Автоматическая байпасная система
AUTOMATIC BYPASS SYSTEM

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] Приоритет данной заявки заявляется по предварительной патентной заявке США №62/326,826, поданной 24 апреля 2016 года и озаглавленной «Автоматическая байпасная система», содержание которой включено в данный документ.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[002] Данное изобретение относится в целом к области погружных насосных установок и в частности, но без ограничения этим, к усовершенствованной байпасной системе.
ПРЕДПОСЫЛКИ
[003] Погружные насосные установки часто устанавливают в скважинах для добычи жидкостей на углеводородной основе из подземных месторождений. Типичные погружные насосные установки содержат несколько компонентов, к которым относятся один или более электрических двигателей, заполненных текучей средой и присоединенных к одному или более высокоэффективным насосам, расположенным над двигателями. Узел из этих компонентов часто называют электрическим погружным насосом, или «ЭПН». При подаче питания к двигателю он обеспечивает крутящий момент для насоса, который выталкивает текучие среды из пробуренной скважины к поверхности через насосно-компрессорную колонну. Каждый компонент в погружной насосной установке должен быть спроектирован с обеспечением выдерживания неблагоприятных окружающих условий в скважине.
[004] Насосная установка может либо находиться непосредственно в насосно-компрессорной колонне, либо быть расположена параллельно перепускному трубопроводу. При втором варианте размещения в насосно-компрессорной колонне расположена байпасная система, при этом ЭПН поддерживается со стороны первой ветви, а перепускной трубопровод поддерживается со стороны второй ветви. Параллельное размещение используется в случае, когда оборудование необходимо доставить к положению ниже ЭПН в скважине.
[005] Во время работы ЭПН в перепускном трубопроводе обычно установлена заглушка для предотвращения рециркуляции текучих сред через перепускной трубопровод обратно в скважину. Использование заглушки требует использования установки для ремонта скважин, что является дорогостоящим и отнимает много времени. Другой недостаток заключается в том, что при нормальной работе отключение насоса приведет к возможности стекания столба текучей среды, находящегося в насосно-компрессорной колонне над байпасной системой, назад через насос, что может вызвать обратное вращение насоса и оседание в нем твердых частиц.
[006] Несмотря на успешное использование традиционных перепускных устройств в течение многих лет, остается необходимость в усовершенствованной байпасной системе, которая обладает повышенной производительностью и надежностью и при этом обеспечивает возможность эффективного вмешательства без высоких затрат на ремонт. На эти и другие цели направлено данное изобретение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[007] В иллюстративных вариантах выполнения байпасная система предназначена для использования с насосной установкой, которая содержит электрический погружной насос и перепускной трубопровод. Байпасная система содержит исполнительный клапанный узел, который регулирует доступ к перепускному трубопроводу и содержит поворотный шаровой клапан. Байпасная система также содержит главный клапанный узел, приводимый в действие давлением от электрического погружного насоса, и рычажный узел, присоединенный между главным клапанным узлом и исполнительным клапанным узлом. Рычажный узел выполнен с возможностью поворота указанного поворотного шарового клапана исполнительного клапанного узла при линейном перемещении главного клапанного узла.
[008] Согласно другому аспекту байпасная система имеет верхний канал для главного клапана, нижний канал для главного клапана и содержит главный клапан, расположенный внутри указанных верхнего и нижнего каналов. Главный клапан содержит неподвижный проточный патрубок, скользящий проточный патрубок и поплавковый запорный клапанный узел. Байпасная система также имеет выпускной канал, канал для исполнительного клапана и исполнительный клапанный узел, расположенный внутри указанного канала для исполнительного клапана. Исполнительный клапан содержит поворотный шаровой клапан. Байпасная система имеет проход для добытой среды, присоединенный между верхним каналом для главного клапана и выпускным каналом. Между скользящим проточным патрубком и поворотным шаровым клапаном присоединен рычажный узел, который поворачивает указанный клапан между открытым и закрытым положениями в ответ на линейное перемещение скользящего проточного патрубка.
