ПОГРУЖНАЯ БЕСШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
SUBMERSIBLE RODLESS WELL PUMP PLANT

Изобретение относится к конструкциям бесштанговых глубинных насосно-скважинных установкой 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.
Из уровня техники широко известны установки штанговые глубинно-насосные (УШГН) с плунжерными насосами, которые хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации малодебитного фонда и успешно эксплуатируется в России более чем на 50000 скважинах. 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.
Более 50 лет назад стало понятно, что перспективой повышения эффективности плунжерных насосов могут стать линейные электрические двигатели, используемые в качестве привода плунжерных насосов. Это дало толчок по разработке специализированных линейных двигателей для плунжерных насосов и к разработке погружных бесштанговых насосных установок.
Известен целый ряд погружных бесштанговых насосных установок, содержащих электродвигатель с возвратно - поступательно движущимся рабочим органом (слайдером), связанным с плунжером плунжерного насоса. Примером является глубинный поршневой бесштанговый насос двойного действия, содержащий асинхронный многофазный цилиндрический двигатель (линейный двигатель), статор которого заключен в герметичный корпус и состоит из магнитопровода и обмоток, составленных из катушек. На пустотелом рабочем органе (слайдере) двигателя установлен рабочий поршень (плунжер) с нагнетательным клапаном. При работе поршень возвратно - поступательно перемещается в корпусе камеры, в которой установлены всасывающие клапаны и перекачивает жидкость в насосно-компрессорные трубы, на которых подвешена насосная установка, (авторское свид-во СССР №491793). Электродвигатель с возвратно - поступательно движущимся рабочим органом (линейный двигатель) в данной установке расположен выше рабочего плунжера насоса.
Также известен бесштанговый насосный агрегат для работы в глубоких скважинах, содержащий электродвигатель с возвратно -поступательно движущимся полым рабочим органом (слайдером), связанным с полым плунжером насоса, имеющим всасывающий и нагнетательные клапаны, насос расположен над электродвигателем, в статоре которого выполнен направляющий конус для центрирования корпуса насоса, насосный агрегат снабжен в верхней части замковой опорой для крепления его в колонне насосных труб и обеспечения возможности подъема насоса на поверхность без подъема электродвигателя и питающего его кабеля, (авторское свид-во СССР №538153).
Общим недостатком вышеуказанных изобретений является недостаточная надежность и недостаточный напор при работе в глубоких скважинах (с глубиной до 2500 м) с осложненными условиями эксплуатации, что приводит к невозможности их эксплуатации данными установками в таких условиях.
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 установленные на трубе аксиально намагниченные магниты и полюсы из конструкционной стали. Магниты и полюсы разделены на 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 конц диафрагмы связан с основанием статора, а ее другой конец соединен с муфтой, соединяющей электродвигатель с компенсатором.
Недостатком погружной установки, оборудованной известным электродвигателем является малая надежность, недостаточный напор и сложность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является погружное насосное устройство возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением (Патент ЕАПО №009268). Известное устройство содержит плунжерный насос и соединенный с ним погружной линейный электродвигатель, который устанавливается под указанным насосом. Линейный электродвигатель, входящий в компоновку 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 группы обмоток. Между обмотками установлены опорные направляющие и головка возвратно поступательного действия - слайдер, состоящая из вала, соединенного с плунжером насоса и с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, при этом вывод обмоток статора соединен с находящимся на поверхности блоком цифрового программного управления.
Недостатком данного технического решения является низкая надежность, обусловленная следующим:
во-первых - недостаточным охлаждением линейного двигателя установки при повышенной мощности, так как охлаждение в нем происходит только одностороннее с внешней стороны линейного двигателя;
во-вторых - из-за наличия ударных контактов при работе выступающих опорных направляющих статора с выступающими стальными сердечниками головки возвратно-поступательного действия;
в-третьих - тем, что изоляция фазных обмоток статора (катушек), установленных вблизи друг от друга и находящихся под линейным напряжением, которое в 1,73 раза больше фазного напряжения, выполнена без учета данного аргумента недостаточно надежно.
