Клапан обратный электроцентробежного насоса для очистки погружного оборудования от осадков и способ ее осуществления
CHECK VALVE OF ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP FOR CLEANING OF SUBMERSIBLE EQUIPMENT FROM PRECIPITATION AND METHOD OF ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для удаления из полости электроцентробежных насосов и колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) различных видов осадков, например, неорганических солей, твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых и др. веществ.
При образовании осадков в НКТ и полости электроцентробежного насоса происходят снижение подачи насоса из-за значительного увеличения сопротивлений в погружном оборудовании и возникновение аварийной ситуации. Контроль за процессом отложений осадков в погружном оборудовании производят по замерам дебита скважины на поверхности.
На выходе из электроцентробежного насоса (ЭЦН) в насосно-компрессорных трубах устанавливаются обратный и сбивной клапаны. Обратный клапан при остановке насоса предупреждает излив жидкости из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважину и раскручивание вала насоса в обратном направлении. Сбивной клапан позволяет, напротив, освободить НКТ от жидкости для подъема оборудования при ремонте (Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра.1968. С.52-54). Излив жидкости из НКТ в скважину осуществляют сбросом в НКТ груза, который долетев до сбивного клапана, ломает его и образует отверстие, соединяющее полость НКТ с затрубным пространством.
Известен клапан обратный (патент RU №56940 U1, заявл. 07.04.2006, опубл. 27.09.2006), состоящий из корпуса, седла, закрепленного в корпусе, запорного элемента в виде шара. В корпусе образован цилиндрический канал и ограничитель осевого перемещения запорного элемента в канале с отверстиями для протока жидкости, при этом ограничитель выполнен за одно целое с корпусом. Оси отверстий для протока жидкости расположены на образующих цилиндрического канала. Седло закреплено на входе с помощью гайки и(или) резьбовой втулки с пазами под ключ.
Известен клапан скважинного центробежного насоса (патент RU 72268 U1, заявл. 26.12.2007, опубл. 10.04.2008), содержащий корпус с внутренней и внешней присоединительными резьбами и закрепленным в нем седлом и, размещенный в канале ограничителя осевого перемещения шариковый запорный элемент. Седло клапана снабжено посадочной проточкой под уплотнительное кольцо и зафиксировано относительно корпуса цилиндрической втулкой и шайбой с отверстиями для прохода пластовой жидкости. В верхней части корпуса клапана установлен патрубок с ввинченной в него трубой шламоуловителя, снабженной радиальными отверстиями для прохода пластовой жидкости. Шайба с отверстиями для прохода пластовой жидкости зафиксирована от осевого перемещения относительно корпуса клапана посредством пружинного кольца, а патрубок монтируется в корпусе посредством шпонки с пружинным кольцом.
Общим недостатком приведенных аналогов является невозможность удаления из полости НКТ и электроцентробежного насоса различных осадков путем закачки различных химических реагентов или теплоносителя в скважину через колонну насосно-компрессорных труб и далее погружной насос.
Известен фильтр скважинный очищаемый (патент RU 2441139 С1. заявл. 12.07.2010. опубл. 27.01.2012), включающий наружную и внутреннюю трубы с отверстиями, фильтрующий элемент, закрепленный между трубами, волновой преобразователь. Фильтрующий элемент выполнен в виде свитой по высоте проволоки. Волновой преобразователь выполнен в виде пружины сжатия.
Для очистки фильтра после ее засорения производят остановку центробежного насоса с последующим его запуском в противоположном направлении вращения ротора. Обратный поток жидкости смывает налипшие частицы песка с фильтрующего элемента.
Указанное устройство обладает недостатком, состоящим в невозможности создания обратного тока жидкости из НКТ через насос в скважину в случае наличия обратного клапана на выходе центробежного насоса.
Известен обратный клапан - автомат, состоящий из корпуса с седлом, на которое посажен тарельчатый клапан со штоком (Патент RU 2038463 С1. Обратный клапан - автомат. Заявл. 17.03.1992. Опубл. 27.06.1995). Шток пропущен через отверстие в крестовине, установленной в корпусе. Между шайбой и крестовиной установлена пружина. Со стороны шайбы на шток посажена втулка. При определенных давлениях стопора заклинивают шток, позволяя произвести очистку турбобура. Недостаток такого клапана состоит в зависимости открытия или закрытия запорного элемента от давления и расхода жидкости, что недопустимо для работы погружного насоса.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является клапан обратный электроцентробежной установки и способ очистки фильтра на приеме насоса (патент RU №2544930 С1. Клапан обратный электроцентробежной установки и способ очистки фильтра на приеме насоса. Заявл. 17.09.2013. Опубл. 16.02.2015). Конструкция клапана включает шток тарельчатого клапана, выполненный полым, подвижную втулку, выполненную ступенчатой, нижняя часть которой с меньшим диаметром образует с наружной поверхностью полого штока клапана скользящую пару трения, а в верхней части втулки выполнены горизонтальные отверстия большего в сравнении с отверстиями штока клапана диаметрами.
