Ступень погружного винтового скважинного нефтяного насоса с погружным приводом
STAGE OF SUBMERSIBLE SCREW OIL WELL PUMP WITH SUBMERSIBLE DRIVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[1] Изобретение относится к погружному скважинному нефтяному поршневому насосному агрегату, и в частности, изобретение относится к скважинному нефтяному поршневому насосному агрегату, оснащенному скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[2] В прошлом, одним из основных устройств для добычи нефти, используемых на нефтяных месторождениях в стране и за рубежом, были скважинные нефтяные насосы, приводимые в действие с поверхности земли. В таком оборудовании используется приводное-преобразующее устройство наземного типа (более известное, как штанговый глубинный насос, который также называют балансирным станком-качалкой), которое преобразует вращательное усилие роторного двигателя наземного типа в линейное возвратно-поступательное усилие, подстраивающееся под линейное возвратно-поступательное движение скважинного нефтяного насоса, размещаемого в скважине. Конструкция и размер такого устройства в целом свободны от пространственных ограничений. Устройство надлежащим образом работает в воздушной среде. Обладая прочной и простой конструкцией и легкостью в обслуживании, устройство занимает место на многих нефтедобывающих комплексах в течение сотен лет.Тем не менее, для передачи приводным устройством на поверхности земли линейного возвратно-поступательного выходного усилия на скважинный нефтяной насос, требуется очень длинная насосная штанга, размещаемая в скважине, что приводит к большой потере хода, низкой механической эффективности и высокому потреблению энергии, что не позволяет применять такое устройство в условиях скважины, когда присутствуют множественные точки перегиба, большой уклон и высокий подъем. Кроме того, узел скважинного нефтяного насоса громоздкий, занимает большую площадь на грунте, и имеет относительно частые интервалы технического обслуживания и короткий срок службы.
[3] По этим причинам, в последние годы изучается погружной двигатель линейного типа, который выполнен со способностью производить линейное возвратно-поступательное усилие, и напрямую приводить в движение скважинный нефтяной насос, размещенный в скважине, что позволяет избежать проблем, связанных с длинной насосной штангой. Однако, этот двигатель размещается в гильзе нефтяной скважины, и улучшить мощность и выходное усилие в осевом направлении трудно, поскольку электродвигатель ограничен диаметром. Данный двигатель приспособлен только к условиям скважины с небольшой высотой подъема и малым вытеснением, кроме того, срок службы такого двигателя относительно короткий, что затрудняет его применение. В соответствии с другими идеями, в качестве источника энергии в основном принимается погружной двигатель роторного типа, и используются различные приводно-преобразовательные устройства для приведения в действие скважинного нефтяного насоса, однако о соответствующих продуктах нет сведений. Эти идеи имеют следующие недостатки: традиционный погружной двигатель (асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором) или двигатель с постоянным магнитом имеют плохие пусковые характеристики, которые не подходят для длительных периодов частой коммутации и пуска. Коммутация электрической системы не зависит от управления сигналами датчиков; надежность - низкая. Кроме того, система уплотнений механического приводного устройства не является хорошей, что влияет на срок службы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[4] Принимая во внимание описанные проблемы выше, единой целью изобретения является создание погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата, оснащенного скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента. Скважинный нефтяной насосный агрегат выполнен со способностью преобразовывать вращательное усилие, создаваемое погружным двигателем роторного типа, в линейное возвратно-поступательное усилие через скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента с тем, чтобы напрямую приводить в действие скважинный нефтяной насос в скважине при отсутствии длинной насосной штанги.
[5] Для достижения вышеуказанной цели, в соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения, предлагаются следующие технические решения:
[6] Погружной скважинный нефтяной поршневой насосный агрегат, оснащенный скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента, состоит из: шкафа управления, скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, поршневого насоса в скважине, погружного кабеля, первого муфтаа, второго муфтаа и нефтепровода. Погружной двигатель роторного типа включает в себя вал двигателя. Скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента состоит из: приводной штанги и винтовой пары, состоящей из винтового стержня и направляющей гайки. Скважинный поршневой насос состоит из: тяги управления толкающе-тянущего типа и нефтевыпускного отверстия. Шкаф управления расположен у устья скважины и соединен с погружным двигателем роторного типа, погруженным в скважинную гильзу, с помощью погружного кабеля. Вал двигателя соединен с одним концом винтового стержня винтовой пары скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента посредством первого муфтаа. Приводная штанга представляет собой устройство возвратно-поступательного движения, и один конец приводной штанги, соединенной с направляющей гайкой винтовой пары, соединен с тягой управления толкающе-тянущего типа размещаемого в скважине поршневого насоса посредством второго муфтаа. Нефтевыпускное отверстие размещаемого в скважине поршневого насоса соединено с нефтепроводом. Скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента выполнен согласованным по возвратно-поступательной нагрузке со шкафом управления, выполненным с возможностью автоматической коммутации в соответствии с заданными значениями нагрузки. Погружной двигатель роторного типа представляет собой погружной синхронный двигатель с постоянным магнитом, с асинхронным пуском.