Также существенным недостатком известной конструкции является ограниченность напора насосного устройства, необходимого при работе в глубоких скважинах, так как магнитопровод статора входит в режим насыщения при увеличении силы питающего тока.
Существенным недостатком известной конструкции также является отсутствие ремонтопригодности устройства, т.к. элементы в нем соединены сваркой и залиты компаундом.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением заключается в повышении надежности и увеличении величины напора насосных установок, при одновременном обеспечении ремонтопригодности устройства.
Указанный технический результат достигается предлагаемой погружной бесштанговой насосной установкой, содержащей плунжерный насос и соединенный с ним погружной линейный электродвигатель, 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, и головка возвратно поступательного действия - слайдер, состоящая из вала, соединенного с плунжером указанного насоса, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, отличающаяся тем, что линейный электродвигатель дополнительно оснащен головкой токоввода, в котором выполнены канал для подачи добываемой жидкости от плунжерного насоса через полый вал слайдера в насосно-компрессорные трубы и герметичный разъем для соединения фазных обмоток линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля, а также выполнен канал с верхним клапаном для закачки трансформаторного масла в свободные от катушек и сердечников зазоры и полости статора, при этом, в нижней части корпуса линейного электродвигателя выполнен канал с нижним клапаном для стравливания воздуха из полостей статора при их заполнении трансформаторным маслом.
В преимущественном варианте выполнения:
- каждый магнитопроводящий сердечник статора выполнен из пар замоноличенных пакетов пластин электротехнического железа, жестко скрепленных между собой для образования магнитопровода с образованием зубцов и пазов статора, при этом, радиально расположенные пакеты являются зубцами магнитопровода, а аксиально расположенные пакеты являются ярмом магнитопровода, с обеспечением возможности направленности силовых линий магнитного поля, создаваемого индукционными катушками статора, только вдоль шихтованных пластин магнитопровода.
- индукционные катушки, расположенные между зубцами магнитопровода, дополнительно изолированы от зубцов тонкими кольцевыми диэлектрическими прокладками.
- на головке возвратно поступательного действия - слайдере, состоящей из вала с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, дополнительно периодически установлены металлические шайбы из металла высокой проводимости, выполненные с диаметром, равным диаметру постоянных магнитов и магнитопроводящих сердечников.
- в качестве металла высокой проводимости используют, например, алюминий или медь.
- постоянные магниты, установленные на валу слайдера, защищены от истирания по периметру бандажами из нержавеющей стали.
- индукционные катушки и магнитопроводящие сердечники, распределенные по длине статора на равные группы и ограниченные торцевыми крышками в модули, жестко соединены между собой по всей длине статора стальными патрубками, при этом на стальных патрубках концентрично установлены опорные втулки из нержавеющей стали с внутренним диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра тонкостенных втулок статора для образования опорных поверхностей скольжения слайдера.
- прием плунжерного насоса снабжен фильтром защиты от механических примесей.
- все ее сборочные единицы: головка токоввода, корпус линейного электродвигателя, корпус плунжерного насоса, корпус фильтра защиты от механических примесей, выполнены длиной не более 10 метров и соединены в единую конструкцию сборно-разъемными соединениями при спуске установки в скважину.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Вид заявляемой погружной бесштанговой насосной установки в сечении.
Фиг. 2 - Слайдер - головка возвратно поступательного действия, элемент линейного электродвигателя, используемого в качестве привода в предлагаемой установке.
Фиг. 3 - Фрагмент сечения линейного двигателя.
Фиг. 4 - Пластина электротехнической стали зубца магнитопровода.
