему концу 410b соединителя 410, и второй или нижний конец 421b, прикрепленный к узлу 450 сбора твердых частиц, причем кожух 421 имеет постоянный внутренний радиус R. Кроме того, кожух 421 содержит множество размещенных по окружности с промежутками друг от друга впускных каналов 422 сепаратора у нижнего конца 421b. В этом конструктивном варианте предусмотрены четыре равномерно смещенных друг от друга по окружности впускных канала 422. Однако, в других конструктивных вариантах, один, два, три или больше впускных каналов (например, каналов 422) могут быть предусмотрены в кожухе узла циклонического разделения (например, в кожухе 421). Как это описано далее более подробно, во время работы сепаратора 400, необработанные скважинные флюиды 14 из ствола скважины 20 входят в сепаратор 400 через впускные каналы 422.
431
431
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4G и 10-13, на которых показано, что впускной элемент 430 коаксиально расположен в верхнем конце 421а кожуха 421 и идет по оси вниз в направлении от нижнего конца 410b соединителя 410. В этом конструктивном варианте, впускной элемент 430 содержит подводящую трубу 431 и удлиненный элемент 435 для направления флюида, расположенный около подводящей трубы 431. Подводящая труба 431 коаксиально совмещена с вихревой трубой 413 и радиально смещена от нее. Таким образом, образован радиальный кольцевой зазор 434 между трубами 413, 431. Кроме того, подводящая труба 431 имеет первый или верхний конец 431а, введенный в зацепление с нижним концом 410b соединителя, второй или нижний конец 431b, удаленный от соединителя 410, внешний радиус R и длину L, измеренную по оси между концами 431а, b. Как это лучше всего показано на фиг.11, подводящая труба 431 также содержит впускной канал 432 циклона у верхнего конца 431а. Канал 432 идет радиально через трубу 431 и имеет флюидную связь с кольцевым зазором 434.
436
431
Направляющий элемент 435 имеет первый или верхний конец 435а, введенный в зацепление с нижним концом 410b соединителя, и второй или нижний конец 435b, удаленный от соединителя 410. В этом конструктивном варианте, направляющий элемент 435 представляет собой тонкостенную конструкцию, ориентированную параллельно подводящей трубе 431. Направляющий элемент 435 может быть подразделен на первую секцию или сегмент 436, имеющий постоянный радиус R, больший чем радиус R подводящей трубы 431, и вторую секцию или сегмент 437, который идет от первого сегмента 436 и изогнут радиально внутрь к подводящей трубе 431. Таким образом, направляющий элемент 435 расположен около подводящей трубы 431 и идет по спирали радиально внутрь к подводящей трубе 431. Как это лучше всего показано на фиг.13, первый сегмент 436 идет по окружности на угловое расстояние около 270° между своим первым концом 436а, радиально совмещенным с впускным каналом 432 подводящей трубы 431, и своим вторым концом 436b. Таким образом, сегмент 436 охватывает около 75% окружности подводящей трубы 431.
436
431
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4G и 10-13, на которых показано, что второй сегмент 437 имеет первый конец 437а, соединенный со вторым концом 436b первого сегмента 436, и второй конец 437b, который входит в зацепление с подводящей трубой 431. Таким образом, первый конец 437а расположен на радиусе R, в то время как второй конец 437b расположен на радиусе R. Таким образом, при движении от конца 437а к концу 437b второй сегмент 437 изогнут радиально внутрь к подводящей трубе 431. Первый конец 437а расположен на одной стороне окружности относительно впускного канала 432, а второй конец 437b расположен на противоположной стороне окружности относительно впускного канала 432. Таким образом, второй сегмент 437 идет по окружности параллельно впускному каналу 432.
Элемент 438 основания идет радиально от направляющего элемента 435 к подводящей трубе 431, так что он закрывает направляющий элемент 435 у нижнего конца 435b и образует спиральный канал 439 внутри впускного элемента 430. Другими словами, основание 438, нижний конец 410b соединителя 410 и направляющий элемент 435 образует спиральный канал 439, который идет от впуска 439а у конца 436а до канала 432 подводящей трубы. На фиг.11 часть элемента 438 основания, идущая между секцией 437 и подводящей трубой 431, условно удалена, чтобы лучше показать канал (окно) 432.
