ПОГРУЖНАЯ БЕСШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
SUBMERSIBLE ROD-TYPE PUMP UNIT

Изобретение относится к конструкциям бесштанговых глубинных насосно-скважинных установок возвратно-поступательного движения для добычи пластовых жидкостей в нефтедобыче, в которых используются в качестве привода погружные линейные магнитоэлектрические двигатели. Заявляемая установка предназначена, преимущественно, для малодебитных скважин при эксплуатации глубоких пластов глубиной до 3000 м.
Для нефтяных компаний вопрос эффективной эксплуатации малодебитного фонда остается достаточно острым. Подбор техники и технологии для подъема жидкости из таких скважин является одной из основных задач направления нефтегазодобычи, наиболее актуальной из которых является развитие применения альтернативных способов добычи.
Из уровня техники известны и широко используются установки штанговые глубиннонасосные (УШГН) с плунжерными насосами. Однако в связи с усложнением условий эксплуатации скважин и структуры фонда скважин, с существенным увеличением глубины скважин выявились существенные ограничения технических возможностей УШГН, обусловленные наличием в приводе колонны штанг и станка-качалки.
Погружные бесштанговые насосные установки являются результатом сочетания основных положительных конструктивных особенностей УШГН (использование объемного типа насоса, позволяющего производить регулирование подачи без изменения напорной характеристики) и установок с электроцентробежным насосом (УЭЦН) (использование для электроцентробежного насоса прямого погружного электрического привода), а так же исключения отрицательных сторон этих же способов эксплуатации, таких как: использование металлоемкого наземного привода; системы механизмов, преобразующих вращательное движение в возвратно-поступательное; колонны насосных штанг.
Основной особенностью погружных линейных двигателей является то, что конструкции должны иметь малый диаметр, ограниченный стенками скважин, и большую длину. Однако длина погружных бесштанговых насосных установок так же ограничивается возможностью спуска установок в скважины, имеющие путевые искривленные участки.
Основным требованием, предъявляемым к погружным бесштанговым насосным установкам, является необходимость максимальной силы тяги из расчета на один погонный метр (п.м.) длины погружного линейного электродвигателя для обеспечения необходимого напора для подъема жидкости из глубоких скважин.
Известен целый ряд погружных бесштанговых насосных установок, содержащих электродвигатель с возвратно-поступательно движущимся рабочим органом (слайдером), связанным с плунжером плунжерного насоса (авторское свид-во СССР №491793, 538153). В таких установках особенно важно, что пустотелость вала рабочего органа (слайдера) линейных двигателей существенно уменьшает активное сечение магнитопровода слайдера и приводит к его насыщению при повышении силы тока в обмотках статора. Насыщение магнитопровода ограничивает и снижает силу тяги линейного двигателя, необходимую для подъема жидкости из глубоких скважин.
Достигнутый за последние двадцать лет прогресс в области промышленного освоения производства высококоэрцитивных сплавов и соединений для постоянных магнитов позволил создать линейные электрические двигатели с более высокими энергетическими и удельными показателями.
Появление магнитов с большой максимальной магнитной энергией позволило создать магнитоэлектрические синхронные машины с возбуждением магнитного поля с помощью постоянных магнитов.
Синхронная машина с постоянными магнитами отличается высокой надежностью в работе, имеет простую электрическую схему, не потребляет энергию на возбуждение, обладает повышенным К.П.Д.
Статор линейного синхронного двигателя независимо от конструктивного исполнения аналогичен статору асинхронной машины. На статоре линейного синхронного двигателя располагается трехфазная обмотка, которая при подключении к трехфазной сети питающего напряжения создает бегущее магнитное поле. Это поле сцепляется с полем постоянных магнитов расположенных на слайдере, при этом, сила взаимодействия магнитных полей статора и слайдера приводит слайдер в движение со скоростью бегущего магнитного поля.
Такие линейные двигатели с постоянными магнитами в рабочем органе (слайдере) имеют значительно лучшие тяговые характеристики и их начали использовать при разработке погружных бесштанговых насосных установок.
Из уровня техники известна погружная бесштанговая насосная установка (Патент РФ №2489600), в конструкции которой предусмотрен привод погружного плунжерного насоса, выполненный в виде линейного электродвигателя, имеющего цилиндрический корпус с концевой пробкой, внутри которого размещены статор и головка возвратно-поступательного действия, состоящая из вала, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, у которого полости, образовавшиеся внутри корпуса и разделенные между собой статором и головкой возвратно-поступательного действия, заполняются пластовой жидкостью. При этом вал головки возвратно-поступательного действия выполнен полым и через радиальные отверстия соединяет между собой полости, образовавшиеся внутри корпуса, при этом, по крайней мере, одна из полостей сообщается с затрубным пространством через фильтрующий элемент.
