Скважинный плунжерный насос
DOWNHOLE PLUNGER PUMP

Изобретение относится нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к скважинным насосам объемного вытеснения, предназначенным для подъема жидкости с больших глубин в сложных условиях работы.
Известна погружная стрикционная насосная установка (патент RU № 2756625, МПК F04B 47/06, F04B 17/003, опубл. 04.10.2021 Бюл. № 28), состоящая из расположенных последовательно вдоль воображаемой продольной оси в направлении спереди назад и имеющих единый корпус насоса плунжерного типа, расположенного в насосной части единого корпуса, протектора сильфонного трубчатого типа, расположенного в протекторной части единого корпуса, стрикционного двигателя линейного шагового типа, расположенного в двигательной части единого корпуса, компенсатора сильфонного трубчатого типа, расположенного в компенсаторной части единого корпуса, насос плунжерного типа выполнен с возможностью подачи перекачиваемой жидкости в переднее отверстие насосной части единого корпуса, в заднем отверстии насосной части единого корпуса вдоль воображаемой продольной оси расположен плунжер, плунжер выполнен с возможностью поступательного движения вдоль воображаемой продольной оси, переднее отверстие протектора герметично закрыто задней частью плунжера, задняя часть плунжера соединена с передней частью штока, шток расположен внутри протектора, протектор по периметру своего заднего отверстия герметично соединён с протекторной частью единого корпуса по периметру её внутреннего отверстия, в состав стрикционного двигателя входит бегун, бегун состоит из последовательно соединённых задней распорной секции, ходовой секции, передней распорной секции, в задней распорной секции расположен стрикционный актуатор, в ходовой секции расположен стрикционный актуатор, в передней распорной секции бегуна расположен стрикционный актуатор, бегун расположен внутри двигателя, бегун соединён с задней частью штока, бегун выполнен с возможностью поступательного движения вдоль воображаемой продольной оси, компенсатор по периметру своего переднего отверстия герметично соединён с компенсаторной частью единого корпуса по периметру её внутреннего отверстия, заднее отверстие компенсатора герметично закрыто крышкой, полость, образованная внутренними объёмами протектора, стрикционного двигателя и компенсатора, наполнена охлаждающей жидкостью, характеризующаяся тем, что в каждом стрикционном актуаторе выполнено сквозное отверстие, имеющее первый выход и второй выход, на задней распорной секции бегуна стрикционного двигателя расположен насос охлаждения, имеющий отверстия А и Б с возможностью создания направленного потока охлаждающей жидкости от отверстия А к отверстию Б или от отверстия Б к отверстию А, отверстие А насоса охлаждения герметично соединено с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора задней распорной секции, второй выход сквозного отверстия стрикционного актуатора задней распорной секции герметично соединён с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора ходовой секции, второй выход сквозного отверстия стрикционного актуатора ходовой секции герметично соединён с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора передней распорной секции, в штоке вдоль воображаемой продольной оси выполнено осевое отверстие, глухое в его передней части, осевое отверстие штока в задней части штока герметично соединено со вторым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора передней распорной секции, в передней части штока выполнено поперечное отверстие, соединяющее осевое отверстие штока с внутренней полостью протектора, внутри компенсатора вдоль воображаемой продольной оси расположена трубка, закреплённая на бегуне, трубка герметично соединена с отверстием Б насоса охлаждения, задний конец трубки открыт во внутреннюю полость компенсатора.
Недостатками данной установки являются сложность и, как следствие, дороговизна конструкции, сложность в обслуживании и ремонте, отсутствие наружной защиты корпуса, что не позволяет ее использовать в сложно структурированных скважинах (с углом отклонения от вертикали более 43° - зенитный угол), расположение с охлаждающей жидкостью внутри компенсатора, что исключает поддержания необходимой температуры во всей насосной установке.