[7] В категории этого варианта исполнения изобретения, погружной двигатель роторного типа состоит из: корпуса двигателя, статора, узла ротора и предохранительного элемента. Узел ротора состоит из стального ротора с постоянным магнитом, короткозамкнутого ротора, и подшипника ротора. Стальной ротор с постоянным магнитом и короткозамкнутый ротор расположены на расстоянии и опираются на подшипник ротора.
[8] В категории этого варианта исполнения изобретения, скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента состоит из: полости, корпуса, винтовой пары и приводной штанги. Нижняя камера хранения нефти и верхняя камера хранения нефти располагаются на двух концах скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, и, соответственно, плотно соединены с корпусом скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента. Пружина сжатия при ходе вверх и пружина сжатия при ходе вниз расположены на двух концах приводной штанги.
[9] В категории этого варианта исполнения изобретения, корпус нижней камеры хранения нефти, расположенный на нижнем конце скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, представляет собой цилиндр, изготовленный из эластомера. Два конца нижней камеры хранения нефти находятся в тесной связи с корпусом скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, образуя наружную полость нижней камеры хранения нефти и внутреннюю полость нижней камеры хранения нефти. Наружная полость нижней камеры хранения нефти сообщается со скважинной жидкостью снаружи внешней стенки корпуса скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента. Внутренняя полость нижней камеры хранения нефти сообщается с полостью скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента и заполнена смазкой.
[10] В категории этого варианта исполнения изобретения, корпус верхней камеры хранения нефти, расположенный на верхнем конце скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, представляет собой цилиндр, изготовленный из эластомера. Два конца верхней камеры хранения нефти находятся в тесной связи с корпусом скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента, образуя наружную полость верхней камеры хранения нефти, и внутреннюю полость верхней камеры хранения нефти. Наружная полость верхней камеры хранения нефти сообщается со скважинной жидкостью снаружи внешней стенки корпуса скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента. Внутренняя полость верхней камеры хранения нефти сообщается с полостью скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента и заполнена смазкой.
[11] В категории этого варианта исполнения изобретения, пружина сжатия при ходе вниз и пружина сжатия при ходе вверх расположены на двух концах приводной штанги скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента; и пружинящие нагрузки пружины сжатия при ходе вниз и пружины сжатия при ходе вверх позволяют приводной штанге выдерживать одинаковые нагрузки в конечной точке при ходе вниз и в конечной точке при ходе вверх, посредством чего осуществляется своевременная коммутация с помощью шкафа управления в соответствии с заданными значениями нагрузки.
