ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ, ШЛАМОУЛОВИТЕЛЬ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ПОГРУЖНОГО СКВАЖИННОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА

Технические решения относятся к устройствам для очистки пластовой жидкости в нефтяных скважинах и могут быть использованы в нефтедобывающей промышленности для защиты погружного насосного оборудования от воздействия мехпримесей, содержащихся в перекачиваемой жидкости, преимущественно после проведения операции по гидроразрыву пласта, в процессе освоения скважин, а также при добыче нефти из пескопроявляющих скважин с концентрацией мехпримесей до 5 г/л, а также для защиты насосного оборудования от нештатных режимов работы при засорении сепарирующих устройств.
Применение шламоуловителей в скважинах с высокой концентрацией мехпримесей существенно повышает долговечность погружного насоса за счет снижения износа его рабочих органов от воздействия гидроабразивной смеси.
Известен погружной скважинный насосный агрегат для добычи нефти, описанный, в частности, в авторском свидетельстве SU 1308754 А1, 07.05.1987, включающий в себя погружной скважинный насос, погружной
электродвигатель и шламоуловитель, содержащий шнековый центробежный сепаратор для отделения частиц мехпримесей от перекачиваемой жидкости, а также шламосборник для накопления отделенных в сепараторе частиц мехпримесей. Насосный агрегат содержит средства для обеспечения движения потока перекачиваемой жидкости на прием насоса через шламоуловитель, которые включают в себя патрубок, верхний конец которого выполнен с возможность закрепления на нижнем модуле насосного агрегата, а нижний конец предназначен для закрепления шламоуловителя, а также устройство для герметизации кольцевого зазора (пакер-пробка), закрепленное на патрубке с возможностью герметичной установки в эксплуатационной колонне при размещении насосного агрегата в скважине. При этом между верхним концом патрубка и пакер-пробкой выполнены перфорации для прохода перекачиваемой жидкости.
Известен погружной скважинный насосный агрегат для добычи нефти, описанный, в частности, в патенте US Re.35454 E, 18.02.1997, который включает в себя погружной скважинный насос, погружной электродвигатель и шламоуловитель, содержащий шнековый центробежный сепаратор для отделения частиц мехпримесей от перекачиваемой жидкости, а также шламосборник для накопления отделенных в сепараторе частиц мехпримесей. Насосный агрегат содержит средства для обеспечения движения потока перекачиваемой жидкости на прием насоса через сепаратор, которые включают в себя полый цилиндрический кожух, выполненный с возможностью размещения внутри него погружного электродвигателя насосного агрегата
таким образом, что обеспечивается возможность движения потока перекачиваемой жидкости через зазор между кожухом и электродвигателем. Кожух выполнен с возможностью закрепления своим верхним концом выше приемного отверстия насоса. Указанные средства включают в себя также полый цилиндрический хвостовик, выполненный с возможностью закрепления со стороны нижнего конца кожуха с обеспечением движения основного потока пластовой жидкости через нижний конец хвостовика, который предназначен для закрепления шламоуловителя.
Указанное техническое решение принято за прототип для первой полезной модели из заявленной группы.
Известен шламоуловитель погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти, описанный в патенте RU 2148708 С1, 10.05.2000, содержащий корпус с приемным отверстием, гидроциклонный сепаратор и шламосборник, выполненный с возможностью закрепления на нижней части корпуса шламоуловителя под упомянутым сепаратором относительно рабочего положения шламоуловителя в скважине. Гидроциклонный сепаратор включает в себя сливной патрубок, расположенный в корпусе шламоуловителя и ориентированный в осевом направлении, при этом верхний открытый конец сливного патрубка гидравлически изолирован от приемного отверстия шламоуловителя. На наружной поверхности сливного патрубка расположены винтовые лопасти, образующая винтовой канал, вход которого гидравлически связан с приемным отверстием шламоуловителя, а выход с нижним открытым концом сливного патрубка. Сепаратор также включает в себя гидроциклон,
который расположен под нижним концом сливного патрубка. Наличие гидроциклона обеспечивает повышенную эффективность сепарации мехпримесей по сравнению с сепараторами, описанными в предыдущих аналогах.