[009] Согласно еще одному аспекту байпасная система содержит исполнительный клапанный узел, содержащий поворотный шаровой клапан. Байпасная система также содержит главный клапанный узел, приводимый в действие давлением от электрического погружного насоса. Главный клапанный узел содержит скользящий проточный патрубок, поплавковый запорный клапанный узел и рычажный узел. Рычажный узел присоединен между скользящим проточным патрубком и поворотным шаровым клапаном и выполнен с возможностью поворота указанного клапана в ответ на линейное перемещение скользящего патрубка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[010] Фиг. 1 изображает вид сбоку погружной насосной установки с байпасной системой, сконструированной согласно варианту выполнения данного изобретения.
[011] Фиг. 2 изображает вид сбоку байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 1, в закрытом положении при добыче.
[012] Фиг. З изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 2.
[013] Фиг. 4 изображает вид сбоку байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 1, в открытом положении при добыче,
[014] Фиг. 5 изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 4.
[015] Фиг. 6 изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы в положении добычи.
[016] Фиг. 7 изображает вид сбоку байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 1, после отключения насоса.
[017] Фиг. 8 изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы насосной установки, показанной на фиг. 1, в закрытом положении при добыче.
[018] Фиг. 9 изображает вид сбоку в разрезе альтернативного варианта выполнения байпасной системы в положении добычи.
[019] Фиг. 10 изображает вид сбоку дополнительного альтернативного варианта выполнения байпасной системы насосной установки по п. 1 формулы изобретения.
[020] Фиг. 11 изображает вид спереди байпасной системы, показанной на фиг. 10.
[021] Фиг. 12 изображает вид спереди в разрезе байпасной системы, показанной на фиг. 10.
[022] Фиг. 13 изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы, показанной на фиг. 10.
[023] Фиг. 14 изображает вид сбоку байпасной системы, показанной на фиг. 10.
[024] Фиг. 15 изображает вид сбоку в разрезе байпасной системы, показанной на фиг. 10, в двойном открытом положении.
[025] Фиг. 16 изображает вид спереди в разрезе зажимных кулачков в отсоединенном положении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[026] В соответствии с вариантом выполнения данного изобретения на фиг. 1 изображен вид сбоку насосной установки 100, присоединенной к насосно-компрессорной колонне 102. Насосная установка 100 и колонна 102 расположены в стволе 104 скважины, пробуренном для добычи текучей среды, такой как вода или нефть. Используемый в данном документе термин «нефть» относится в широком смысле ко всем минеральным углеводородам, таким как неочищенная нефть, газ и комбинации нефти и газа. Колонна 102 соединяет насосную установку 100 с устьем 106 скважины, расположенным на поверхности.
[027] Насосная установка 100 содержит электрический погружной насос 108, байпасную систему 110 и перепускной трубопровод 112. Электрический погружной насос 108 может содержать электрический двигатель, насос, протектор и другие компоненты и модули, обычно имеющиеся в погружных насосах. Следует понимать, что насос 108 может содержать центробежный насос или поршневой насос. В целом, насос 108 перекачивает текучие среды из ствола 104 скважины к поверхности через насосно-компрессорную колонну 102.
[028] Насос 108 и перепускной трубопровод 112 присоединены к байпасной системе 110, которая, в свою очередь, присоединена к колонне 102. Система 110 избирательно обеспечивает доступ к стволу 104 скважины через трубопровод 112 с созданием при этом канала для получения добытых текучих сред от насоса 108. Как показано на фиг. 1, байпасная система 110 выполнена так, что насос 108 расположен со смещением относительно колонны 102. Перепускной трубопровод 112 может быть прикреплен ободьями или иным способом присоединен к электрическому погружному насосу 108 ниже байпасной системы 110.