Наиболее близким по технической сущности является скважинный штанговый насос (патент RU № 2722995, МПК F04B 47/00, опубл. 05.06.2020, Бюл. № 16), спускаемый в скважину на насосно-компрессорных трубах, включающий цилиндр, самоустанавливающийся всасывающий клапан, плунжер, самоустанавливающийся нагнетательный клапан, причем цилиндр снабжен кожухом, образующим с ним кольцевую полость и установленным с упором в верхнюю и нижнюю муфты цилиндра, при этом кожух выполнен из нескольких частей, между которыми размещены центраторы, подвижно установленные на цилиндре, причем верхняя часть кожуха соединена при помощи резьбы с верхним центратором, в кожухе выполнены отверстия для слива жидкости.
Недостатками данного насоса являются перепады температур цилиндра как выше (связано с трением плунжера о стенки скважины и сжиманием продукции продуктивного пласта) и ниже (связано с засасыванием холодной скважинной жидкости) плунжера, так и снаружи и внутри его из-за наличия холодной жидкости внутри кожуха, сообщающегося с внутрискважинным пространством, что снижает межремонтный период примерно в 2 - 3 раза, при этом затруднена перекачка плунжерным насосом жидкостей с вязкостью выше 60 мПа•с (как и для любых подобных вязких жидкостей при температуре 20±10°).
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание конструкции скважинного плунжерного насоса, позволяющего поддерживать примерно одинаковую температуру по всей поверхности снаружи цилиндра в пределах 40 - 70°С, увеличивая межремонтный период и позволяя перекачивать вязкие нефти с меньшей нагрузкой.
Техническая задача решается скважинный плунжерный насос, включающий спускаемый в скважину цилиндр, всасывающий клапан, плунжер, нагнетательный клапан, причем цилиндр снабжен кожухом с наружным сливным отверстием, образующим с ним кольцевую полость.
Новым является то, что кожух установлен на цилиндре герметично, оснащен дополнительным заливным отверстием и заполнен жидкостью в объеме, позволяющим поддерживать температуру 40 - 70°С, при этом сливное отверстие снабжено сбрасывающим предохранительным клапаном, сбрасывающим излишки жидкости при нагреве, а заливное отверстие - пропускным клапаном, всасывающим жидкость из скважины при снижении температуры.
Новым является также то, что цилиндр оснащен внутри кожуха по равномерно периметру оперением для увеличения площади теплообмена.
На фиг. 1 изображена схема насоса в продольном разрезе.
На фиг. 2 разрез А-А фиг. 1
Скважинный плунжерный насос, включающий спускаемый в скважину 1 (фиг. 1 и 2) цилиндр 2, всасывающий клапан 3 (фиг. 1), плунжер 4, нагнетательный клапан 5. Цилиндр 2 снабжен кожухом 6 с наружным сливным отверстием 7 (фиг. 1). Цилиндр 2 с кожухом 6 образуют между собой кольцевую полость 8. Кожух 6 установлен на цилиндре 1 герметично, оснащен дополнительным заливным отверстием 9 и заполнен в кольцевой полости 8 жидкостью в объеме, позволяющим поддерживать температуру 40 - 70°С (определяется эмпирически). Сливное отверстие 7 снабжено сбрасывающим предохранительным клапаном 10, сбрасывающим излишки жидкости из кольцевой полости 8 при нагреве, а заливное отверстие 9 - пропускным клапаном 11, всасывающим жидкость из скважины при снижении температуры, что исключает повышение или понижение давление внутри кожуха 6, которое может повредить его целостности. Цилиндр 2 (фиг. 2) оснащен внутри кожуха 6 равномерно по периметру оперением 12 (любой известной конструкции авторы на это не претендуют) для увеличения площади теплообмена, что особенно важно при перекачке вязкой (более 60 мПа•с) жидкости из скважины 1.
Конструктивные элементы, уплотнения и технологические соединения, не влияющие на работоспособность насоса, на чертежах (фиг. 1 и 2) не показаны или показаны условно.
Скважинный плунжерный насос работает следующим образом.