Основными недостатками данной конструкции являются ограничение силы тяги, вследствие пустотелости вала слайдера и высокой вероятности его насыщения при повышении рабочего тока статора, а также размещение агрессивного расходного материала (ингибитора коррозии) внутри устройства, что резко снижает электрическую надежность устройства и обуславливает существенное увеличение эксплуатационных затрат в связи с необходимостью частых спускоподъемных операций для заправки ингибитора.
Из уровня техники также известен погружной насосный агрегат, описанный в Патенте РФ №2577671, который служит для встраивания в погружной блок установки для добычи нефти. А сама указанная известная Установка состоит из наземного блока, погружного блока и силового кабеля между наземным и погружным блоками. Погружной насосный агрегат содержит корпус; всасывающий клапан; нагнетательный клапан; ротор; статор и индукционные катушки. Пара плунжер-цилиндр выполнена в виде линейного насоса, причем плунжер, состоящий из металлической трубки с постоянными магнитами со встречными полюсами, чередующимися с металлическими вставками, является одновременно и ротором насосного агрегата. Цилиндр ротора выполняет роль изолирующей трубы и выполнен из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного и немагнитного материалов. Статор состоит из цилиндра статора, выполненного из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного и немагнитного материалов и индукционных катушек, заключенных в короба-сердечники, а расстояние между цилиндром ротора и цилиндром статора выполнено с обеспечением минимального зазора. Индукционные катушки и короба-сердечники выполнены со сквозными круглыми отверстиями, расположенными соосно со всеми индукционными катушками и коробами-сердечниками, в которые вставлены тепловые трубки, один конец которых расположен внутри статора и является теплоприемником, а второй конец выведен в поток откачиваемой жидкости и является теплоотводом. Ширина колец немагнитного материала цилиндра ротора равна ширине постоянного магнита на металлической трубке. Ширина металлических вставок равна ширине колец ферромагнитного материала цилиндра ротора. Ширина колец ферромагнитного и немагнитного материала в цилиндре статора одинакова, а в цилиндре ротора ширина колец немагнитного материала вдвое больше колец ферромагнитного материала. Индукционные катушки, заключенные в короба-сердечники, выполненные таким образом, что сверху они имеют зазоры для вывода обмотки и полностью закрывают ширину индукционных катушек, а снизу, в месте соприкосновения с цилиндром статора, короба-сердечники расположены на одном уровне с кольцами ферромагнитного материала цилиндра статора.
Недостатком данной конструкции является существенное снижение сечения магнитопровода (слайдера) вследствие пустотелости его вала, что обуславливает насыщение магнитопровода при повышении рабочего тока статора, а значит - снижение силы тяги линейных двигателей.
Из уровня техники известна конструкция погружного линейного магнитоэлектрического двигателя, используемого совместно с погружным насосом в бесштанговых глубинных насосных установках возвратно-поступательного движения для добычи пластовых жидкостей в нефтедобыче (Патент РФ №2549381). Электродвигатель в этой установке содержит герметичный статор с установленными в нем сердечниками с катушками, токовводом и головкой для соединения с насосом. В статоре расположен подвижный шток, включающий соединительную штангу с резьбой для соединения штока с плунжером насоса и активный герметичный слайдер, соединенный со штоком резьбовым соединением, выполненным в соединительной муфте. Слайдер содержит последовательно технологические пакеты, которые соединены между собой муфтами. Шток расположен во внутренней трубе, выполненной из нержавеющей стали с хонингованной поверхностью, между которой и поверхностью штока образован зазор. Головка соединена с корпусом статора резьбовым соединением через герметичные проставки, имеющие каналы. К основанию статора прикреплен компенсатор с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, имеющего диаметр в средней части больше диаметра каждой его концевой части, причем один конец диафрагмы связан с основанием статора, а ее другой конец соединен с муфтой, соединяющей электродвигатель с компенсатором.
Недостатком этой погружной установки, оборудованной известным электродвигателем, является малая надежность обусловленная наличием в двигателе компенсатора с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, сложность конструкции и повышение трудоемкости технического обслуживания.