Предлагаемая погружная бесштанговая насосная установка (Фиг. 1) содержит плунжерный насос (1) с плунжером (10), всасывающим клапаном (29), нагнетательным клапаном (30) и погружной линейный электродвигатель (2), включающий статор (4) и головку возвратно-поступательного действия (слайдер) (8). Статор (4) (Фиг. 3) установлен внутри цилиндрического корпуса (3) и состоит из цилиндра (5) статора (4), выполненного из нержавеющей стали; из периодически установленных на цилиндре (5) статора (4) индукционных катушек (7) фаз А, В, С и стальных сердечников (6), образующих зубья магнитопровода, а также дополнительно установленных между ними тонких кольцевых изоляционных прокладок (22).
Индукционные катушки (7) фаз А, В, С распределены по всей длине статора, образуя три фазные обмотки А, В, С, которые в конце статора (4) соединены в «звезду».
Стальные сердечники (зубья) (6) выполнены в виде круглых пластин (23) из электротехнической стали (Фиг. 4) с необходимыми функциональными технологическими вырубками (20, 37-40). При этом вырубка (37) - для соединения индукционных катушек в фазные линии, вырубка (38) - для размыкания вихревых токов в зубцах; вырубка (39) - для прокладки монтажных стягивающих шин; вырубка (40) - для установки слайдера.
К стальным сердечникам (зубьям) (6) по периметру присоединены кольцевые пакеты из пластин электротехнической стали (21), образующие ярмо магнитопровода. При этом, пластины электротехнической стали зубцов (6) и ярма магнитопровода устанавливаются ориентированными вдоль направления силовых линий магнитного потока индукционных катушек (7). Индукционные катушки (7) и стальные сердечники (зубья) (6) для удобства сборки распределены по длине статора (4) на группы (модули) (24). Модули (24) по торцам закрыты торцевыми крышками (25), установленные резьбовым или сварочным соединением по торцам цилиндров (5) статора (4). Между торцевыми крышками (25) смежных модулей (24) и резьбовым или сварочным соединением с торцевыми крышками (25) установлены стальные патрубки (26), на которых коаксиально установлены опорные втулки (27) из нержавеющей стали с внутренним диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра тонкостенных втулок статора, образующих опорные поверхности скольжения слайдера.
Для заполнения трансформаторным маслом межмодульных полостей (33) статора (4) и размещения сросток (34) фазных обмоток модулей (24) образованы межмодульные полости (33).
Головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (8) (Фиг. 2) содержит последовательно установленные на полом стальном валу (9) аксиально намагниченные постоянные магниты (11) и магнитопроводящие стальные сердечники (12). На головке возвратно поступательного действия (слайдере), состоящей из вала (9), с установленными на нем постоянными магнитами (11) и магнитопроводящими сердечниками (12) дополнительно периодически вставлены металлические шайбы (28) из высоко проводящего металла (например, алюминий, медь) с диаметром, равным диаметру указанных постоянных магнитов и магнитопроводящих сердечников. Постоянные магниты (11) и стальные сердечники (12) фиксируются на стальном валу (9) торцевыми муфтами (31) и (32). Нижняя торцевая муфта (32) выполнена с резьбой для соединения вала слайдера (9) с плунжером (10) плунжерного насоса (1), а верхняя торцевая муфта (31) с резьбой выполнена для крепления выкидного патрубка (18). К цилиндрическому корпусу (3) линейного электродвигателя (2) резьбовым соединением присоединена головка токоввода (13) с ниппелем (35) для подвески насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). В головке токоввода (13) выполнены канал (14) для подачи добываемой жидкости от плунжерного насоса (1) через полый вал (9) слайдера в НКТ (на чертеже не обозначены) и герметичный разъем (15) для соединения концов фазных обмоток (16) линейного электродвигателя (2) с муфтой кабельного ввода питающего кабеля (на чертеже не обозначена), а также выполнен верхний масляный клапан (17) для закачки трансформаторного масла в межмодульные полости (33) статора (4). В нижней части статора (4) установлен нижний масляный стравливающий клапан (19).