436
437
436
437
437
436
437
Первый сегмент 436 имеет постоянную высоту H, измеренную по оси от конца 435а до элемента 438 основания, а второй сегмент 437 имеет переменную высоту Н, измеренную по оси от конца 435а до элемента 438 основания. Таким образом, между концами 436а, b первого сегмента 436, элемент 438 основания является плоским, но, при движении от конца 437а к концу 437b второго сегмента 437, элемент 438 основания изгибается вверх. Высота H меньше, чем высота Н так что подводящая труба 431 идет по оси вниз от направляющего элемента 435. Дополнительно, в этом конструктивном варианте, высота Н равна высоте Н у конца 437а, но линейно уменьшается при движении от конца 437а к концу 437b. Уменьшение высоты Н при движении от конца 437а к концу 437b вызывает ускорение течения флюида через проход 439 в окно 432.
Во время работы сепаратора 400 скважинные флюиды 14 входят в кожух 421 через впускные каналы 422 сепаратора и текут по оси вверх в кожухе 421 и втекают в проход 439 впускного элемента 430 циклона через впуск 439а. Канал 439 направляет скважинные флюиды 14 по окружности вокруг подводящей трубы 431 к окну 432 подводящей трубы. Так как радиальное расстояние между направляющим элементом 435 и подводящей трубой 431 уменьшается вдоль второго сегмента 437, то скважинные флюиды 14 в проходе 439 ускоряются и направляются через окно 432 подводящей трубы в подводящую трубу 431. Как это лучше всего показано на фиг.13, второй сегмент 437 ориентирован в основном по касательной к подводящей трубе 431. Таким образом, второй сегмент 437 направляет скважинные флюиды 14 "по касательной" в подводящую трубу 431 (то есть в направлении в основном по касательной к радиально-внутренней поверхности подводящей трубы 431). Эта конфигурация облегчает образование спирального или циклонического потока флюида в подводящей трубе 431. Вихревая труба 413, идущая коаксиально по оси через подводящую трубу 431, сконфигурирована и расположена так, чтобы усиливать образование вихрей и создание результирующего циклонического потока флюида в подводящей трубе 431.
440
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4G, 14, и 15, на которых показано, что корпус 440 циклона коаксиально расположен в кожухе 421 и идет по оси вниз от нижнего конца 431b подводящей трубы 431. Корпус 440 циклона имеет первый или верхний конец 440а, введенный в зацепление с нижним концом 431b подводящей трубы, второй или нижний конец 440b, удаленный от подводящей трубы 431, центральный канал 441, идущий по оси между концами 440а, b, и длину L, измеренную по оси между концами 440а, b. Нижний конец 440b совмещен по оси с нижним концом 421b кожуха и идет радиально наружу к нижнему концу 421b кожуха. Остальная часть корпуса 440 циклона радиально смещена из кожуха 421, за счет чего образуется кольцевой зазор 447, радиально расположенный между корпусом 440 циклона и кожухом 421.
В этом конструктивном варианте, корпус 440 циклона имеет верхний сходящийся элемент 442, идущий по оси от конца 440а, нижний расходящийся элемент 443, идущий по оси от конца 440b, и промежуточный трубчатый элемент 444, идущий по оси между элементами 442, 443. Каждый элемент 442, 443, 444 имеет первый или верхний конец 442а, 443а, 444а, соответственно, и второй или нижний конец 442b, 443b, 444b, соответственно.
444
444
444
442
445b
445b
431
444
Трубчатый элемент 444 представляет собой удлиненную трубку, имеющую длину L, измеренную по оси между концами 444а, b, и постоянный внутренний радиус R по всей длине L. Сходящийся элемент 442 имеет радиально внешнюю поверхность 445а в виде усеченного конуса и радиально-внутреннюю поверхность 445b в виде усеченного конуса, параллельную поверхности 445а. Кроме того, сходящийся элемент 442 имеет длину L, измеренную по оси между концами 442а, b, и внутренний радиус R, который линейно уменьшается при движении вниз от конца 442а к концу 442b. В частности, радиус R равен внутреннему радиусу R подводящей трубы 431 у верхнего конца 442а и равен внутреннему радиусу R трубчатого элемента 444 у конца 442b.