Промывку производят спуском груза в колонну труб на скребковой проволоке через лубрикатор на устье скважины, который собственным весом сжимает пружину и перемещает подвижную втулку ступенчатой формы вниз, совмещая горизонтальные отверстия в подвижной втулке и полом штоке тарельчатого клапана и создавая переток жидкости под гидростатическом давлением из колонны насосно-компрессорных труб в скважину через полость насоса и фильтр, а после промывки фильтра груз извлекают из скважины и насос запускают в работу.
Недостаток способа состоит в необходимости спуска груза на скребковой проволоке к клапану через колонну НКТ. Скважина с искривлениями ствола или ее наклон не позволяют осуществить спуск груза через НКТ под собственным весом. С другой стороны, наличие на стенке НКТ каких-либо отложений (солей, парафина) также препятствует спуску груза.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение надежности открытия обратного клапана и удаления осадков из полости погружного оборудования скважины с применением химических реагентов.
Поставленная задача решается тем, что в известном клапане обратном электроцентробежного насоса, включающем корпус с верхним и нижним присоединительными резьбами, сферический клапан, перекрывающий посадочное седло, шлицевый вал погружного электронасоса насоса, выходящий в полость ловильной головки насоса, согласно изобретению, между шлицевым валом электроцентробежного насоса и обратным клапаном размещена крыльчатка, содержащая корпус со ступенчатой внутренней полостью и наклонные к вертикали лопасти, верхний торец корпуса которого соединен со штоком, входящим в проходное отверстие седла обратного клапана насоса, а внутрь корпуса с помощью резьбового соединения входит ступенчатый приводной шток, нижняя часть которого под нижним торцом крыльчатки соединена со шлицевой втулкой, насаженной неподвижно на шлицевый вал насоса.
Решение указанной задачи достигнуто в способе очистки погружного оборудования от осадков, включающем остановку насоса для проведения ремонта, промывку полости погружного насоса, приемного фильтра и колонну НКТ от осадков и последующий запуск электроцентробежного насоса в работу, согласно изобретению, непосредственно после остановки производят закачку с устья скважины в колонну насосно-компрессорных труб химического реагента в расчетном объеме, далее включают электроцентробежный насос в обратном направлении для посадки шарика клапана в седло и выдерживают время для растворения осадка в оборудовании и после этого производят запуск насоса в постоянный режим работы с обычным направлением вращения его вала.
На фиг. 1 и 2 показаны схемы клапана обратного. Оно состоит из корпуса 1, свинченного с ловильной головкой 2 погружного электроцентробежного насоса (на фиг. не показан). В верхнюю часть корпуса 1 ввинчивается насосно-компрессорная труба (на фиг. также не показана).
В корпусе 1 размещены сферический клапан 3, посадочное седло 4 с цилиндрическим упором 5 и уплотнительным кольцом 6. Между шлицевым валом 7 электроцентробежного насоса и седлом 4 клапана располагается крыльчатка, состоящая из полого цилиндрического корпуса 8 и лопастей 9. В верхнюю часть корпуса 8 ввернут шток 10, входящий в отверстие седла 4. Внутренняя полость корпуса 8 выполнена ступенчатой. Внутри корпуса на резьбе размещен ступенчатый приводной шток 11. Часть приводного штока 11 большего диаметра выполнена с резьбой, а нижняя часть меньшего диаметра - без резьбы. Нижняя часть приводного штока 11 через уплотнительные кольца 12 выходит наружу корпуса 8 и вворачивается в шлицевую втулку 13, неподвижно закрепленную на шлицевом вале 7 насоса с помощью болта 14. Лопасти 9 крыльчатки выполнены с наклоном по отношению к корпусу.
Работа клапана обратного электроцентробежного насоса состоит в следующем.