Указанное техническое решение принято за прототип для второй полезной модели из заявленной группы.
Общим недостатком описанных выше аналогов, включая прототипы первой и второй полезной модели, является отсутствие средств для защиты насоса от срыва подачи и погружного электродвигателя от перегрева при забивании сепаратора частицами мехпримесей или переполнении шламосборника, когда движение жидкости через насосный агрегат становится невозможным, а также отсутствие средств для регулирования производительности сепаратора и тонкости очистки жидкости по размеру сепарируемых твердых частиц, а также отсутствие средств для оптимизации работы сепаратора в зависимости от условий конкретной скважины.
Известен предохранительный клапан погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти, описанный в патенте US 5494109 А, 27.02.1996, включающий в себя корпус, выполненные с возможностью подключения в трубопровод для подачи перекачиваемой жидкости на прием насоса. В боковой стенке корпуса выполнены перепускные отверстия. Клапан включат в себя также золотниковую втулку с перепускными отверстием, размещенную в корпусе с возможностью осевого перемещения таким образом, что в верхнем положении втулки обеспечивается возможность движения
перекачиваемой жидкости через упомянутые перепускные отверстия корпуса и втулки на прием насоса в обход фильтрующих элементов, расположенных на входе упомянутого трубопровода. Это обеспечивает защиту насоса от срыва подачи и погружного электродвигателя от перегрева при забивании фильтрующих элементов частицами мехпримесей. Смещение золотниковой втулки в верхнее положение происходит повышении давления в затрубном пространстве под действием дифференциального поршня, шток которого размещен в осевом отверстии корпуса клапана.
Указанное техническое решение принято за прототип для третьей полезной модели из заявленной группы.
Основными недостатками прототипа является недостаточная чувствительность и скорость срабатывания клапана, который реагирует на повышение давления в затрубном пространстве, вызываемом прекращением движения жидкости через фильтр, а не на само отсутствие движения перекачиваемой жидкости.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти пригодного для использования в скважине после проведения операции по гидроразрыву пласта, в процессе освоения скважин без последующего подъема насосного агрегата, а также для постоянной эксплуатации при добыче нефти из пескопроявляющих скважин с концентрацией мехпримесей до 5 г/л.
Технический результат, достигаемый при реализации первой полезной
модели, заключается в обеспечении эффективной защиты погружного насосного оборудования от воздействия мехпримесей, содержащихся в перекачиваемой жидкости, без загрязнения призабойной зоны скважины, а также защиты насосного оборудования от нештатных режимов работы при переполнении шламосборника и/или забивании сепаратора частицами мехпримесей.
Технический результат, достигаемый при реализации второй полезной модели, заключается в повышении эффективности очистки жидкости за счет обеспечения возможности оптимизации параметров сепаратора в зависимости от условий конкретной скважины, а также в обеспечении возможности легкого изменения основных рабочих параметров гидроциклонного сепаратора, в частности, производительности сепаратора и минимального размера отделяемых частиц мехпримесей.
Технический результат, достигаемый при реализации третьей полезной модели, заключается в повышении чувствительности и скорости срабатывания предохранительного клапана.