[12] Преимущества погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата, оснащенного скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента в соответствии с вариантами исполнения изобретения, можно кратко следующим образом:
[13] Погружной скважинный нефтяной поршневой насосный агрегат в соответствии с настоящим изобретением не имеет длинной штанги, может надежно и эффективно адаптироваться к таким условиям скважины, как присутствие многочисленных точек перегиба, большого наклона и высокого подъема. В качестве источника питания, погружной синхронный двигатель роторного типа с постоянным магнитом с асинхронным типом согласно изобретению имеет более высокую выходную мощность и более высокую эффективность, чем погружной двигатель линейного типа, а также лучшие стартовые характеристики и более высокий плановый показатель по электроэнергии, чем традиционные погружные двигатели роторного типа или двигатели с постоянным магнитом. Два конца скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента с балансировкой возвратно-поступательной нагрузки снабжены пружинами сжатия для амортизации толчка каждый раз, когда приводная штанга достигает конечных точек хода вверх и вниз, и делает равными нагрузки, воздействующие на приводную штангу в конечной точке хода вверх, и в конечной точке хода вниз. Шкаф управления может осуществлять коммутацию без использования датчика, повышая таким образом надежность. Условия расположения камер хранения нефти на двух концах скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента способствует сохранению равновесного давления в полостях и за их пределами, когда приводная штанга совершает быстрые возвратно-поступательные движения, и нефтяные емкости верхней части и нижней части полости скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента резко меняются, обеспечивая надежность характеристик уплотнения внутренней полости скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента. Таким образом, устройство согласно изобретению легко адаптируется к различным требованиям большинства нефтяных скважин к высоте подъема и вытеснению, а долгосрочная эксплуатация устройства характеризуется надежностью. Устройство согласно изобретению имеет соответствующую конструкцию, относительно низкую стоимость изготовления и высокую относительно высокую эксплуатационную надежность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[14] На Фиг. 1 представлен продольный разрез погружного скважинного нефтяного поршневого насоса, оснащенного скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента в соответствии с одним вариантом исполнения изобретения; и
[15] На Фиг. 2 представлен продольный разрез погружного двигателя роторного типа, оснащенного предохранительным элементом в соответствии с одним вариантом реализации изобретения.
[16] На чертежах используются следующие номера: 1. Шкаф управления; 2. Погружной двигатель роторного типа; 21. Корпус двигателя; 211. Статор двигателя; 22. Узел ротора двигателя; 221. Стальной ротор с постоянным магнитом; 222. Подшипник ротора; 223. Короткозамкнутый ротор; 224. Вал двигателя; 23. Предохранительный элемент двигателя 3. Скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента; 31. Нижняя камера хранения нефти; 311. Корпус нижней камеры хранения нефти; 312. Нижний конец нижней камеры хранения нефти; 313. Наружная полость нижней камеры хранения нефти; 314. Внутренняя полость нижней камеры хранения нефти; 315. Верхний конец нижней камеры хранения нефти; 32. Пружина сжатия при ходе вниз; 33. Полость приводно-преобразующего устройства; 331. Смазка; 34. Корпус приводно-преобразующего устройства; 35. Винтовая пара; 351. Направляющая гайка; 352. Винтовой стержень; 36. Приводная штанга; 37. Пружина сжатия при ходе вверх; 38. Верхняя камера хранения нефти; 381. Корпус верхней камеры хранения нефти; 382. Нижний конец верхней камеры хранения нефти; 383. Наружная полость верхней камеры хранения нефти; 384. Внутренняя полость верхней камеры хранения нефти; 385. Верхний конец верхней камеры хранения нефти; 4. Размещаемый в скважине поршневой насос; 41. Тяга насоса возвратно-поступательного типа; 42. Корпус насоса; 43. Нефтевыпускное отверстие насоса; 5. Погружной кабель; 6. Первая муфта; 7. Вторая муфта; и 8. Нефтепровод.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[17] Для дальнейшей иллюстрации изобретения далее описываются эксперименты, содержащие подробную информацию о погружном скважинном нефтяном поршневом насосном агрегате, оснащенном скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента. Следует отметить, что следующие примеры предназначены для описания, и не ограничивают изобретение.
[18] В одном варианте исполнения изобретения вводится погружной двигатель роторного типа, обладающий превосходными стартовыми характеристиками. Скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента согласован по возвратно-поступательной нагрузке и преобразует вращательное усилие в линейное возвратно-поступательное усилие в соответствии с автоматической коммутацией шкафа управления, осуществляемой в соответствии с заданными значениями нагрузки (в отсутствие датчиков), и настройкой систем уплотнения, таким образом, скважинный нефтяной насос в скважине приводится в действие самостоятельно, без использования погружной штанги.
[19] На Фиг. 1 показан продольный разрез погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата, оснащенного скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента. Как показано на Фиг. 1, погружной скважинный нефтяной поршневой насосный агрегат, оснащенный скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента, оснащен размещенным у устья скважины шкафом управления 1, приспособленным для автоматической коммутации в соответствии с заданными частотами и значениями нагрузки. Шкаф управления 1 соединен с погружным синхронным двигателем с постоянным магнитом с асинхронным пуском 2 с помощью погружного кабеля 5.