Наиболее близким по назначению и сущности к предлагаемому изобретению является погружная бесштанговая насосная установка возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением (Патент ЕАПО №009268). Известная установка содержит плунжерный насос и соединенный с ним погружной линейный электродвигатель (далее - ЛЭД), который устанавливается под указанным насосом. Линейный электродвигатель, входящий в компоновку этой установки, состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещен статор с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали стальными сердечниками и соединенными между собой индукционными катушками, образующими множество групп круглых обмоток. Между обмотками установлены опорные направляющие и головка возвратно поступательного действия - слайдер, состоящая из цельнометаллического вала, соединенного с плунжером насоса и с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими стальными круглыми сердечниками, постоянные магниты отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии между стальными сердечниками головки возвратно- поступательного действия и имеют меньший, чем круглые стальные сердечники наружний диаметр, при этом, вывод обмоток статора соединен с находящимся на поверхности блоком цифрового программного управления.
Недостатком данного технического решения является недостаточная надежность, обусловленная следующим:
Во-первых, тем, что вывод обмоток статора ЛЭД соединен неразъемно с питающим кабелем без промежуточного разъемного узла токоввода (головки токоввода);
Во - вторых, не обеспечено при работе надежное демфирование слайдера, смазка и охлаждение контактной поверхности слайдера и цилиндра статора.
Существенным недостатком этой известной конструкции также является неремонтопригодность установки, так как большинство узлов в ней соединены сваркой и залиты компаундом.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении надежности, в увеличении величины напора насосной установки, в упрощении подключения к питанию ЛЭД, используемому в этой установке, при одновременном обеспечении ремонтопригодности установки и улучшении ее технологичности за счет обеспечения возможности спуска насосной установки в скважину стандартными подъемниками.
Указанный технический результат достигается предлагаемой погружной бесштанговой насосной установкой, содержащей плунжерный насос и погружной линейный электродвигатель, установленный под указанным плунжерным насосом, включающий цилиндрический корпус, внутри которого размещен статор с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали стальными сердечниками и соединенными между собой индукционными катушками, образующими группы обмоток, между которыми установлены опорные направляющие, головку возвратно поступательного действия - слайдер, состоящий из цельнометаллического вала, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, при этом новым является то, что установка дополнительно снабжена установленным под линейным электродвигателем хвостовиком с нерегулируемой по сечению перфорацией, выполненной в виде сквозного отверстия в неподвижной торцевой пробке хвостовика, или с регулируемой по сечению перфорацией, выполненной в виде сквозных отверстий в нижней части хвостовика с наружной резьбой и подвижной глухой торцевой пробки с внутренней резьбой, образующими нижнюю цилиндрическую полость внутри хвостовика, для обеспечения возможности движения слайдера вверх-вниз с периодическим заполнением указанной полости скважинной жидкостью при ходе слайдера вверх и с периодическим вытеснением скважинной жидкости из полости при ходе слайдера вниз, при этом внутри хвостовика размещена демпфирующая пружина, линейный электродвигатель сверху дополнительно снабжен удлинителем вала слайдера, длиной, равной длине хода слайдера, и диаметром, равным диаметру штока плунжерного насоса, при этом вал слайдера выполнен с возможностью соединения со штоком насоса через указанный удлинитель, а также линейный электродвигатель в верхней части дополнительно снабжен головкой токоввода со сквозным каналом, диаметр которого выполнен с возможностью прохода через него удлинителя вала слайдера, и снабжен патрубком-удлинителем, размещенным между головкой токоввода и цилиндрическим корпусом линейного электродвигателя и жестко соединенным с каждым из них, причем указанный патрубок-удлинитель выполнен в виде двух коаксиально расположенных с зазором друг к другу втулок с образованием двух кольцевых полостей: кабельной и центральной, при этом кабельная кольцевая полость образована между коаксиальными втулками и предназначена для размещения герметичного разъема и соединительного кабеля, а центральная кольцевая полость образована полостью центральной втулки и предназначена по габаритам для обеспечения свободного выбега слайдера при ходе вверх и заполнения скважинной жидкостью при ходе слайдера вниз.
Поставленный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что установка дополнительно снабжена установленным под линейным электродвигателем хвостовиком с нерегулируемой по сечению перфорацией, выполненной в виде сквозного отверстия в неподвижной торцевой пробке, или регулируемой по сечению перфорацией, выполненной в виде сквозных отверстий в нижней части хвостовика с наружной резьбой и подвижной глухой торцевой пробкой с внутренней резьбой, образующими нижнюю цилиндрическую полость, обеспечивается возможность движения слайдера вверх-вниз, с периодическим заполнением полости скважинной жидкостью при ходе слайдера вверх и периодическим вытеснением скважинной жидкости из полости при ходе слайдера вниз. Также при этом обеспечивается смазка - охлаждение, слайдера пластовой жидкостью и его безударная работа, так как при ходе слайдера вниз скважинная жидкость частично поступает из полости хвостовика в кольцевой зазор между слайдером и цилиндром статора и осуществляется смазка, охлаждение и дополнительное демпфирование слайдера. Вследствие улучшения смазки, охлаждения, трущихся поверхностей и дополнительного демфирования слайдера существенно улучшаются основные технические характеристики линейного двигателя и установки в целом: надежность, тяговое усилие.