Погружной скважинный насосный агрегат для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя погружной скважинный насос, погружной электродвигатель и шламоуловитель, который содержит сепаратор для отделения частиц мехпримесей от перекачиваемой жидкости, выполненный с возможностью размещения перед приемом насоса по ходу движения перекачиваемой жидкости, а также шламосборник для накопления отделенных в сепараторе частиц мехпримесей. При этом в отличии от прототипа насосный агрегат снабжен предохранительным
клапаном, выполненным с возможностью гидравлического соединения приема насоса с затрубным пространством за шламоуловителем по ходу движения перекачиваемой жидкости при условии прекращения движения перекачиваемой жидкости через шламоуловитель.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели, насосный агрегат содержит средства для обеспечения движения потока перекачиваемой жидкости на прием насоса через шламоуловитель, которые включают в себя патрубок, верхний относительно рабочего положения насосного агрегата конец которого выполнен с возможность закрепления на нижнем фланце погружного электродвигателя или компенсатора гидрозащиты или блока погружной телеметрии, а нижний конец патрубка предназначен для закрепления шламоуловителя, указанные средства также включают в себя устройство для герметизации кольцевого зазора, установленное на патрубке и выполненное с возможностью обеспечения по существу герметичной установки в эксплуатационной колонне при размещении насосного агрегата в скважине, при этом между верхним концом патрубка и устройством для герметизации кольцевого зазора в стенке патрубка выполнены отверстия для прохода перекачиваемой жидкости на прием насоса.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели, насосный агрегат содержит средства для обеспечения движения потока перекачиваемой жидкости на прием насоса через шламоуловитель, которые включают в себя полый цилиндрический кожух, выполненный с возможностью размещения внутри него погружного электродвигателя таким образом, что
обеспечивается возможность движения потока перекачиваемой жидкости через зазор между кожухом и электродвигателем, при этом кожух выполнен с возможностью, по существу, герметичного закрепления своим верхним относительно рабочего положения насосного агрегата концом выше приемного отверстия насоса, средства для обеспечения движения потока перекачиваемой жидкости включают в себя также полый цилиндрический хвостовик, выполненный с возможностью, по существу, герметичного закрепления своим верхним концом на нижнем открытом конце кожуха с обеспечением движения потока пластовой жидкости через нижний конец хвостовика, который предназначен для закрепления шламоуловителя.
Шламоуловитель погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, содержит корпус с приемным отверстием, гидроциклонный сепаратор и шламосборник, выполненный с возможностью закрепления под упомянутым сепаратором относительно рабочего положения шламоуловителя в скважине. Сепаратор включает в себя сливной патрубок, расположенный в корпусе шламоуловителя и ориентированный осевом направлении, при этом верхний открытый конец сливного патрубка гидравлически изолирован от приемного отверстия шламоуловителя. На наружной поверхности сливного патрубка расположена, по меньшей мере, одна винтовая лопасть, образующая винтовой канал, вход которого гидравлически связан с приемным отверстием шламоуловителя, а выход с нижним открытым концом сливного патрубка. Сепаратор включает в себя гидроциклон, который расположен под
i
i
нижним концом сливного патрубка. При этом в отличии от прототипа гидроциклон включает в себя сменную вставку с конусообразной внутренней стенкой, выполненную с одним из заданных углов конусности α, а также сменную насадку, расположенную со стороны вершины конусообразной стенки вставки и образующую разгрузочное отверстие сепаратора с одним из заданных диаметров d.
i
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели, сменную вставку с соответствующим углом конусности α выбирают с учетом, в частности, характеристик перекачиваемой жидкости.
i
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели, сменную насадку с соответствующим диаметром разгрузочного отверстия d выбирают с учетом, в частности, внутреннего диаметра сливного патрубка D, требуемой производительности сепаратора и требуемой тонкости очистки по минимальному размеру отделяемых частиц мехпримесей.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели, сливной патрубок выполнен заодно с винтовыми лопастями.