[20] Погружной синхронный двигатель с постоянным магнитом с асинхронным пуском 2 представляет собой погружной двигатель роторного типа, который спроектирован на основе конструкции традиционного погружного двигателя роторного типа. Узел ротора 22 двигателя состоит, главным образом, из стального ротора с постоянным магнитом 221, и короткозамкнутый ротор 223 имеет надлежащее устройство. Стальной ротор с постоянным магнитом 221 и короткозамкнутый ротор 223 расположены на расстоянии (с промежутком) между собой, и опираются на подшипник ротора 222.
[21] Скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента 3 представляет собой преобразующее устройство с балансировкой возвратно-поступательной нагрузки и состоит из винтовой пары 35 и приводной штанги 36, размещенных в корпусе 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3. Приводная штанга 36 соединена с направляющей гайкой 351. Винтовой стержень 352 приводит в движение направляющую гайку 351 при вращении влево или вправо таким образом, чтобы возвратно-поступательное перемещение невращаюшейся приводной штанги 36 происходило в осевом направлении. Нижний конец приводной штанги 36 снабжен пружиной сжатия при ходе вниз 32, а верхний конец приводной штанги 36 снабжен пружиной сжатия при движении вверх 37. Кроме того, заранее установлено, чтобы результирующая сила нагружающего усилия, создаваемого пружиной сжатия при движении вниз 32, и одновременного нагружающего усилия размещаемого в скважине скважинного поршневого насоса 4, воздействующая на приводную штангу 36 в конечной точке хода вниз, была равна результирующей силе нагружающего усилия, создаваемого пружиной сжатия при ходе вверх 37, и одновременного нагружающего усилия скважинного поршневого насоса, воздействующей на приводную штангу в конечной точке хода вверх 4. Один конец винтового стержня 352 соединен с валом двигателя 224 погружного двигателя посредством первой муфты 6, и один конец приводной штанги 36 соединен с тягой управления возвратно-поступательного (толкающе-тянущего) типа 41 скважинного поршневого насоса посредством второй муфты 7.
[22] Один конец корпуса 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3 соединен с корпусом насоса 42 скважинного нефтяного насоса, а другой конец корпуса 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3 плотно соединен с корпусом двигателя 21.
[23] Верхняя камера хранения нефти 38 и нижняя камера хранения нефти 31 расположены соответственно на двух концах скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента с балансировкой возвратно-поступательной нагрузки 3. Корпуса верхней камеры хранения нефти 38 и нижней камеры хранения нефти 31 имеют форму цилиндров, изготовленных из эластомера. Нижний конец 312 и верхний конец 315 нижней камеры хранения нефти 31 соответственно уплотнены (плотно соединены) в корпусе 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3, образуя внешнюю полость 313 и внутреннюю полость 314 нижней камеры хранения нефти 31. Нижний конец 382 и верхний конец 385 верхней камеры для хранения нефти 38 соответственно уплотнены (находятся в плотном соединении) в корпусе 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3, образуя наружную полость 383 и внутреннюю полость 384 верхней камеры хранения нефти 31. Наружная полость 313 нижней камеры хранения нефти 31 и наружная полость 383 верхней камеры хранения нефти 38 сообщаются со скважинной жидкостью наружи корпуса 34 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3. Внутренняя полость 314 нижней камеры хранения нефти 31 и внутренняя полость 384 верхней камеры хранения нефти 38 сообщаются с полостью 33 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3, и заполнены смазкой 331. Заранее установлено, чтобы пропускная способность внутренней полости верхней камеры хранения нефти и внутренней полости нижней камеры хранения нефти по нефти соответствовала изменениями емкости по нефти верхней части и нижней части полости 33 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3, чтобы сохранять равновесие давления смазки 331 в полости 33 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3 и давления скважинной жидкости снаружи полости скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3, таким образом, обеспечивая надежность герметизирующих характеристик скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента 3.
[24] Размещаемый в скважине скважинный поршневой насос 4 состоит из: корпуса насоса 42, тяги возвратно-поступательного (толкающе-управляющего) типа 41 и нефтевыпускного отверстия 43. Нефтевыпускное отверстие 43 скважинного поршневого насоса 4 соединено с нефтепроводом 8.
[25] Верхний конец корпуса 32 приводно-преобразующего устройства 3 соединен с корпусом насоса 42, а нижний конец корпуса 32 приводно-преобразующего устройства 3 соединен с корпусом двигателя 21.