443
446b
446b
431
421
Нижний расходящийся элемент 443 имеет внешнюю поверхность 446а в виде усеченного конуса и радиально-внутреннюю поверхность 446b в виде усеченного конуса, параллельную поверхности 446а. Кроме того, расходящийся элемент 443 имеет длину L, измеренную по оси между концами 443а, b, и внутренний радиус R, который линейно увеличивается при движении вниз от конца 443а к концу 443b. В частности, радиус R равен внутреннему радиусу R подводящей трубы 431 у верхнего конца 443, и немного меньше чем внутренний радиус R кожуха 421 у конца 443b. Размеры элементов 442 и 444 являются основными для усиления циклона, образованного внутри устройства.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4G и 16, на которых показано, что верхний узел 450 сбора твердых частиц содержит трубчатый кожух 451, воронку или сходящийся элемент 455, коаксиально расположенный в кожухе 451, и узел 460 крышки, связанный со сходящимся элементом 455. Кожух 451 имеет первый или верхний конец 451а, связанный с нижним концом 421b кожуха 421 циклона, и второй или нижний конец 451b, связанный с нижним узлом 450' сбора твердых частиц. Верхний конец 451а образует кольцевой заплечик 452, который идет радиально внутрь относительно нижнего конца 421b. Нижний конец 440b корпуса 440 циклона введен в зацепление с заплечиком 452. Кроме того, кожух 451 содержит радиально-внутренний кольцевой заплечик 453, расположенный между концами 451а, b. В этом конструктивном варианте, кожух 451 образован из множества трубчатых элементов, коаксиально соединенных друг с другом конец к концу.
456
Сходящийся элемент 455 имеет верхний конец 455а, который по оси упирается в кольцевой заплечик 453, и нижний конец 455b, расположенный по оси ниже нижнего конца 451b кожуха. Таким образом, элемент 455 расположен в кожухе 451 и выходит по оси из кожуха 451. Сходящийся элемент 455 имеет радиально-внутреннюю поверхность 456 в виде усеченного конуса, расположенную на радиусе R, который уменьшается при движении по оси вниз от конца 455а к концу 455b.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.16-21, на которых показано, что узел 460 крышки содержит элемент 461 основания, связанный с нижним концом 455b сходящегося элемента, и поворотный элемент 470, с возможностью поворота связанный с элементом 461 основания. Как это лучше всего показано на фиг.17-19, элемент 461 основания содержит кольцевой фланец 462 и пару параллельных кронштейнов 463, идущих по оси вниз от фланца 462. Фланец 462 прикреплен к нижнему концу 455b сходящегося элемента 455 и имеет сквозное расточное отверстие 464, имеющее флюидную связь со сходящимся элементом 455. Расточка 464 содержит кольцевой заплечик или седло 465. Кронштейны 463 расположены радиально снаружи от расточки 464 и имеют совмещенные отверстия 466.