[029] На фиг. 2 и 3 изображены соответственно виды сбоку и в разрезе байпасной системы 110. Система 110 содержит основной корпус 114, содержащий верхний корпус 116 и нижний корпус 118. Верхний корпус 116 имеет верхний канал 120 для главного клапана, расположенный выше насоса 108, и выпускной канал 122, расположенный выше перепускного трубопровода 112. Нижний корпус 118 имеет нижний канал 124 для главного клапана и канал 126 для исполнительного клапана, расположенный выше трубопровода 112. Байпасная система 110 также имеет проход 128 для добытой среды, который соединяет верхний канал 120 для главного клапана с выпускным каналом 122. Верхний канал 120 и выпускной канал 122 расположены с возможностью проточного сообщения друг с другом через отводные отверстия 130 для выравнивания давлений в верхнем корпусе 116.
[030] Байпасная система 110 содержит главный клапанный узел 132, исполнительный клапанный узел 134 и рычажный узел 136. В целом, узел 132 представляет собой запорный клапан, выполненный с возможностью линейного перемещения внутри верхнего канала 120 в ответ на давление, создаваемое насосом 108. Исполнительный клапанный узел 134 содержит поворотный клапан, который избирательно открывает и закрывает доступ к перепускному трубопроводу 112. При подъеме узла 132 рычажный узел 136 поворачивает узел 134 в «закрытое» положение. При опускании узла 132 рычажный узел поворачивает узел 136 в «открытое» положение.
[031] Главный клапанный узел 132 содержит неподвижный проточный патрубок 138, присоединенный к нижнему корпусу 118. Патрубок 138 выровнен относительно верхнего канала 120 для главного клапана и расположен концентрично с ним. Главный клапанный узел 132 также содержит скользящий проточный патрубок 140, расположенный снаружи неподвижного патрубка 138 концентрично с ним с обеспечением возможности скольжения патрубка 140 поверх патрубка 138. Выход текучей среды через область сопряжения между неподвижным патрубком 138 и скользящим патрубком 140 предотвращается с помощью внутренних уплотнений (не являющихся специально выполненными для этого) или сопрягаемых механически обработанных поверхностей. В установленном состоянии скользящий патрубок 140 проходит вверх в верхний канал 120.
[032] Главный клапанный узел 132 также содержит сблокированный верхний скользящий патрубок 142 и поплавковый запорный клапанный узел 144. Верхний скользящий патрубок 142 присоединен к верхней части скользящего проточного патрубка 140 при помощи резьбового соединения. Патрубок 142 имеет радиальные проточные пазы 146.
[033] Поплавковый запорный клапанный узел 144 содержит запорный шар 148, поршень 150, амортизатор 152, золотники 154 и седло 156 запорного шара. Узел 144 удерживается в закрытом положении, в котором поршень 150 и амортизатор 152 прижимают шар 148 к седлу 156. Когда подпружиненные золотники 154 отпускаются в направлении наружу в соответствующую канавку внутри верхнего канала 120, узел 144 получает возможность осевого поступательного перемещения внутри верхнего скользящего патрубка 142.
[034] Когда узел 144 находится в заблокированном состоянии, достаточно высокое давление ниже шара 148, находящегося в седле, вызывает перемещение скользящего проточного патрубка 140, верхнего скользящего патрубка 142 и запорного шарового узла 144 в направлении вверх в верхний канал 120 с противодействием усилию, прикладываемому возвратной пружиной 158. Когда патрубок 140 достигает вершины своего хода, золотники 154 выдвигаются наружу в сопряженную канавку внутри верхнего канала 120, в результате чего происходит разблокировка клапанного узла 144. Запорный шар 148 при этом может подняться из седла 156 и прижать поршень к амортизатору 152. В данном положении происходит запирание всего главного клапанного узла 132 в рабочем положении, в котором запорный клапанный узел 144 находится в открытом положении, обеспечивающем возможность прохождения текучей среды в верхний скользящий патрубок 142, а радиальные пазы 146 совмещены с проходом 128 для обеспечения возможности выхода текучей среды в выпускной канал 122.
