УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА С ПЕРЕДАЧЕЙ ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ ДЛЯ ПОДЪЕМА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ ИЗ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к нефтегазодобывающему оборудованию и может быть использована для подъема газожидкостной смеси с большой глубины.
Широко распространено при подъеме газожидкостной смеси из нефтяных скважин использование штанговых глубинных насосов, которых в России насчитывается 53000 единиц.
Такая насосная установка состоит из станка-качалки (СК), оборудования устья скважин, насосных штанг, насосно-компрессорных труб (НКТ), подвешенных на планшайбе, и скважинного штангового насоса (СШН). Посредством колонны насосных штанг плунжеру насоса передается возвратно-поступательное движение от электродвигателя через редуктор и кривошипно-шатунный механизм станка-качалки.
Недостатком известного способа является необходимость подготовки фундамента для СК, монтажа многотонного СК на устье скважин, большая металлоемкость, передача усилий на плунжер насоса за счет многотонной колонны штанг, низкая возможность изменения режима работы установки, частый обрыв штанг, истирание лифта НКТ и штанг за счет истирания и усталостного разрушения штанги и НКТ, низкий КПД установки, невозможность работать в скважинах глубже 1600-1800 метров (потребность до 4000 м.), экологическая опасность за счет частых утечек нефти из устьевых сальников.
Известен наземный привод штангового насоса, содержащий электродвигатель, кинематически связанный с двухходовым винтом передачи винт-гайка. При вращении винта гайка, соединенная со штангами, совершает возвратно-поступательные движения в осевом направлении по вертикальной направляющей (Патент РФ №2133875, МПК F04B 47/08, опубл. 10.05.2001 г.).
Недостатком привода является быстрый износ и небольшой срок службы передачи винт-гайка скольжения и низкий КПД вследствие высоких потерь на трение.
Известен наземный привод скважинного плунжерного насоса, содержащий, по меньшей мере, два установленных параллельно шарико-винтовых привода штанг от реверсивного электродвигателя. Гайки привода, соединенные траверсой с полированным штоком, совершают возвратно-поступательное движение. Винты соединены с электродвигателем и защищены от окружающей среды гофрированными оболочками. В верхней и нижней точках корпуса установлены концевые выключатели для переключения реверса электродвигателя, а также выключатель аварийного снятия напряжения (Патент США №5404767 МПК F04D 47|022, опубл. 1995.01.05.).
Однако известный привод обладает ограниченными функциональными возможностями, обусловленными достаточно большими габаритами и недостаточной герметизацией шарико-винтовой передачи, что не позволяет его использовать в погружном варианте.
Наиболее близким к предложенному является погружной насосный агрегат (Патент РФ №2347947, МПК F04B 47/06, опубл. 27.02.2009 г.), который включает корпус, эластичную оболочку, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, находящейся в подвижном соединении с корпусом и соединенной со штангой привода плунжерного насоса. Штанга уплотнена в корпусе и связана с гайкой посредством полого цилиндрического штока, охватывающего винт и входящего с ним в подвижное соединение, а внутренние полости корпуса и эластичной оболочки заполнены маслом. Наружная поверхность оболочки сообщается с полостью скважины, а на винте и полом штоке установлены демпферы в виде пружин.
Данное изобретение может быть использовано для подъема жидкости с большой глубины, но имеет следующие недостатки при использовании в нефтяных скважинах:
- наличие пружинных демпферов, подверженных быстрому износу в газожидкостных средах, снижает надежность установки;
- нечеткость срабатывания реверса двигателя из-за переменной вязкости нефтяного флюида снижает коэффициент полезного действия установки, снижает ее надежность.
Задачей полезной модели является создание экономически эффективной и надежной установки для подъема газожидкостной смеси из малодебитных скважин и из глубоколежащих нефтяных пластов.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности установки, ее производительности, сокращение энергозатрат.
Указанный технический результат достигается установкой погружного плунжерного насоса для подъема жидкости с большой глубины, включающей корпус, погружной электродвигатель, снабженный гидрозащитой, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, находящейся в подвижном соединении с корпусом и соединенной со штоком плунжера насоса, причем шток уплотнен в корпусе и связан с гайкой качения посредством цилиндрического полого штока, охватывающего винт и входящего с ним в подвижное соединение, а внутренняя полость корпуса заполнена барьерным маслом, в которой в отличие от прототипа насос содержит цилиндр с подвижно соединенным с ним плунжером, а также нагнетательный клапан и всасывающий клапан, расположенный на головке плунжера, и между ними образована полость, сообщающаяся с полостью затрубного пространства скважины через приемные сетки, установленные в стенках цилиндра плунжерного насоса, причем погружной электродвигатель выполнен вентильным и его вал соединен с винтом передачи винт-гайка качения через опорно-подшипниковый узел, расположенный в нижней части корпуса над гидрозащитой, а вентильный электродвигатель соединен со станцией управления, содержащей контроллер со встроенным программным обеспечением.
