СКВАЖИННАЯ ЭЛЕКТРОГИДРОПРИВОДНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
BOREHOLE ELECTROHYDRAULIC PUMP UNIT

Область техники
Изобретение относится к насосным системам для добычи нефти из скважин, в частности к устройству возвратно-поступательного действия, имеющему в качестве привода погружной электрический двигатель (ПЭД), более конкретно, к скважинной электрогидроприводной насосной установке.
Уровень техники
В уровне техники известно большое количество конструктивного исполнения насосных установок.
Из патентного документа RU 2105193 С1 от 20.06.1996, известен гидроприводной насос, содержащий корпус с системами уплотнений и размещенным в его полости с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочим органом, а также прикрепленные к торцам корпуса крышки, в одной из которых выполнено по крайней мере одно отверстие для подсоединения к приводной гидросистеме, а во второй - по крайней мере одно отверстие для подсоединения к всасывающей и нагнетательной магистралям, при этом, корпус насоса выполнен сборным, а рабочий орган представляет собой диск с закрепленными на его торцах плунжерами.
Недостатками данной конструкции насоса является сложность его изготовления и эксплуатации, что характерно для поршневых насосов. Это обусловливает высокую стоимость и небольшой ресурс работы. Отсутствие амортизаторов между периодически контактирующими элементами насоса снижает надежность его работы. Кроме того, устройство имеет ограниченные эксплуатационные возможности, поскольку его конструкция не допускает переналадки насоса на другие условия работы (например, по подаче и давлению).
Из патентного документа RU 2116512 С1 от 27.07.1998 известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, при этом, он снабжен гидродвигателем, причем гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, штоки плунжеров соединены друг с другом, полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель с входом и выходом приводного насоса, всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса, цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой жидкости, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема и соединенным с входом приводного насоса.
Недостатком данной конструкции устройства является то, что имеет низкий КПД, характерный для диафрагменных электронасосов, и невысокую надежность работы ввиду частого выхода из строя элементов кинематики.
В качестве прототипа было выбрано техническое решение по патентному документу RU 2166668 С1 от 10.05.2001, из которого известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий кинематически связанные между собой погружной электродвигатель и приводной насос, рабочий насос с всасывающим и нагнетательным клапанами, приводимый в действие гидродвигателем, полости цилиндра которого связаны через распределитель со входом и через предохранительный клапан - с выходом приводного насоса, при этом шток гидродвигателя через протектор соединен со штоком рабочего насоса, а его корпус содержит переднюю и заднюю крышки, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема, в одной из секций которого установлен переливной клапан, регулятор расхода и фильтр, при этом, протектор выполнен в виде гибкого рукава, один конец которого жестко закреплен на штоке гидродвигателя, а другой - на его передней крышке, гидродвигатель снабжен гидротормозом, расположенным в его задней крышке, и ограничителем поворота штока, размещенным внутри рабочего органа гидродвигателя и жестко закрепленным на его задней крышке, причем полость рукава соединена посредством трубопровода с баком.
Недостатком известной конструкции является низкий КПД, характерный для диафрагменных электронасосов, и невысокая надежность работы, ввиду частого выхода из строя элементов кинематики.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - создание погружной скважинной насосной установки возвратно-поступательного действия, с более высоким КПД относительно установок для скважин с низким дебитом, а также повышение надежности, увеличение ресурса и эксплуатационных возможностей низкодебитных погружных электроустановок.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении эффективности низкодебитных погружных электрогидроприводных насосных установок.
Заявленный технический результат достигается благодаря тому, что скважинная электрогидроприводная насосная установка включает в себя кинематически связанные между собой погружной электрический двигатель (ПЭД) с гидравлической защитой, приводной насос и гидродвигатель, а также рабочий насос с нагнетательным и всасывающими клапанами, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит делитель потока и механический переключатель, а приводной насос, распределитель потока, делитель потока, механический переключатель, связанный со штоком технологического гидроцилиндра, и все узлы расположены в цилиндрическом корпусе, заполненном маслом, при этом погружной электродвигатель соединен с приводным насосом посредством муфты и имеет с гидравлической защитой общую маслосистему.