В период обычной эксплуатации погружного электроцентробежного насоса вращение вала через шлицевую втулку 13 передается приводному штоку 11. В случае отсутствия жидкости между шлицевым валом 7 и седлом 4 клапана вращение вала насоса приведет к вращению крыльчатки с той же угловой скоростью. Но присутствие жидкости и лопастей 9 приведет к некоторому торможению вращения крыльчатки. Появление разности скоростей их вращения приведет к вращению корпуса крыльчатки относительно шлицевого вала 7, а, следовательно, относительно приводного штока 11. Вращение крыльчатки относительно приводного штока 11 приведет к перемещению корпуса крыльчатки вверх или вниз благодаря их резьбовому соединению в зависимости от направления резьбы в корпусе 8 крыльчатки. Нарезка резьбы для запуска насоса и последующей его работы выполняется из расчета перемещения крыльчатки вверх. Это перемещение происходит до момента упора верхнего торца приводного штока в нижний торец штока 10. После этого перемещение вверх крыльчатки прекратится и корпус 8 крыльчатки начнет вращаться с частотой вращения шлицевого вала 7 насоса. К этому моменту шток 10, выдвинувшись полностью вверх, займет положение, при котором шар 3 при остановке насоса уже не сможет плотно сесть и перекрыть седло 4, т.е. обратный клапан останется открытым и на шток 10 будет действовать только вес шара 3.
В период эксплуатации насоса могут образоваться в насосе или колонне НКТ различные осадки, снижающие подачу насоса и нередко приводящие к аварийной ситуации. Для удаления осадка электроцентробежный насос останавливают. Поскольку шар 3 уже не может перекрыть седло 4 в колонну НКТ и образуется переток жидкости из колонны НКТ в скважину через насос, сразу производят закачку раствора реагента для удаления осадка. После закачки расчетной порции раствора кратковременно осуществляют запуск насоса в обратном направление вращения. Из-за торможения крыльчатки в жидкой среде (нефти или водонефтяной смеси) корпус 8 начнет перемещаться вниз пока верхняя часть приводного штока 11 не упрется в выступ внутри корпуса 8. После этого корпус 8 и шлицевый вал 7 насоса начнут вращаться с одинаковой угловой скоростью. При достижении корпуса 8 крыльчатки и штока 10 крайнего нижнего положения шар 3 полностью перекроет седло 4, и на обратный клапан будет действовать гидростатическое давление всего столба жидкости в НКТ.
Далее производят некоторую расчетную выдержку времени для растворения осадка. После полного растворения осадка в НКТ установку запускают в работу. При этом скважинная жидкость под напором насоса приподнимет шар 3 над седлом 4 и начнется откачка продуктов реакции из НКТ и далее продукции пласта из скважины. Одновременно сопротивления лопастей 9 будут способствовать подъему крыльчатки и выдвижению штока 10 в отверстие седла 4 до положения, препятствующего впоследствии посадке шара в седло после остановки насоса.
Для удаления солевых осадков из полости электроцентробежного насоса закрытие обратного клапана запуском насоса в обратное направление производят после того, как растворитель солевого осадка полностью заполнит полость насоса.
Закачка растворителей непосредственно в колонну НКТ многократно снижает расход реагентов в сравнении с закачкой реагентов через затрубное пространство скважины.
При накоплении осадков мехпримесей на фильтре и в приемной части насоса производят простую промывку насоса закачиваемой жидкостью без применения химических реагентов.
Наклон лопастей 9 (фиг. 2) к вертикали позволяет создавать дополнительный напор для перекачки жидкости и повышать коэффициент полезного действия насоса. Наклон лопастей позволяет создавать дополнительный напор для откачки жидкости из скважины, а также напор для перекачки жидкости вниз из колонны НКТ в насос при кратковременной смене направления вращения.
Уплотнительные кольца 12 препятствуют попаданию мехпримесей в внутрь корпуса 8 крыльчатки во избежание заклинивания резьбовой пары приводного штока 11 и ее износа.
Технико-экономическими преимуществами предполагаемого изобретения являются простота и надежность предварительного открытия клапана и последующего его закрытия за счет кратковременного запуска насоса в обратном направлении, а также возможность удаления осадков из погружного оборудования использованием малых объемов химических реагентов. Кроме того, выдвижение штока в проходное отверстие седла для открытия клапана производится без какого-либо усилия сразу после запуска насоса, поскольку срыв шара производится напором жидкости, создаваемым насосом.