Предохранительный клапан погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя корпус с перепускным отверстием, который выполнен с возможностью подключения в трубопровод для подачи перекачиваемой жидкости на прием насоса, золотниковую втулку с перепускным отверстием, размещенную в корпусе с возможностью осевого перемещения
таким образом, что в одном из положений втулки обеспечивается возможность движения перекачиваемой жидкости через упомянутые перепускные отверстия корпуса и втулки. При этом в отличии от прототипа золотниковая втулка выполнена с возможностью перемещения под воздействием потока перекачиваемой погружным насосом жидкости в положение, при котором исключается возможность движения перекачиваемой жидкости через перепускные отверстия корпуса и втулки. Между золотниковой втулкой и корпусом образована дифференциальная полость таким образом, что направление результирующей силы, действующей на золотниковую втулку при размещении предохранительного клапана в скважине, противоположно направлению воздействия на золотниковую втулку потока перекачиваемой жидкости.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели, перепускные отверстия выполнены в боковой стенке корпуса и втулки, а возможность движения перекачиваемой жидкости через перепускные отверстия корпуса и втулки обеспечивается в крайнем нижнем положении золотниковой втулки относительно рабочего положения клапана в скважине.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели, золотниковая втулка снабжена шариковым обратным клапаном, выполненным с возможностью перекрытия центрального отверстия втулки при движении жидкости в направлении, противоположном направлению движения потока жидкости, перекачиваемой погружным насосом.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели, золотниковая
втулка подпружинена в направлении воздействия на втулку потока перекачиваемой погружным насосом жидкости, при этом усилие, создаваемое пружиной, меньше упомянутой результирующей силы в любом положении золотниковой втулки.
Наличие в составе погружного насосного агрегата шламоуловителя, содержащего гидроциклонный сепаратор для отделения частиц мехпримесей от перекачиваемой жидкости, позволяет обеспечить эффективную защиту насоса от мехпримесей, а наличие шламосборника для накопления отделенных в сепараторе частиц мехпримесей позволяет исключить засорение призабойной зоны скважины. В связи с тем, что емкость шламосборника всегда ограничена заявленное устройство наиболее рационально использовать в первые 15-20 суток после проведения гидроразрыва пласта, когда содержание частиц мехпримесей (пропанта) в перекачиваемой жидкости очень велико. В течении указанного периода шламосборник может полностью заполнится при этом наличие предохранительного клапана предотвратит выход из строя насосного агрегата, обеспечив подачу перекачиваемой жидкости (содержащей к этому моменту приемлемое количество мехпримесей) на прием насос минуя шламоуловитель. Аналогичным образом устройство может быть использовано при освоении скважины. Кроме того при добыче нефти из пескопроявляющих скважин с концентрацией мехпримесей до 5 г/л емкость шламосборника может обеспечить возможность эксплуатации насосного агрегата без переполнения шламоуловителя в течении всего межремонтного периода. В этом случае предохранительный клапан будет обеспечивать функцию защиты
насоса и электродвигателя от выхода из строя в результате случайного засорения сепаратора и пр.
i
i
i
Наличие сменных насадок с разным диаметром разгрузочного отверстия d позволяет регулировать основные рабочие параметры гидроциклона (производительность, соотношение выхода сливной (очищенной) и разгрузочной жидкостей, а также минимальный размер отделяемых частиц мехпримесей) за счет изменения разгрузочного отношения - отношения диаметра разгрузочного отверстия d сменной насадки к фиксированному внутреннему диаметру сливного патрубка D. Возможность изменения угла конусности гидроциклона α за счет использования сменных вставок позволяет повысить степень (эффективность) очистки жидкости путем подбора по известным закономерностям или экспериментальным путем оптимального угла конусности, соответствующего характеристикам жидкой фазы (обводненность и пр.), процентному содержанию и виду мехпримесей (пропант, песок, глина) и пр.
Наличие предохранительного клапана, обеспечивающего переток жидкости на прием насоса в обход шламоуловителя, при отсутствии движения жидкости через заполненный (загрязненный) шламоуловитель до того, как начинается повышение давления в затрубном пространстве, обеспечивает повышение чувствительности и скорости срабатывания предохранительного клапана.
Возможность осуществления каждой из полезных моделей, охарактеризованных приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается
описанием погружного скважинного насосного агрегата для добычи нефти с шламоуловителем и предохранительным клапаном, выполненными в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На фиг.1 изображен первый вариант исполнения погружного скважинного насосного агрегата с шламоуловителем и предохранительным клапаном.