[035] Главный клапанный узел 132 поджимается в закрытое положение возвратной пружиной 158. Общее усилие, прикладываемое пружиной 158 и давлением текучей среды, действующим на верхнюю часть шара 148, находящегося в седле, вызывает обратное перемещение золотников 154 и опускание узла 132 обратно в закрытое положение. Таким образом, когда поток от электрического погружного насоса 108 прекращается, под действием амортизатора 152 и силы тяжести шар 148 возвращается в седло 156. Кроме того, давление в колонне 102 и выпускном канале 122 действует непосредственно на поплавковый запорный клапанный узел 144 и запорный шар 148, находящийся в седле. Площадь верхней части узла 144 превышает площадь его нижней части, что создает результирующее усилие, направленное вниз и содействующее возвращению узла 144 в закрытое положение. Таким образом, давление в трубопроводе может использоваться для перемещения узла 144 вниз и приведения байпасной системы 110 в положение «опорожнения», если внутренние компоненты не работают надлежащим образом.
[036] Исполнительный клапанный узел 134 содержит поворотный шаровой клапан 160, присоединенный вокруг оси вращения к выпускному каналу 122, перпендикулярно продольной оси канала 126 для исполнительного клапана. Исполнительный клапанный узел 134 содержит верхнее и нижнее плавающие седла 162, 164, которые подпружинены с обеспечением их контакта с шаровым клапаном 160. Седла 162, 164 выполнены плавающими для обеспечения возможности изоляции давления в направлении вверх или вниз и предотвращения повышения давления между седлами 162, 164. Шаровой клапан 160 выполнен с возможностью поворота таким образом, что при одной ориентации его сквозной канал находится на одной линии с каналом 126 для исполнительного клапана, а в другой ориентации полностью блокирует и герметизирует трубопровод 112.
[037] Рычажный узел 136 содержит шарнирный хомут 166, шаровой шарнирный палец 168 и плечо 170 рычага. Хомут 166 присоединен к основанию скользящего проточного патрубка 140 при помощи соединения типа «паз и поворотный шарнир». При перемещении патрубка 140 вверх или вниз хомут 166 перемещает первый конец плеча 170. Второй конец плеча 170 присоединен к шарнирному пальцу 168. При перемещении первого конца плеча 170 вверх или вниз его второй конец создает соответствующий крутящий момент на пальце 168, который, в свою очередь, вызывает поворот шарового клапана 160 между закрытым и открытым положениями.
[038] Как показано на фиг. 2 и 3, байпасная система 110 находится в положении, в котором шаровой клапан 160 открыт и обеспечивает доступ через систему 110 в перепускной трубопровод 112. В этом положении главный клапанный узел 132 закрыт и добытая среда от электрического погружного насоса 108 не поступает. На фиг. 4 и 5 изображены соответственно виды сбоку и в разрезе байпасной системы 110 после начального поступления добытой текучей среды из насоса 108. В этом состоянии давление от насоса 108 поднимает скользящий проточный патрубок 140 и верхний скользящий патрубок 142 в верхний канал 120. При перемещении патрубка 140 вверх рычажный узел 136 поворачивает шаровой клапан 160 в закрытое положение. Радиальные проточные пазы 146 совмещены с проходом 128 для добытой среды, но возможность прохождения потока отсутствует, так как поплавковый запорный клапанный узел 144 остается в закрытом положении.
[039] На фиг. 6 изображена байпасная система 110 в положении, в котором золотники 154 перешли в рабочее положение и разблокировали узел 144. Шаровой клапан 160 остается в запертом положении, но запорный шар 148 поднимается из седла 156, и поток проходит через радиальные пазы 146 и проход 128 для добытой среды в выпускной канал 122. Как показано на фиг. 6, байпасная система 110 находится в положении, в котором электрический погружной насос 108 работает, а перепускной трубопровод 112 изолирован от насосно-компрессорной колонны 102.