Согласно полезной модели передача винт-гайка качения выполнена в виде ролико-винтовой или шарико-винтовой передачи.
Предложенная совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат за счет управления процессом переключения направления вращения вентильного электродвигателя посредством запрограммированного контроллера без использования ненадежных узлов, таких, как пружинные демпферы, а также за счет конструктивных особенностей плунжерного насоса, обеспечивающих эффективное выталкивание жидкости за пределы нагнетательного клапана в насосно-компрессорную трубу.
На фиг. 1 схематично изображена установка погружного плунжерного насоса с передачей винт-гайка качения.
Установка содержит корпус 1, погружной вентильный электродвигатель 2 с гидрозащитой 3, основание ролико-винтовой передачи 4 с установленным на нем опорно-подшипниковым узлом 5. Ведущий вал вентильного электродвигателя 2 соединен с винтом 6 ролико-винтовой передачи, по которому внутри корпуса 1 перемещается гайка качения 7, соединенная посредством цилиндрического полого штока 8 и центратора 9 со штоком 10 плунжера 11, который передвигается в цилиндре 12 плунжерного насоса в результате преобразования вращательного движения вентильного электродвигателя в возвратно-поступательное движение плунжера. Шток 10 плунжера уплотнен в корпусе 1 посредством сальникового узла 13, обеспечивающего герметизацию внутренней полости корпуса, заполненной барьерным маслом, от попадания скважинной жидкости. В стенках цилиндра 12 плунжерного насоса установлены приемные сетки 14, через которые из затрубного пространства поступает скважинная жидкость и которые предотвращают попадание в полость плунжерного насоса посторонних предметов. На головке плунжера 11 расположен всасывающий клапан 15, плунжерный насос в его верхней части снабжен нагнетательным клапаном 16 и соединен с насосно-компрессорной трубой 17 через обратный клапан 18. Верхняя полость гидрозащиты 3 компенсирует изменение объема барьерного масла, находящегося во внутренней полости корпуса 1 установки, а ее нижняя полость компенсирует изменение объема диэлектрического масла, заполняющего погружной вентильный электродвигатель 2. К вентильному электродвигателю 2 подведен токовод 19 и погружной кабель 20 для подачи высоковольтного напряжения. Плунжер 11 может быть дополнительно снабжен нижним всасывающим клапаном 21.
Установка работает следующим образом.
Установку для подъема газожидкостной смеси из нефтяных скважин опускают ниже динамического уровня, чтобы скважинная жидкость из затрубного пространства поступала через приемные сетки 14 в полость А полого плунжера 11 насоса и полость Б насоса, которая образована между всасывающим клапаном 15 и нагнетательным клапаном 16. За счет ролико-винтовой или шарико-винтовой передачи, приводимой в движение вентильным электродвигателем, при движении плунжера вниз происходит заполнение полости насоса скважинной жидкостью, т.е. газожидкостной смесью. По достижении плунжером 11, а следовательно гайкой качения 7 передачи винт-гайка самого нижнего положения станция управления установкой по сигналам с контроллера со встроенным программным обеспечением, переключает вентильный электродвигатель в другое направление вращения. Ролико (шарико)-винтовая передача начинает перемещать через полый цилиндрический шток 8 и шток 10 плунжера 11 вверх, тем самым вытесняя жидкость из полости Б за пределы нагнетательного клапана 16. При этом вся масса жидкости, находящейся в НКТ 17 поднимается на поверхность земли и двигается по сборным трубопроводам. Чем меньше объем полости Б при верхнем положении плунжера 11, тем эффективнее вытеснение из этой полости газожидкостной смеси в случае большого количества газа в составе скважинной жидкости. Затем, по достижении самого верхнего положения программное управление переключает электродвигатель в другое направление вращения, и цикл работы установки повторяется.
При помощи станции управления установкой можно менять частоту напряжения, подаваемого на электродвигатель, и таким образом изменять число двойных ходов плунжера (вниз-вверх) и скорости движения плунжера насоса. Путем регулирования времени ожидания переключения вентильного электродвигателя в совокупности со скоростью движения плунжера достигается регулирование производительности установки с помощью пульта управления. При этом не требуется ее подъем и изменение кинематики. Предложенная установка погружного плунжерного насоса с погружным вентильным электродвигателем позволяет эксплуатировать нефтяные скважины в наиболее оптимальном и экономичном режиме.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет осуществлять эффективный подъем газожидкостной смеси из глубоких нефтяных пластов при обеспечении надежности конструкции и сокращении энергозатрат.