На приеме плунжерного насоса (1) установлен фильтр (36) для защиты от механических примесей.
Погружная бесштанговая насосная установка (Фиг. 1) работает следующим образом:
Принцип работы предлагаемой установки основан на том, что в линейном электродвигателе (2) при питании обмоток индукционных катушек (7) статора (4) переменным трехфазным током головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (8) под действием электромагнитных сил совершает возвратно-поступательные движения, которые передает жестко связанному со слайдером (8) через вал (9) плунжеру (10) плунжерного насоса (1). При этом добываемая жидкость через фильтр (36), всасывающий (29), нагнетательный (30) клапаны, полый плунжер (9) и канал (14) головки токоввода (13) нагнетается в НКТ (на чертеже не показаны).
Монтаж предлагаемой погружной бесштанговой насосной установки на скважине осуществляется в следующей последовательности сборок:
1: - головка токоввода (13) через ниппель (35) резьбовым соединением крепится на корпусе (3) линейного двигателя (2);
2: - корпус плунжерного насоса (1) резьбовым соединением соединяется с фильтром (36) защиты от механических примесей. Сборка 2 подъемным краном вводится в скважину и временно удерживается на колонном фланце.
3: - сборка 1 подъемным краном подвешивается над сборкой 2 и слайдер (8) электродвигателя (2) резьбовым соединением соединяется с плунжером (10) насоса (1). Затем корпус (3) цилиндрического двигателя (2) резьбовым соединением соединяется с корпусом насоса (1).
4: - собранная конструкция из сборок 1 и 2 спускается ниже в скважину и временно удерживается на колонном фланце.
5: - через верхний клапан (17) полости статора (4) двигателя (2) заполняются трасформаторным маслом.
6: - в герметичном разъеме (ниппеле (35) на головке токоввода (13) крепится муфта кабельного удлинителя (15) питающего кабеля.
7: - погружная бесштанговая насосная установка вместе с кабелем спускается в скважину на расчетную глубину в зоне продуктивного пласта.
8: - на поверхности питающий кабель присоединяется к станции с блоком цифрового программного управления (на чертеже не показано).
После завершения указанных сборочных операций погружная бесштанговая насосная установка готова к работе по подъему жидкости из скважины.
Сущность физики явлений, обуславливающих работу предлагаемой установки, могут быть объяснены следующим.
Электромагнитные силы, возникающие в линейном электродвигателе, являющимся приводом для погружного насоса в установке, обусловлены несколькими причинами:
во-первых, тем, что при прохождении электрического тока по катушкам (7) статора (4) на проводники с током (витки индукционных катушек) действует магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами слайдера (11) и при этом создается силовое воздействие по закону Ампера;
во-вторых, электрический ток в статоре (4) создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует в слайдере (8) контурные токи. Бегущее магнитное поле, взаимодействуя с током, индуцируемом в замкнутом контуре, также создает электромагнитные силы аксиального направления. Для увеличения контурных токов и тягового усилия линейного двигателя в конструкции слайдера (8) вставлены кольцевые прокладки (28) из меди или алюминия. Суммарные электромагнитные силы вызывают аксиальное перемещение слайдера (8) и плунжера (10) относительно статора (4) и корпуса плунжерного насоса (1).
При этом, при прямом чередовании фаз тока, задаваемом станцией управления (на чертеже не показана), слайдер-плунжер перемещаются в одну сторону, при обратном чередовании фаз - перемещаются в другую сторону, обеспечивая стационарную работу предлагаемой насосной установки.
При работе плунжерного насоса между плунжером (10) и цилиндром насоса (1) в кольцевом зазоре всегда продавливается, так называемая, «жидкость утечки». Она поступает в зазор между слайдером (8) и опорными втулками (27) статора (4), при этом выполняет функцию смазки и охлаждения трущихся поверхностей, что исключает их перегрев, а значит, обеспечивает надежную работу.
