ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
SUBMERSIBLE PUMPING UNIT

Изобретение относится к нефтепогружному оборудованию, а именно к погружным насосным агрегатам, спускаемым на грузонесущем кабеле в скважины, осложненные высоким газовым фактором, в том числе в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с малым диаметром проходного сечения.
Известен погружной насосный агрегат с пакером [патент РФ 2620667, опубликовано 29.05.2017], содержащий последовательно установленные сверху вниз электроцентробежный насос, входной модуль, секцию мультифазного насоса, погружной электродвигатель с гидрозащитой, окруженный наружным герметизирующим кожухом и хвостовик. Агрегат спускается на колоне НКТ и предназначен для добычи пластового флюида из скважин с негерметичной эксплуатационной колонной, либо эксплуатационной колонной с многочисленными нарушениями. Секция мультифазного насоса установлена между электроцентробежным насосом и входным модулем. Герметизирующий кожух служит для дополнительного охлаждения погружного электродвигателя перекачиваемой жидкостью во время эксплуатации. Агрегат спускают до глубины установки верхнего пакера или двухпакерной компоновки, далее в результате разгрузки производят герметичную стыковку хвостовика с пакером. Жидкость из-под пакера поступает через хвостовик во внутреннюю полость герметизирующего кожуха и через входной модуль и секцию мультифазного насоса попадает в электроцентробежный насос.
Недостатком агрегата является то, что из-за наличия герметизирующего кожуха увеличивается диаметр агрегата, что делает невозможным его спуск в колонну малого диаметра, например НКТ, ограничивая тем самым область применения данного агрегата. Помимо этого, осуществление спуско-подъемных операций для данного агрегата является дорогостоящим и характеризуется низкой скоростью монтажа и демонтажа погружного оборудования.
Наиболее близким к заявляемому является погружной насосный агрегат на грузонесущем кабеле, спускаемый в дополнительную колонну НКТ, расположенную внутри обсадной колонны [патент РФ 2613542, опубликовано 17.03.2017] и содержащий маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежной насос, всасывающий канал и уплотнитель между электроцентробежным насосом и дополнительной колонной.
Недостатком принятого за прототип погружного насосного агрегата является то, что он не может применяться в скважинах с высоким газовым фактором, в которых увеличивается вероятность возникновения локального перегрева и клина рабочих органов, а также возможен чрезмерный износ рабочих органов электроцентробежного насоса, расположенных у входа в насос из-за возникновения сухого трения в рабочих органах.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение надежной работы и повышение износостойкости погружного агрегата на грузонесущем кабеле при добыче скважинной жидкости с высоким газовым фактором, например, при газопроявлениях, возникающих во время освоения или эксплуатации скважин, которые могут привести к срыву подачи пластовой жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в погружном насосном агрегате на грузонесущем кабеле, спускаемом в НКТ, содержащим маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежный насос и герметизирующий узел вокруг хвостовика, согласно изобретению, между электроцентробежным насосом и хвостовиком дополнительно установлен мультифазный насос, имеющий на входе насаженные на конец вала осевые ступени с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса, при этом осевое входное отверстие мультифазного насоса не перекрыто валом.
В некоторых вариантах исполнения мультифазный насос наряду с осевыми может дополнительно содержать пакеты напорно-диспергирующих или диагонального типа ступеней, либо последовательно соединенные пакеты осевых, диагональных и радиальных ступеней.
Применение мультифазного насоса повышает давление на входе в электроцентробежный насос при различном газосодержании пластовой жидкости, обеспечивает стабильную работу насоса в широком диапазоне подач, а также увеличивает величину предельного газосодержания добываемой смеси.
Благодаря тому, что осевая ступень на входе в мультифазный насос закреплена на нижнем конце вала, вал находится за пределами сечения входного осевого отверстия, поэтому входящая в насос пластовая жидкость поступает непосредственно в лопасти рабочего колеса, что снижает вероятность возникновения газовых пробок, уменьшает гидравлические сопротивления потока на входе мультифазного насоса и, в конечном итоге, позволяет создать больший напор жидкости при меньших значениях входного давления.
Использование осевых ступеней с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса, снижает вероятность срыва подачи из-за возникновения газовых пробок благодаря более широким проточным каналам.
Применение напорно-диспергирующих ступеней оптимально при низких и средних подачах. Напорно-диспергирующие ступени обеспечивают более интенсивное измельчение пузырьков газа в газожидкостной смеси (ГЖС) за счет полукруглой формы винтовых проточных канавок, что уменьшает объемное содержание газа в смеси, поступающей в электроцентробежный насос, и, как следствие, повышает надежность его работы в условиях высокого газосодержания добываемой жидкости.