Как это лучше всего показано на фиг.17, 20 и 21, поворотный элемент 470 содержит кольцевую крышку 471 и противовес 472, соединенный с крышкой 471 при помощи плеча 473. Крышка 471 адаптирована для входа в зацепление и выхода из зацепления с седлом 465, что позволяет соответственно закрывать и открывать расточку 464. В частности, пара параллельных кронштейнов 474 идет вниз из плеча 473. Кронштейны 474 расположены между крышкой 471 и противовесом 472 и содержат совмещенные отверстия 475. Плечо 473 расположено между кронштейнами 463 элемента 461 основания, отверстия 466, 475 совмещены и крышка 471 расположена непосредственно под фланцем 462. Вал 476, имеющий центральную ось 477, пропущен через отверстия 466, 475, что позволяет с возможностью поворота соединить поворотный элемент 470 с элементом 461 основания.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.16 и 17, на которых показано, что поворотный элемент 470 может вращаться относительно элемента 461 основания вокруг оси 477 вала, что позволяет вводить крышку 471 в зацепление с седлом 465 и выводить крышку 471 из зацепления с седлом 465, что позволяет перемещать крышку 471 и узел 460 крышки между "закрытым" положением и "открытым" положением. В частности, когда узел 460 крышки и крышка 471 закрыты (крышка 471 введена в зацепление с седлом 465), тогда расточка 464 будет перекрыта и будет ограничено и/или прекращено движение флюидов и твердых частиц между узлами 450, 450' сбора твердых частиц. Однако когда узел 460 крышки и крышка 471 открыты, крышка 471 повернута вниз и выведена из зацепления с седлом 465, что разрешает движение флюидов и твердых частиц между узлами 450, 450' сбора твердых частиц. В этом конструктивном варианте, противовес 472 смещает крышку 471 в закрытое положение, когда она входит в зацепление с седлом 465, однако если приложенная к крышке 471 в направлении по оси вниз нагрузка достаточна для преодоления силы противовеса 472, то поворотный элемент 470 будет поворачиваться вокруг оси 477 и поворачивать крышку 471 вниз и выводить ее из зацепления с седлом 465.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.4G и 16, на которых показано, что нижний узел 450' сбора твердых частиц связан с нижним концом 451b кожуха 451 верхнего узла сбора твердых частиц. В этом конструктивном варианте, нижний узел 450' сбора твердых частиц выполнен также как описанный здесь выше верхний узел 450 сбора твердых частиц. В частности, нижний узел 450' сбора твердых частиц содержит трубчатый кожух 451, сходящийся элемент 455 и узел 460 крышки. Однако верхний конец 451а кожуха 451 нижнего узла 450' сбора твердых частиц не идет радиально внутрь относительно остальной части кожуха 451 нижнего узла 450' сбора твердых частиц. Кроме того, в этом конструктивном варианте, противовес 472 нижнего узла 450' сбора твердых частиц имеет другой вес, чем противовес 472 верхнего узла 450 сбора твердых частиц. В частности, противовес 472 нижнего узла 450' имеет больший вес, чем противовес 472 верхнего узла 450. Таким образом, узлы 460 крышек узлов 450, 450' сбора твердых частиц выполнены так, чтобы не открываться одновременно (так что когда узел 460 крышки узла 450 открыт, узел 460 крышки узла 450' будет закрыт, и наоборот).
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4G, на которой показано, что трубчатый выпуск 480 твердых частиц связан с нижним концом 451b кожуха 451 нижнего узла 450' сбора твердых частиц и идет по оси вниз к концу 400b. В этом конструктивном варианте, сетка 481, которая содержит множество отверстий 482, связана с трубчатым выпуском 480 у его нижнего конца. Отверстия 482 позволяют отделенным твердым частицам, которые проходят через нижний узел 450' сбора твердых частиц, поступать в трубчатый выпуск 480 и падать под действием силы тяжести из нижнего конца 400b сепаратора 400.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1 и 22, на которых показано, что когда насос 100 деожижения опущен на дно скважины при помощи трубопровода 40, сепаратор 400 погружен в скважинные флюиды 14. В результате сепаратор 400 сначала будет заполнен и окружен скважинными флюидами 14. Когда начинаются работы на дне скважины, при помощи флюидного концевого насоса 110 образуется область низкого давления в проходе 415 у верхнего конца 400а сепаратора 400. Проход 415 имеет флюидную связь с внутренним проходом 441 корпуса 440 циклона и с кольцевым зазором 434 между трубами 413, 431. Кроме того, проход 415 имеет флюидную связь с кольцевым зазором 447 через окно 432 подводящей трубы. Таким образом, область низкого давления в проходе 415 побуждает: (а) втягивать скважинные флюиды 14 из прохода 441 вверх в направлении к проходу 415; (b) втягивать скважинные флюиды 14 из кольцевого зазора 434 вниз в направлении к нижнему концу вихревой трубы 413 и в проход 415; и (с) втягивать скважинные флюиды из кольцевого зазора 447 по оси вверх к окну 432. Скважинные флюиды 14 из кольцевого зазора 447 могут быть втянуты через окно 432 и вниз через кольцевой зазор 434 к нижнему концу вихревой трубы 413 и в проход 415, однако всасывание скважинных флюидов 14 из прохода 441 в проход 415 ограничено и/или предотвращено. В частности, узел 460 крышки верхнего узла 450 сбора твердых частиц смещен в закрытое положение, и поэтому узел 450 сбора работает как герметизированный резервуар, так что всасывание любых скважинных флюидов 14 вверх из узла 450 сбора будет приводить к образованию области низкого давления в узле 450 сбора, что ограничивает и/или прекращает дополнительное всасывание скважинных флюидов 14 из узла 450 сбора.