Благодаря тому, что линейный электродвигатель сверху дополнительно снабжен удлинителем вала слайдера, длиной, равной длине хода слайдера, и диаметром, равным диаметру штока плунжерного насоса, и снабжен головкой токоввода, в которой выполнен канал с диаметром для прохода удлинителя вала слайдера, обеспечена сама возможность использования головки токоввода над линейным электродвигателем.
Благодаря тому, что линейный электродвигатель заявляемой установки оснащен патрубком-удлинителем, размещенным между статором линейного электродвигателя и узлом токоввода, и выполненным из двух коаксиально расположенных втулок с образованием центрального канала длиной и диаметром, обеспечивающими свободный выбег слайдера при ходе вверх, и образованием кольцевого канала между втулками, сочлененного с каналом в токовводе для размещения в нем питающего кабеля и герметичного разъема для соединения фазных обмоток линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля для проводки кабеля от узла токоввода до соединения с концами фазных обмоток статора, обеспечивается существенное снижение трудоемкости подключения установки (в частности, ЛЭД) к электропитанию в полевых условиях за счет быстроразъемного соединения, а значит, повышение надежности токоввода и всей установки в целом.
Для обеспечения ремонтопригодности все сборочные единицы изделия: головка токоввода, корпус линейного электродвигателя, корпус плунжерного насоса, хвостовик, патрубок-удлинитель, шток плунжера и вал слайдера, удлинитель вала слайдера соединены в единую конструкцию сборно-разъемными соединениями при спуске установки в скважину.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Погружная бесштанговая установка с нерегулируемой перфорацией хвостовика.
Фиг. 2 - Погружная бесштанговая установка с регулируемой перфорацией хвостовика.
Фиг. 3 - Фрагмент сечения линейного электродвигателя.
Фиг. 4 - Фрагмент сечения нижней части хвостовика с регулируемой перфорацией.
Предлагаемая погружная бесштанговая насосная установка (Фиг. 1) содержит плунжерный насос (1) с плунжером (2), всасывающим клапаном (29), нагнетательным клапаном (30), и погружной линейный электродвигатель (15), включающий цилиндрический корпус (14), внутри которого размещен статор (19) с периодически установленными на тонкостенных втулках (20) из нержавеющей стали стальными сердечниками (12) и соединенными между собой индукционными катушками (13), образующими группы обмоток, между которыми установлены опорные направляющие (26) (Фиг. 3), и головку возвратно поступательного действия - слайдер (18), состоящую из вала (21), выполненного с возможностью соединения с плунжером (2) погружного насоса (1) через удлинитель (35), с установленными на нем постоянными магнитами (27) и магнитопроводящими стальными сердечниками (28) (Фиг. 2). ЛЭД также включает головку токоввода (5) со сквозным каналом (4) и герметичным разъемом (31) соединения концов фазных обмоток (11) линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля (не показан). Индукционные катушки (13) и магнитопроводящие стальные сердечники (28), распределенные по длине статора на равные группы, ограниченны торцевыми крышками (16) в модули (17) и жестко соединены между собой по всей длине статора стальными патрубками (25) с опорными втулками (26). Для образования опорных поверхностей скольжения слайдера между статором (19) линейного электродвигателя и головкой токоввода (5) установлен патрубок-удлинитель (8), выполненный из двух коаксиально расположенных втулок (9) с образованием центральной полости (10) длиной и диаметром, обеспечивающими свободный выбег слайдера при ходе вверх и образованием кольцевой кабельной полости (7) между втулками (9) для проводки кабеля (6) от головки токоввода (5) до соединения с концами фазных обмоток статора (11).
Ниже статора (19) линейного электродвигателя (15) установлен хвостовик (22) с внутренними размерами полости (34) хвостовика (22), обеспечивающими свободный выбег слайдера при ходе вниз. При этом в торце хвостовика установлена демпфирующая пружина (23) и торцевая пробка (24), которая может быть перфорированной (39) (фиг. 1) или неперфорированной (фиг. 2 и фиг. 4).