Проточные каналы, образованные диагональными и радиальными ступенями, имеют меньшее поперечное сечение, по сравнению с осевыми ступенями. Существует закономерность между уровнем дисперсности ГЖС и шириной проточного канала - чем уже канал, тем интенсивнее будет происходить процесс дробления пузырьков газа в ГЖС. Поэтому использование пакетов осевых ступеней перед диагональными или использование пакета осевых ступеней вместе с диагональными и радиальными, размещенных в указанном порядке, обеспечивающих последовательное уменьшение ширины проточных каналов (максимально широкие каналы в ступенях осевого типа переходят в узкие каналы ступеней диагональных и радиальных), способствует постепенному в каждом последующем пакете увеличению степени диспергации ГЖС. За счет достигаемой степени дисперсности ГЖС обеспечивается устойчивая работа мультифазного насоса, при этом в каждом пакете ступеней дополнительно происходит увеличение давления, что приводит к возрастанию напора, создаваемого насосом при прокачке ГЖС. Использование мультифазного насоса, состоящего из последовательно соединенных осевых, диагональных и радиальных ступеней позволяет перекачивать ГЖС с большей подачей, чем насосом только с осевыми ступенями.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен заявляемый погружной насосный агрегат, фиг. 2 - мультифазный насос с осевыми ступенями; на фиг. 3 - вариант исполнения насоса со ступенями осевого и напорно-диспергирующего типов, на фиг. 4 - вариант исполнения мультифазного насоса с осевыми и диагональными ступенями, на фиг. 5 - вариант исполнения мультифазного насоса с осевыми, радиальными и диагональными ступенями.
Погружной насосный агрегат (см. фиг. 1) содержит последовательно расположенные сверху вниз компоненты: грузонесущий кабель 1, грузонесущую муфту 2, верхнюю гидрозащиту 3, измерительный блок 4, маслозаполненный ПЭД 5, нижнюю гидрозащиту 6, выкидной модуль 7, погружной электроцентробежный насос 8, мультифазный насос 9, хвостовик с всасывающим каналом 11, вокруг которого размещен герметизирующий узел 10. Герметизирующий узел 10 перекрывает кольцевое пространство между хвостовиком 11 и НКТ 13 и может быть выполнен, например, в виде пакера. На входе в хвостовик может быть установлен скважинный фильтр 12.
Мультифазный насос 9, установленный между электроцентробежным насосом 8 и хвостовиком 11, имеет множество последовательно размещенных на валу 19 ступеней осевого типа (фиг. 2), аналогичных описанным в патенте РФ №2428588. Каждая ступень состоит из рабочего колеса 14, установленного с возможностью вращения вокруг своей оси и выполненного в виде втулки 16 со спиральными лопастями 17, и неподвижного направляющего аппарата 15 с неподвижными лопастями 19. На входных кромках лопасти 17 рабочего колеса 14 могут быть выполнены сквозные отверстия, которые обеспечивают предварительную диспергацию смеси. Осевая ступень на входе в насос 9 насажена на конец вала 19, который не выступает за пределы рабочего колеса 14 и не перекрывает осевое входное отверстие мультифазного насоса.
После пакета осевых ступеней возможна дополнительная установка пакета напорно-диспергирующих ступеней (см. фиг. 3), которые состоят из закрепленного на валу 19 ротора-винта 20 и неподвижного статора-втулки 21, которые имеют на поверхностях сопряжения выступы и впадины.
В некоторых вариантах исполнения мультифазный насос 9 наряду с пакетом осевых ступеней может дополнительно содержать пакеты диагональных ступеней (см. фиг. 4), состоящих из рабочих колес 22 с диспергирующими отверстиями на кромках лопастей и направляющих аппаратов 23 диагонального типа, или последовательно установленные в указанном порядке ступени осевого типа, ступени диагонального типа и радиальные ступени (см. фиг. 5), в состав которых входят рабочие колеса 24 и направляющие аппараты 25 радиального типа.
Погружной насосный агрегат работает следующим образом.
Агрегат спускают на грузонесущем кабеле 1 в колонну НКТ 13, размещенную внутри эксплуатационной колонны.
Питающее напряжение подается через грузонесущий кабель 1 (фиг. 1) с грузонесущей муфтой 2 к обмоткам маслозаполненного ПЭД 5, приводя его в работу. Вращение от вала ПЭД 5 передается через нижнюю гидрозащиту 6, выкидной модуль 7 к электроцентробежному насосу 8 и мультифазному насосу 9. Пластовая жидкость всасывается через скважинный фильтр 12, освобождается от механических примесей и через внутренний канал хвостовика 11 поступает в осевом направлении в мультифазный насос 9. Попадая в мультифазный насос 9, газожидкостная смесь поступает в рабочее колесо 14 (см. фиг. 2), где приобретает энергию за счет закрутки вращающимися лопастями 17, далее закрученный поток поступает в направляющий аппарат 15, протекает через его неподвижные лопасти 19, чтобы максимально погасить закрутку потока перед входом в следующую ступень. В случае прохождения ступени напорно-диспергирующего типа, газожидкостная смесь подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами статоров-втулок 21 и роторов-винтов 20 происходит дополнительное повышение давления в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размера газовых пузырьков, а также уменьшает объемное содержание газа в смеси.
Таким образом, мультифазный насос 9 (фиг. 1) гомогенизирует и частично сжимает газожидкостную смесь, обеспечивая устойчивую работу электроцентробежного насоса 8 в широком диапазоне подач, а также повышает величину напора, развиваемого насосным агрегатом. Далее жидкость поступает в электроцентробежный насос 8, пройдя который приобретает необходимый напор и через выкидной модуль 7 попадает в кольцевое пространство между эксплуатационной колонной 13 и погружным насосным агрегатом, откуда поднимается на поверхность.
Предлагаемый насосный агрегат может монтироваться в скважины с высоким газовым фактором, а также найти применение в качестве резервного агрегата для добычи скважинной жидкости и монтироваться в колонну НКТ, запускаясь в работу только в момент отказа основной установки, что позволит значительно снизить время простоя скважины, и это, в свою очередь, является особенно актуальным в условиях удаленных и труднодоступных месторождений.