[040] На фиг. 7 изображен разрез байпасной системы 110 после отключения электрического погружного насоса 108. При прекращении потока из насоса 108 запорный шар 148 опускается на седло 156. Статическое давление в колонне 102 и возвратная пружина 158 переводят главный клапанный узел 132 в закрытое, отведенное положение. При втягивании скользящего проточного патрубка 140 рычажный узел 136 поворачивает шаровой клапан 160 назад в открытое положение, как показано на фиг. 8. Таким образом, байпасная система 110 обеспечивает автоматический механизм для переключения между состоянием добычи и состоянием перепуска просто путем управления насосом 108. Поскольку система 110 автоматически изолирует насос 108, когда он не работает, предотвращена возможность накапливания осадка из насосно-компрессорной колонны в насосе 108.
[041] Существуют определенные ситуации, в которых желательно обеспечить работу электрического погружного насоса 108, а также предоставить доступ в ствол 104 скважины через перепускной трубопровод 112. Например, может быть желательным проведение койлтюбинговых каротажных операций с одновременной добычей при помощи насоса 108. Байпасная система 110 выполнена с возможностью удовлетворения этих потребностей.
[042] На фиг. 9 изображен первый вариант выполнения байпасной системы 110, которая обеспечивает возможность одновременного доступа к электрическому погружному насосу 108 и перепускному трубопроводу 112. Байпасная система 110 содержит скользящий патрубок 172 и обходной тракт 174 для потока добытой среды. При проведении каротажной пробки 176 через байпасную систему 110 патрубок 172 втягивается для обеспечения возможности прохождения потока через тракт 174. Каротажная пробка 176 также проходит через шаровой клапан 160 с обеспечением его фиксации в открытом положении. В этом состоянии главный клапанный узел 132 остается закрытым, и поток добытой среды направляется через обходной тракт 174. На конечном этапе вмешательства пробка 172 извлекается, и патрубок 172 закрывает тракт 174.
[043] На фиг. 10-16 изображены виды байпасной системы 110, сконструированной в соответствии с другим вариантом выполнения и обеспечивающей одновременный доступ к электрическому погружному насосу 108 и перепускному трубопроводу 112. В данном варианте выполнения рычажный узел 136 содержит зажимные кулачки 178, находящиеся в контакте с шаровыми шарнирными пальцами 168. Кулачки 178 приводятся в действие скользящим патрубком 172 и обеспечивают перевод пальцев 168 в положение, в котором они могут поворачиваться без поворота при этом шарового клапана 160. При установке патрубка 172 в рабочее положение кулачки 178 отсоединяют пальцы 168. Когда добываемая среда начинает поступать через электрический погружной насос 108, патрубок 140 поднимается, но рычажный узел 136 не поворачивает шаровой клапан 160 в закрытое положение. Текучие среды, добытые с помощью насоса 108, проходят через главный клапанный узел 132 и проход 128, в то время как клапан 160 остается в открытом положении для обеспечения возможности проведения каротажа или других оперативных вмешательств. При втягивании патрубка 172 кулачки 178 совершают обратное перемещение, и шарнирные пальцы 168 возвращаются в положение сцепления с клапаном 160.
[044] Следует понимать, что, даже несмотря на то что в вышеприведенном описании изложены многочисленные особенности и преимущества различных вариантов выполнения данного изобретения, а также элементы конструкции и функциональные возможности различных вариантов выполнения изобретения, данное описание является исключительно иллюстративным и возможно внесение изменений, в частности с точки зрения конструкции и расположения элементов, в рамках принципов данного изобретения в полной мере, определяемой общим широким значением терминов, в которых выражены пункты прилагаемой формулы изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что идеи данного изобретения могут быть применены к другим системам без отклонения от объема и сущности изобретения.