Хвостовик (22) с регулируемой по сечению перфорацией, снабжен сквозными отверстиями (37) в нижней части хвостовика (22) с наружной резьбой (38) и подвижной торцевой пробкой (24) с внутренней резьбой (36), образующими нижнюю цилиндрическую полость внутри хвостовика.
Погружная бесштанговая установка с нерегулируемой перфорацией хвостовика предназначена, преимущественно, для скважин с низким газовым фактором. Погружная бесштанговая установка с регулируемой перфорацией предназначена, преимущественно, для скважин с высоким газовым фактором.
В вариантном исполнении предлагаемая погружная бесштанговая насосная установка (Фиг. 2) может включать клапан хвостовика (на чертеже не показан).
Погружная бесштанговая насосная установка работает следующим образом.
Принцип работы предлагаемой установки основан на том, что в линейном электродвигателе (15) при питании обмоток индукционных катушек (13) статора (19) переменным трехфазным током головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (18) под действием электромагнитных сил совершает возвратно-поступательные движения, которые передает жестко связанному с валом (21) слайдера (18) удлинителем (35) вала слайдера через шток (3) насоса (1) плунжеру (2). При этом, добываемая жидкость через перфорации (32) цилиндра насоса, всасывающий (29) и нагнетательный (30) клапаны, нагнетается в НКТ (33) и далее в системы сбора на поверхности.
Важно отметить, что при движении слайдера (18) вниз над слайдером образуется кольцевая верхняя полость между входящим в цилиндр статора штоком (3) насоса и цилиндром статора линейного двигателя. Эта полость заполняется пластовой жидкостью через зазор между слайдером и цилиндром статора из полости хвостовика под слайдером. При обратном движении слайдера вверх жидкость из верхней полости частично через этот же зазор продавливается вниз в полость хвостовика. Этим достигается улучшение смазки, охлаждения и демпфирования.
Монтаж предлагаемой погружной бесштанговой насосной установки на скважине осуществляется в следующей последовательности:
Сборка 1. Узел токоввода (5) резьбовым соединением крепится на патрубке - удлинителе (8) выше линейного двигателя (15);
Сборка 2. Хвостовик (22) резьбовым соединением крепится к линейному электродвигателю (15) с нижнего торца.
Сборка 3. Сборка 1-2 подъемным краном вводится в скважину и временно удерживается на колонном фланце.
Сборка 4. Плунжерный насос 1 подъемным краном подвешивается над сборкой 1-2 и вал (21) слайдера (18) электродвигателя (15) резьбовым соединением соединяется с удлинителем (35), а второй конец удлинителя (35) соединяется со штоком (3) плунжера (2) насоса (1).
Сборка 5. Корпус плунжерного насоса (1) резьбовым соединением соединяется с корпусом узла токоввода (5).
Сборка 6. Сборка 5 подъемным краном вводится в скважину и временно удерживается на колонном фланце.
Сборка 7. В герметичном разъеме (31) узла токоввода (5) крепится муфта кабельного удлинителя питающего кабеля (на чертеже не показаны).
Сборка 8. Собранная погружная бесштанговая насосная установка вместе с кабелем спускается в скважину на НКТ (33) в зону продуктивного пласта.
Сборка 9. На поверхности питающий кабель присоединяется к источнику питания станции с блоком цифрового программного управления (на чертеже не показано).
После завершения указанных сборочных операций предлагаемая погружная бесштанговая насосная установка готова к работе по подъему жидкости из скважины.
Конструкция предлагаемой погружной бесштанговой насосной установки выполнена из разборно соединенных между собой конструктивных единиц. Благодаря такому соединению, во-первых, обеспечивается техническая возможность проведения спуско-подъемных работ оборудования при стандартных подъемных кранах; а, во-вторых, обеспечивается ремонтопригодность оборудования.
Опытно-промышленные и цеховые испытания предлагаемых погружных бесштанговых насосных установок (установок насосных с линейным приводом) проведены на нефтяных месторождениях Пермского Прикамья и Западной Сибири.
В результате проведенных опытно-промысловых испытаний предлагаемых погружных бесштанговых насосных установок подтверждены следующие преимущества:
- повышение их надежности по сравнению с аналогами (ресурс работы увеличен на 30%), вследствие, оптимизации теплового режима линейного электродвигателя, уменьшения трения, снижения вибраций при движении слайдера.
- обеспечение ремонтопригодности установки, снижение трудозатрат при эксплуатации.
- повышение тягового усилия из расчета на единицу длины линейного двигателя по сравнению с аналогами;