Скважинные флюиды 14 втекают в узел 420 циклонического разделения через каналы 422, а после входа в узел 420 циклонического разделения протекают по оси вверх в кольцевом зазоре 447 к впускному элементу 430 циклона. У впускного элемента 430 скважинные флюиды 14 входят в спиральный канал 439 на впуске 439а. Канал 439 направляет скважинные флюиды 14 по окружности вокруг подводящей трубы 431 к окну 432 подводящей трубы и ускоряет скважинные флюиды 14 в ней, когда они приближаются к окну 432. Скважинные флюиды 14 протекают по касательной в подводящей трубе 431 и образуют, частично с помощью вихревой трубы 413, циклоническую или спиральную форму течения в подводящей трубе 431. Когда скважинные флюиды 14 движутся по спирали в подводящей трубе 431, они также движутся по оси вниз в направлении к нижнему концу вихревой трубы 413 под действием области низкого давления в проходе 415.
Твердые частицы и обломки породы в скважинных флюидах 14, имеющие достаточную инерцию и обозначенные как твердые частицы 16, начинают отделяться от жидкой и газообразной фаз в скважинных флюидах 14 и двигаться радиально в направлении к внутренней поверхности подводящей трубы 431. В конечном счете, твердые частицы 16 соударяются с внутренней поверхностью подводящей трубы 431 и падают под действием силы тяжести в сходящийся элемент 442. Жидкая и газообразная фазы в скважинных флюидах 14, также как и имеющие относительно низкую инерцию частицы, остающиеся в них (то есть обработанные скважинные флюиды 15), продолжают свое циклоническое течение в подводящей трубе 431, когда они движутся в направлении к нижнему концу вихревой трубы 413. Когда обработанные скважинные флюиды 15 доходят до нижнего конца вихревой трубы 413, они всасываются в проход 415 и выбрасываются из сепаратора 400 в канал 205, и протекают во флюидный концевой насос 110.
После отделения твердые частицы 16 падают через проход 441 корпуса 440 циклона под действием силы тяжести в верхний узел 450 сбора твердых частиц. Узел 460 крышки нормально смещен в закрытое положение, однако, когда накопленные твердые частицы 16 в воронке 455 прикладывают достаточную нагрузку к крышке 471, тогда узел 460 крышки открывается и позволяет твердым частицам 16 падать через расточку 464 в нижний узел 450' сбора твердых частиц. Аналогично узлу 460 крышки верхнего узла 450 сбора твердых частиц узел 460 крышки нижнего узла 450' сбора твердых частиц нормально смещен в закрытое положение. Однако когда накопленные твердые частицы 16 в воронке 455 прикладывают достаточную нагрузку к крышке 471, тогда узел 460 крышки открывается и позволяет твердым частицам 16 падать через расточку 464 в трубчатый выпуск 480. Твердые частицы 16 продолжают падать вниз и проходят через отверстия 482 в сетке 481, выходя из сепаратора 400.