Перед спуском в скважину 1 (фиг. 1) кольцевую полость 8 кожуха 6 через заливное отверстие 9 и пропускной клапан 11 заполняют жидкостью. После чего скважинный плунжерный насос, корпус 2 которого соединяют предварительно с хвостовиком 13, спускают на колонне труб 14 или штангах 15 в интервал установки (не показан) скважины 1 ниже уровня 16 жидкости. Устье (не показано) скважины 1 герметизируют, а штанги 15 через полированный шток (не показан) соединяют с устьевым приводом (станок-качалка, цепной привод, гидравлический привод или т.п. - не показан). После запуска в работу устьевой привод предает возвратно-поступательно движение через штанги 15 плунжеру 4. При ходе плунжера 4 вверх в цилиндре 2 под ним создаётся разряжение, под действием которого отрывается всасывающий клапан 3, жидкость из скважины 1 через хвостовик 13 засасывается в подплунжерное пространство цилиндра 2. При этом под действием столба жидкости в штангах 15 нагнетательный клапан 5 закрывается и вместе с поднимающимся плунжером 4 поднимает уровень жидкости в штангах 15 до излива ее в транспортный трубопровод (не показан) на поверхности. При ходе плунжера 4 вниз в цилиндре 2 под ним создаётся избыточное давление, под действием которого закрывается всасывающий клапан 3 и отрывается нагнетательный клапан 5, жидкость при этом из подплунжерного пространства через нагнетательный клапан 5 поступает внутрь плунжера 4 и штанги 15. Далее циклы повторяются возвратно-поступательного перемещения плунжера 4 повторяются для извлечения жидкости из скважины 1 на поверхность. При этом из-за трения плунжера 4 о стенки цилиндра 2 и при сжатии скважинной жидкости, которая практически всегда является газированной, происходит нагрев цилиндра 2 (особенно при перекачке вязкой жидкости до 90 - 130°С без охлаждения). Выделенное тепло через стенки цилиндра аккумулируется в жидкости, находящейся в кольцевом пространстве 8 кожуха 6, охлаждая цилиндр 2. Во время постоянной работы скважинного насоса жидкость в кольцевом пространстве 8 кожуха 6 нагревается до температуры 40 - 70°С. При нагреве этой жидкости ее объем в кольцевой полости 8 увеличивается и излишки стравливаются в скважину 1, через сливное отверстие 7, открывая предохранительный клапан 10.
При засасывании скважинной жидкости через всасывающий клапан 3 в цилиндр 2 происходит его охлаждение, при этом жидкость из кольцевой полости 8 отдает тепло цилиндру и засасываемой жидкости, поддерживая температуру в пределах 40 - 70°С. Нагреваясь в цилиндре 2 у скважинной жидкости снижается вязкость, что значительно снижает нагрузку на подвижные конструктивные элементы 3, 4 и 5. Особенно это важно при перекачке нефти с вязкостью выше 60 мПа•с при 20°С, вязкость уменьшается в 3 - 8 раз пропорционально росту температуры от 40°С до 70°С.
Так как теплоемкость жидкости (вода: 4200 Дж/(кг•°С)) значительно превышает теплоемкость металла (сталь: 450 Дж/(кг•°С)) цилиндра 2, то температура легко удерживается в пределах 40 - 70°С благодаря необходимому объему жидкости в кольцевой полости 8 кожуха 6.
Для более быстрого охлаждения цилиндра 2 или нагрева цилиндра 2 со скважинной водой от жидкости в кольцевой полости 8 кожуха 6 на поверхности цилиндра 2 (фиг. 2) внутри кожуха 6 могут быть установлено равномерно по периметру оперение 12 (продольные пластины, винтовые пластины или т.п.) для увеличения площади теплообмена.
Во время остановки, например, для ремонта, извлечения из скважины плунжерного насоса происходит охлаждение жидкости в кольцевой полости 8 (фиг. 1) с уменьшением ее объема образую разряжение в кожухе 6, которое открывает пропускной клапан 11, засасывая жидкость в кожух 6 из скважины через заливное отверстие 9.
Как показала практика, благодаря работе скважинного плунжерного насоса при практически постоянном температурном режиме, межремонтный период вырос в 2 - 2,5 раза.
Прилагаемый скважинный плунжерный насос позволяет поддерживать примерно одинаковую температуру по всей поверхности снаружи цилиндра в пределах 40 - 70°С, увеличивая межремонтный период и позволяя перекачивать вязкие нефти с меньшей нагрузкой.