На фиг.2 изображен второй вариант исполнения погружного скважинного насосного агрегата с шламоуловителем и предохранительным клапаном.
На фиг.3 изображен шламоуловитель погружного скважинного насосного агрегата.
На фиг.4 изображен вариант исполнения шламоуловителя с приемной сеткой.
На фиг.5 изображен предохранительный клапан погружного скважинного насосного агрегата.
Погружной скважинный насосный агрегат включает в себя погружной скважинный насос, погружной электродвигатель (на чертежах не показаны), шламоуловитель 1 и предохранительный клапан 5.
Шламоуловитель 1 содержит гидроциклонный сепаратор 2 с шнековым завихрителем потока, предназначенный для отделения частиц мехпримесей от перекачиваемой жидкости, а также шламосборник 3 для накопления отделенных в сепараторе частиц мехпримесей.
Шламоуловитель может быть установлен двумя способами.
Во-первых, на нижнем конце специального патрубка 4, верхний конец которого закрепляют на нижнем фланце погружного электродвигателя с помощью муфты. Ниже на патрубке 4 устанавливают пакер-пробку 6 обеспечивающую герметизации кольцевого зазора при установке насосного агрегата в скважине. Предпочтительный вариант исполнения пакер-пробки 6 описан в патенте RU 60613 U1, 27.01.2007. Между верхним концом патрубка 4 и пакер-пробкой 6 в патрубке выполняют перфорации 7 для прохода перекачиваемой жидкости в пространства над пакер-пробкой и, соответственно, на прием насоса.
При использовании второго способа установки шламоуловителя выше приемного отверстия насоса герметично закрепляется полый цилиндрический кожух 8, внутри которого размещают электродвигатель и гидрозащиту, обеспечивая зазор между стенкой кожуха и электродвигателя, необходимый для нормального прохода перекачиваемой жидкости. На нижнем открытом конце кожуха герметично закрепляют полый цилиндрический хвостовик 9, а на нижнем конце хвостовика - шламоуловитель 1.
Гидроциклонный сепаратор 2 (Фиг.3) шламоуловителя состоит из головки 11 с приемным отверстием 12, корпуса 10 и переходника 20.
Внутри головки 11 соосно центральному отверстию головки установлен сливной патрубок 13 с помощью втулки 14. Верхний (выходной) конец сливного патрубка расположен выше приемного отверстия 12 и гидравлически изолирован относительно него втулкой 14. Патрубок 13 выполнен с двумя винтовыми лопастями 15 на верхней части наружной поверхности, выполненными
заодно с патрубком и образующими двухзаходный шнековый элемент, вход которого находится на уровне приемного отверстия 12. Нижняя часть головки 11 и патрубка 13 образуют цилиндрическую часть сепаратора, наличие которой предотвращает движение твердых частиц в обратном направлении в процессе сепарации и, соответственно, вынос в слив мехпримесей. Наличие только одного приемного отверстия 12, диаметр которого определяют расчетом по известным зависимостям, позволяет увеличить эффективность сепарации за счет увеличения входной скорости жидкости (рост центробежных сил в гидроциклоне, что существенно повышает интенсивность отделения мехпримесей от жидкости, так как эффективность гидроциклона пропорциональна квадрату тангенциальной скорости потока). На головке 11 может быть установлена приемная сетка 28 препятствующая попаданию в шламоуловитель крупных твердых включений, попавших в перекачиваемую жидкость.
К нижней части головки 11 присоединен корпус 10 внутри которого закреплена сменная вставка 17 с конусообразной внутренней стенкой, образующей рабочую поверхность гидроциклона, и расположенная у основания конуса сменная насадка 18 с разгрузочным отверстием 19.
i
i
i
i
Каждая из сменных вставок 17 имеет один из заданных углов конусности α, а насадка 18 один из заданных диаметров разгрузочного отверстия d. Угол конусности α и диаметр разгрузочного отверстия d выбирают по известным зависимостям или экспериментальным путем с учетом внутреннего
диаметра D сливного патрубка 13, характеристик перекачиваемой жидкости, требуемой производительности сепаратора, размера отделяемых частиц мехпримесей и пр.