Муфта является шлицевой. Корпус представляет собой бак.
Цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют всасывающий и нагнетательный/предохранительный клапаны.
Насосный агрегат имеет бак с компенсатором объема и давления масла, который соединен с входом приводного шестеренного насоса.
На чертеже представлен общий вид скважинной электрогидроприводной насосной установки,
где
1 - погружной электродвигатель (ПЭД) с гидравлической защитой (Г/З)
2 - приводной насос
3 - распределитель потока рабочей жидкости
4 - делитель потока
5 - механический переключатель
6 - технологический гидроцилиндр (ТГЦ)
7 - рабочий плунжерный насос
8 - бак
9 - нагнетательный трубопровод
10 предохранительный/нагнетательный клапан
11 - всасывающий клапан
Приводной насос объемного действия (например, шестеренный) обеспечивает бесперебойную работу насосной установки.
Делитель потока обеспечивает выравнивание скорости перемещения штока технологического цилиндра, как в прямом, так и в обратном ходе.
Механический переключатель необходим для перенаправления потока рабочей жидкости через распределитель.
Технологический гидроцилиндр (ТГЦ) выполняет функцию гидравлического подъемника двойного хода.
Рабочий плунжерный насос обеспечивает подъем скважинной жидкости по колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), на которых собственно подвешена вся электроприводная насосная установка.
Погружной электродвигатель ПЭД (1) соединен шлицевой муфтой с приводным насосом (2). Погружной электродвигатель (ПЭД) с гидравлической защитой имеют общую маслосистему, которая заполнена синтетическим маслом, непосредственно разработанным для данных двигателей.
Гидравлическая защита предназначена для защиты от проникновения пластовой жидкости во внутреннюю полость погружных асинхронных маслозаполненных электродвигателей, компенсации утечек масла и тепловых изменений его объема при работе и остановках, а также передачи крутящего момента вала электродвигателя на вал насоса.
Протекторы типа ПА представляют собой однокорпусные гидрозащиты безкомпенсаторного типа и предназначены для комплектации двигателей серии ПЭД с диаметром корпуса 103, 117, 130 мм, с правым и левым вращением вала, изготовленных по ТУ 3381-001-93436026-2006, и других электродвигателей с соответствующими габаритными, присоединительными размерами и техническими характеристиками.
Протекторы типа ПАВ представляют собой двухкорпусные гидрозащиты, состоящие из протектора ПАВ и компенсатора КАВ, и предназначены для комплектации двигателей серии ПЭДВ с диаметром корпуса 103, 117, 130 мм, с левым вращением вала, изготовленных по ТУ 3381-001-93436026-2006, предназначенных для индивидуальной механизированной перекачки воды из пласта в пласт (установки перевернутого типа).
Протекторы типа ПАД представляют собой однокорпусные гидрозащиты, предназначенные для комплектации двигателей серии ПЭДД (с двухсторонним выходом вала) с диаметром корпуса 103, 117, 130 мм, с правым и левым вращением вала, изготовленных по ТУ 3381-001-93436026-2006, предназначенных для установок с двумя насосами. При данной комплектации вращающий момент на основной насос (расположенный выше электродвигателя) передается через протектор типа ПА, вращающий момент на подпорный насос (расположенный ниже электродвигателя) передается через протектор типа ПАД.
Над приводным насосом (2) располагается распределитель потока рабочей жидкости (3), делитель потока (4), механический переключатель 5, кинематически связанный со штоком технологического цилиндра (6), и все перечисленные конструктивные узлы размещены в цилиндрическом корпусе (трубе) диаметром 103 мм, который является баком 8, заполненным маслом, имеющим максимально высокую вязкость, для работы в условиях высоких температур скважины (до +230°С). Выходным звеном электрогидроприводной насосной установки является шток ТГЦ с длиной хода 1200 мм.