Разрыв циклонического потока скважинных флюидов 14 в подводящей трубе 431 может отрицательно влиять на способность сепаратора 400 разделять твердые частицы 16 от скважинных флюидов 14. Однако использование последовательно установленных двух узлов 460 крышки позволяет свести к минимуму отрицательное влияние на циклонический поток 14 в подводящей трубе 431. В частности, область низкого давления в проходе 415 стремится втягивать флюиды из прохода 441 и кожуха 451 верхнего узла 450 сбора твердых частиц вверх в вихревую трубу 413. Однако так как узел 460 крышки верхнего узла 450 сбора твердых частиц смещен в закрытое положение, поток вверх флюидов из прохода 441 и кожуха 451 будет ограничен и/или прекращен. В частности, когда узел 460 крышки закрыт, проход 441 и кожух 451 верхнего узла 450 сбора твердых частиц функционируют как герметичный резервуар, и если флюиды втягиваются вверх из прохода 441 и кожуха 451, то в них создается вакуум, который препятствует такому течению вверх флюидов. Когда вес твердых частиц 16 в верхнем узле 450 сбора твердых частиц превышает действие противовеса 472, тогда узел 460 крышки открывается и позволяет твердым частицам 16 падать из верхнего узла 450 сбора твердых частиц в нижний узел 450' сбора твердых частиц. Это временно создает флюидную связь между проходом 415 и обоими кожухами 451 узлов 450, 450'. Однако, как уже было описано здесь выше, узлы 460 крышки сконфигурированы так, что они не открываются одновременно. Таким образом, когда узел 460 крышки верхнего узла 450 открыт, тогда узел 460 крышки нижнего узла 450' закрыт.Наоборот, когда узел 460 крышки верхнего узла 450 сбора временно открыт, что позволяет твердым частицам 16 проходить в нижний узел 450' сбора, тогда поток флюидов вверх в проходе 441 и кожухах 451 будет ограничен и/или прекращен. В частности, когда узел 460 крышки верхнего узла 450 сбора открыт, тогда проход 441 и кожухи 451 функционируют как герметичный резервуар.
Когда узел 460 крышки узла 450 сбора открыт, твердые частицы 16 падают из верхнего узла 450 сбора в нижний узел 450' сбора. Узел 460 крышки нижнего узла 450' сбора остается закрытым, когда твердые частицы 16 падают в него. Когда достаточное количество твердых частиц из воронки 455 верхнего узла 450 сбора пройдет через расточку 464, тогда узел 460 крышки верхнего узла 450 сбора опять закрывается. Твердые частицы 16 начинают накапливаться в воронке 455 нижнего узла 450', пока нагрузка на крышку 471 нижнего узла 450' не станет достаточной для преодоления действия противовеса 472 нижнего узла 450'. Аналогично ранее описанному, поток вверх флюидов из прохода 441 и кожухов 451 в проход 415 будет ограничен и/или прекращен. В результате разрыв циклонического потока скважинных флюидов 14 в подводящей трубе 431 будет сведен к минимуму и/или исключен.
В этом конструктивном варианте, сепаратор 400 предназначен главным образом для вертикального развертывания. При главным образом горизонтальном развертывании насоса деожижения (например, насоса 100) сепаратор 400 может быть исключен и заменен другим типом сепаратора, способным работать главным образом при горизонтальной ориентации впускных сеток или фильтров, или их комбинации.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, 3 и 4A-4G, на которых показано, что насос 100 деожижения развернут при помощи не имеющего буровой установки транспортного средства 30 развертывания, что позволяет поднимать скважинные флюиды 14 со дна имеющего относительно низкое давление ствола скважины 20, чтобы повысить дебит скважины. Альтернативно, насос 100 может быть развернут на стандартной колонне сочлененных труб с использованием обычной установки для капитального ремонта скважины. Скважинные флюиды 14, которые могут содержать твердые частицы, жидкую и газовую фазы, всасываются со дна ствола скважины в сепаратор 400, который удаляет по меньшей мере порцию твердых частиц из скважинных флюидов 14 и подает на выпуск главным образом не содержащие твердых частиц скважинные флюиды 15 (то есть скважинные флюиды без порции твердых частиц, удаленных при помощи сепаратора 400). Скважинные флюиды 15 с выхода сепаратора 400 всасываются во флюидный концевой насос 110 через канал 205, который проходит через компенсатор 350, двигатель 300 и гидравлический насос 200, и канал 116 скважинных флюидов в распределитель 115. Такая схема расположения служит также другим средством отвода теплоты от двигателя 300 и гидравлического насоса 200, когда скважинные флюиды 15 проходят через внутреннюю часть двигателя 300 и гидравлического насоса 200. В частности, эта схема расположения принудительно создает противоток скважинных флюидов 15 вверх через центр двигателя 300 и гидравлического насоса 200 и рабочей жидкости вниз около канала 205 через двигатель 300 и гидравлический насос 200, что позволяет улучшить охлаждение. Эта конструкция также позволяет исключить радиально внешний кожух, который обычно используют в большинстве стандартных погружных электронасосах и который ограничивает минимальный внешний диаметр насоса и минимальный размер обсадной трубы, в которой насос может быть развернут. Дополнительно, раскрытая здесь конструкция с протеканием скважинных флюидов 15 по центру обеспечивает прямой, не имеющий препятствий, путь протекания во флюидный концевой насос 110. Скважинные флюиды 15, поступающие во флюидный концевой насос 110, входят в секции 121а, 125 через впускные клапаны 520 верхнего и нижнего клапанных узлов 500, 500' и нагнетаются на поверхность 11 через соединитель 45 и трубопровод 40.