К корпусу 10 присоединен переходник 20 для соединения сепаратора с шламосборником 3, представляющим собой несколько соединенных между собой насосно-компрессорных труб с заглушкой 21 на нижнем конце. Заглушка препятствует выносу мехпримесей в скважину и обеспечивает поступление рабочей жидкости только через приемное отверстие 12.
Предохранительный клапан 5 (Фиг.5) насосного агрегата предназначен для соединения приема насоса с затрубным пространством за шламоуловителем 1 по ходу движения перекачиваемой жидкости при условии прекращения движения перекачиваемой жидкости через шламоуловитель.
Предохранительный клапан включает в себя корпус 23 с перепускными отверстиями 24 в боковой стенке, выполненный с возможностью подключения в патрубок 4 или хвостовик 9 за гидроциклонным сепаратором 2. Внутри корпуса 24 установлена золотниковая втулка 25 с радиальными перепускными отверстиями 26 в боковой стенке. Втулка 25 установлена с возможностью осевого перемещения. В крайнем нижнем положении втулки перепускные отверстия 24 и 26 совмещаются и обеспечивается возможность движения перекачиваемой жидкости из затрубного пространства на прием насоса. Между втулкой и корпусом образована дифференциальная полость 27 таким образом, что направление результирующей силы, действующей на золотниковую втулку (при наличии в полости предохранительного клапана избыточного
давления, т.е. при размещении предохранительного клапана в скважине), противоположно направлению воздействия на золотниковую втулку потока перекачиваемой жидкости, поступающего из сливного патрубка сепаратора 2. Золотниковая втулка 25 подпружинена в направлении воздействия потока перекачиваемой среды, при этом усилие, создаваемое пружиной 16, меньше упомянутой результирующей силы в любом положении втулки 25. Кроме того, втулка снабжена шариковым обратным клапаном 22, выполненным с возможностью перекрытия центрального отверстия втулки при движении жидкости в нижнем направлении после остановке насоса.
Устройство работает следующим образом.
Под давлением столба жидкости в скважине перекачиваемая жидкость поступает из скважины в шламоуловитель через приемное отверстие 12 и двигаясь по прямоугольному винтовому каналу, образованному лопастями 15, приобретает вращательно-поступательное движение, а затем попадает в гидроциклон (вставка 17), в котором жидкость под действием центробежных сил движется тангенциально относительно конической стенки гидроциклона, при этом в гидроциклоне формируется зона сепарации, на которой вертикальная скорость равна нулю. Внутри этой зоны создается разряжение, под действием которого жидкость движется вверх, образуя восходящий поток, а не периферии зоны сепарации жидкость с частицами мехпримесей движется вниз, образуя нисходящий поток. Твердые частицы в гидроциклоне под воздействием центробежной силы отбрасываются к стенкам и  сосредотачиваются в основном во внешнем нисходящем потоке, а незначительное количество
мехпримесей, попавших в восходящий поток, уносятся вместе с ним через сливное отверстие. Выход мехпримесей происходит через сменную насадку 18 с разгрузочным отверстием 19. Разгрузочная жидкость с мехпримесями через отверстие 19 попадает в шламосборник, где твердые частицы концентрируются в нижней его части.
При заполнении шламоуловителя 1 частицами мехпримесей движение жидкости через предохранительный клапан 5 прекращается, вследствие чего шариковый клапан 22 закрывается, а золотниковая втулка 25 под действием разности давлений, возникающей вследствие наличия дифференциальной полости 27, опускается вниз и занимает крайнее нижнее положение, сжимая пружину 16. Через совмещенные перепускные отверстия 24 и 26 рабочая жидкость поступает на прием насоса.