Вход приводного насоса расположен непосредственно в корпусе-баке, что обеспечивает беспрепятственную подачу масла. Нагнетательный трубопровод (9) проходит внутри корпуса-бака от приводного насоса (2) к распределителю потока рабочей жидкости (3) и соединяется с предохранительным клапаном (10), выходное отверстие которого выходит в маслонаполненную полость корпуса-бака.
Распределитель потока рабочей жидкости (3) соединен посредством трубопроводов с верхней и нижней полостями ТГЦ (6), причем трубопровод, идущий к верхней полости ТГЦ (6), проходит через делитель потока 4.
Шток ТГЦ 6 на выходе механически соединен с плунжером рабочего насоса (7), который имеет всасывающий клапан в подвижной части плунжера и нагнетательный клапан в верхней части насоса. Плунжер рабочего насоса расположен в цилиндре, в нижней части которого имеются отверстия для приема добываемой жидкости. Внутри плунжера установлен всасывающий клапан, а в верхней части цилиндра - нагнетательный клапан.
Электрогидроприводная насосная установка соединена при помощи свинчивания с НКТ, на которых происходит спуск оборудования в скважину.
Электрическое обеспечение ПЭД происходит по кабелю (типа КПБП), муфта которого непосредственно герметично соединяется с электрическим двигателем ПЭД, а кабель, опускаемый с установкой, крепится к колонне НКТ с помощью хомутов (не показано).
Электрогидроприводная насосная установка работает по следующей схеме.
При погружении насосной установки в скважину, пластовая жидкость заполняет нижнюю полость рабочего плунжерного насоса (7) через приемные отверстия. По мере спуска установки в рабочую зону скважины растет гидростатическое давление в нижней части рабочего плунжерного насоса (7) и под его действием открываются как всасывающий, так и нагнетательные клапаны, и пластовая жидкость заполняет не только полости рабочего насоса (7), но и насосно-компрессорные трубы (НКТ) до уровня, прямо пропорционального давлению пласта скважины.
При запуске электродвигателя ПЭД (1) начинает работать приводной насос (2), который через распределитель (3) подает масло под высоким давлением в нижнюю полость ТГЦ (6). Поршень ТГЦ (6) начинает перемещаться вверх, вытесняя масло из своей верней полости; масло по трубопроводу через распределитель (3) попадает в корпус-бак установки и далее непосредственно на вход приводного насоса (2). Разница между объемами нагнетаемого и вытесняемого в ТГЦ масла обуславливается наличием штока большего диаметра, чем в нижней части, и компенсируется за счет делителя потока (4).
Перемещение поршня ТГЦ 6 вверх вынуждает перемещаться вверх плунжер рабочего насоса 7, через механически связанный шток одного и другого насосов, при этом происходит нагнетание пластовой жидкости из верхней полости рабочего насоса 7 через нагнетательный клапан в НКТ, в то же время происходит заполнение нижней полости рабочего насоса пластовой жидкостью через всасывающий клапан.
При достижении поршня ТГЦ (6) верхней точки, происходит переключение распределителя потока(3) механическим переключателем (5) и осуществляется обратный ход механически связанных плунжера рабочего насоса (7) и поршня ТГЦ (6). При достижении поршнем ТГЦ (6) нижнего положения происходит обратное переключение распределителя (4), и рабочий цикл повторяется.
Заявленная скважинная электрогидроприводная насосная установка может быть использована в нефтедобывающей промышленности для подъема нефти из вертикальных и наклонно-направленных скважин с осложненными условиями эксплуатации.
Для работы в условиях высоких температур в «горячих» скважинах до 230°, в качестве рабочей жидкости было выбрано масло, применяемое для смазки гидроцилиндров, приводимых в действие водяным паром. Кинематическая вязкость этого масла согласно данным составляет 60-70 сСтс (сантистокс) при 100°С. Аналога ему или превосходящего его по кинематической вязкости не обнаружено.
Скважинная электрогидроприводная насосная установка соответствует требованиям техники безопасности и производственной санитарии, т.к. ее эксплуатация производится на глубине в скважине вдали от обслуживающего персонала.