[26] Скважинный нефтяной насос 4, скважинный реверсивный преобразователь крутящего момента с балансировкой возвратно-поступательной нагрузки 3 и погружной синхронный двигатель с постоянным магнитом с асинхронным пуском 2, снабженный предохранительным элементом, подвешиваются посредством нефтепровода 8 в отверстии (канале) скважины как одно целое, и, таким образом, образуют скважинный насосный механизм погружного типа, размещаемый в скважине и не приводимый в действие штангой.
[27] Принцип работы погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата, оснащенного скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента следующий:
[28] Шкаф управления 1, установленный возле устья скважины, управляет работой двигателя 2 погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата, размещаемого в скважине. Значения частоты коммутации двигателя 2, частоты и нагрузки согласованы и задаются предварительно в соответствии со спецификацией насосного узла и различными условиями в скважине. При подключении погружного скважинного нефтяного насосного агрегата, размещаемого в скважине, в соответствии с настоящим изобретением, к источнику электропитания. Электрический ток подается на погружной синхронный двигатель с постоянным магнитом с асинхронным пуском 2 через погружной кабель 5. Вал двигателя 22 погружного синхронного двигателя с постоянным магнитом с асинхронным пуском 2 вращается попеременно влево и вправо в соответствии с предварительно заданной скоростью и частотой вращения вместе с винтовым стержнем 352 скважинного реверсивного преобразователя крутящего момента с балансировкой возвратно-поступательной нагрузки 3. Между тем, приводная штанга 36, соединенная с направляющей гайкой 351, приводится в действие посредством работающего винтового стержня 352 для совершения линейного возвратно-поступательного движения в осевом направлении вместе с тягой управления толкающе-тянущего типа 41 скважинного нефтяного насоса 4. Пружина сжатия при ходе вверх 37, и пружина сжатия при ходе вниз 32 соответственно сконфигурированы так, чтобы сделать нагрузки, прилагаемые к двигателю в крайней точке хода вверх, и в крайней точке хода вниз, удовлетворяющими условию коммутации шкафа управления, обеспечивая тем самым бесперебойное действие коммутации. Верхняя камера хранения нефти 38 и нижняя камера хранения нефти 31 накапливают и высвобождают смазку, чтобы обеспечить выравнивание давления внутри и за пределами полостей во время работы. Линейное возвратно-поступательное движение позволяет скважинному нефтяному насосу поднимать нефть в скважине до устья скважины по нефтепроводу 8. Электрический ток для пуска погружного скважинного нефтяного поршневого насосного агрегата небольшой, и плановый показатель по электроэнергии - высокий.
[29] По сравнению со скважинным нефтяным насосным агрегатом, приводимым в действие с поверхности земли, вследствие того, что двигатель, и приводное устройство расположены в скважине, и находятся в прямом соединении со скважинным нефтяным насосом для трансмиссии, погружной скважинный нефтяной поршневой насос, оснащенный скважинным реверсивным преобразователем крутящего момента согласно изобретению, не требует длинной штанги для передачи, эффективность - высокая, и эффект экономии энергии очевиден. Кроме того, погружной скважинный нефтяной поршневой насосный агрегат хорошо адаптируется к условиям в скважине, включая наличие многочисленных точек перегиба, большого уклона и высокого подъема, и имеет длинные интервалы между техническими обслуживаниями. По сравнению со скважинным нефтяным насосным узлом, приводимым в действие линейным погружным насосом, в погружном скважинном нефтяном поршневом насосе в соответствии с настоящим изобретением используется погружной синхронный двигатель с постоянным магнитом с асинхронным пуском, который является усовершенствованием, основанным на конструкции типичного погружного двигателя роторного типа, и действует в качестве приводно-преобразовательного устройства с надежной системой герметизации и балансировкой возвратно-поступательной нагрузки для реализации согласованной коммутации шкафа управления в соответствии с заданными значениями нагрузки, обеспечивая таким образом высокую надежность и большую мощность. Высота подъема и вытеснение способны удовлетворить цели, которые ставят для большинства скважин.
[30] Принимая во внимание продемонстрированные и описанные конкретные варианты исполнения изобретения, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что могут быть сделаны изменения и модификации без отклонения от изобретения в его более широких аспектах, и поэтому цель в прилагаемых пунктах патентной формулы заключается в охвате всех таких изменений и модификаций, которые находятся в пределах истинного смысла и объема изобретения.