Флюидный концевой насос 110 приводится в действие при помощи гидравлического насоса 200, а гидравлический насос 200 имеет привод от электродвигателя 300. Проводники 46 в наматываемом трубопроводе 40 позволяют подводить электроэнергию на дно скважины к двигателю 300, который обеспечивает вращение приводного вала 320 двигателя, гидравлического приводного вала 298 и наклонных дисков 270. Когда диски 270 вращаются, рабочая жидкость из насосных камер 220, 230 циклически подается в поршни 255 через пазы 272, сжимается в поршнях 255 и затем проходит в узел 130 маятникового клапана флюидного концевого насоса 110 через ветви 215, 216 и проходы 214, 117, 113. Узел 130 маятникового клапана поочередно подает сжатую рабочую жидкость в секции 121b, 125b камеры, за счет чего создается возвратно-поступательное движение поршней 122, 126 флюидного концевого насоса. Использование гидравлического насоса 200 совместно с флюидным концевым насосом 110 позволяет создавать относительно высокие давления флюида, необходимые для того, чтобы принудительно подавать или выбрасывать относительно низкие объемы скважинных флюидов 15 на поверхность 11. В частности, гидравлический насос 200 преобразует механическую энергию (частоту вращения и вращающий момент) в гидравлическую энергию (поочередно изменяющиеся давление и поток), причем он специфически выполнен так, чтобы создавать относительно высокие давления при относительно низких расходах и при относительно высоком кпд. Добавление флюидного концевого насоса 110 позволяет создать изолированную систему гидравлического насоса с замкнутым контуром, при ограничении воздействия флюидов ствола скважины на флюидный концевой насос 110. Это создает потенциал для повышения срока службы и снижения износа. Флюидный концевой насос имеет только незначительные гидравлические потери и в основном имеет прямую связь с выходным давлением гидравлической системы. Кроме того, возможности выпуска флюида с переменной скоростью системы позволяют учитывать изменяющиеся давление и выходной расход флюидного концевого насоса.
Вообще говоря, различные детали и компоненты насоса 100 деожижения могут быть изготовлены из любых подходящих материалов, в том числе (но без ограничения) из металлов и металлических сплавов (например, из алюминия, стали, инконеля и т.п.), из неметаллических материалов (например, из полимеров, эластомеров, керамики и т.п.), из композиционных материалов (например, из композиционных материалов с углеродным волокном и эпоксидной матрицей, и т.п.), или из их комбинации. Однако компоненты насоса 100 преимущественно изготавливают из прочных, коррозионно-стойких материалов, таких как сталь, которые подходят для использования в тяжелых условиях на дне скважины. Несмотря на то, что насос 100 деожижения был описан в контексте деожижения газовых скважин, следует иметь в виду, что описанные здесь конструктивные варианты насоса 100 деожижения также могут быть использованы в нефтяных скважинах.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. Следует иметь в виду, что описанные варианты осуществления изобретения являются только примерными, а не ограничительными. В рамках настоящего изобретения возможны различные изменения и модификации описанных здесь систем, устройств и способов. Например, могут быть изменены относительные размеры различных деталей, могут быть изменены материалы, из которых изготовлены различные детали, а также могут быть изменены другие параметры. Таким образом, объем патентной защиты не ограничен описанными здесь вариантами осуществления настоящего изобретения, а ограничен только приведенной далее формулой изобретения, которая включает в себя все эквиваленты предмета формулы изобретения.