При работе в предлагаемой установке магнитного электродвигателя под воздействием переменного тока, протекающим в катушках (7) статора (4), выделяется активная мощность и происходит нагрев статора (4). В предлагаемой конструкции дополнительное охлаждения статора (4) достигнуто, вследствие заполнения герметичных полостей (33) статора (4) трансформаторным маслом, которое нагревается от катушек (7) и отводит тепло как через внешний корпус (3) двигателя (2), так и внутрь полого вала (9) слайдера (8) в добываемую жидкость, выходящую в НКТ через канал ниппеля (35), образованный в головке токоввода (13). Дополнительным эффектом при прохождении потока жидкости через полый вал (9) слайдера является ее омагничивание постоянными магнитами (11) слайдера (8) и, как следствие, снижение парафиноотложений и коррозионной активности жидкости, что также обеспечивает надежную работу установки в целом.
Для снижения магнитного сопротивления каждый магнитопроводящий сердечник статора (4) выполнен из пары замоноличенных пакетов пластин электротехнического железа, и при этом направление силовых линий магнитного поля, создаваемого индукционными катушками (7) вдоль указанных шихтованных пластин, обеспечивает максимальное значение магнитной индукции и максимальное значение электромагнитной силы.
При изоляции индукционных катушек (7) введены дополнительные изоляционные прокладки (22) между смежными близлежащими катушками разных фаз, так как учтено, что напряжение между катушками разных фаз является линейным, которое в 1,73 раза выше, чем фазное напряжение между катушками и корпусом статора. При этом обеспечивается более высокая надежность электрической изоляции индукционных катушек (7).
Конструкция погружной бесштанговой насосной установки выполнено из разборно связанных между собой конструктивных единиц: кабель - ниппель (35) головки токоввода (13); головка токоввода - корпус (3) линейного двигателя (2); корпус (3) линейного двигателя (2) - корпус плунжерного насоса (1); корпус плунжерного насоса (1) - фильтр (36); слайдер (8) линейного двигателя (2) - плунжер (10) плунжерного насоса (1); индукционные катушки (7) и сердечники (6) статора (4) разбиты на одинаковые группы (модули) (24), которые последовательно соединены между собой по длине статора.
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.
Основными задачами испытаний являлись:
- оценка работоспособности, конструктивной и эксплуатационной надежности оборудования;
- оценка энергоэффективности технологии по сравнению с обычными способами добычи нефти;
- определение области наиболее рационального применения оборудования.
На основании проведенных испытаний определена следующая область оптимального применения заявляемых погружных бесштанговых насосных установок:
- скважины нефтяного добывающего фонда с проектным дебитом от 4 до 30 куб. м/сут.;
- скважины с глубиной спуска насоса от 1500 м до 2500 м;
- скважины со сложной конструкцией эксплуатационной колонны;
- скважины, реагирующие на сезонную закачку, где периодически требуется корректировка дебита;
- скважины периодического фонда;
- скважины, находящиеся на кустовых площадках с ограниченной электрической мощностью.
- скважины наклонно-направленные и горизонтальные.
Предлагаемая установка не требует сложного и дорогостоящего наземного оборудования, является альтернативным способом эксплуатации для одиночных скважин, а также скважин, которые по технологическим причинам переводятся с электроцентробежного насоса на штанговые винтовые насосы.
В результате проведенных опытно-промысловых и цеховых испытаний предлагаемых погружных бесштанговых насосных установок подтверждено:
- повышение тягового усилия из расчета на единицу длины линейного двигателя по сравнению с аналогами;
- повышение надежности погружных бесштанговых насосных установок двигателя по сравнению с аналогами, вследствие, усиления электрической изоляции катушек статора, оптимизации теплового режима линейного двигателя, уменьшения трения и снижения вибраций при движении слайдера.
- обеспечение ремонтопрогодности.
В результате проведенных опытно- промысловых и цеховых испытаний погружных бесштанговых насосных установок также подтверждены следующие преимущества по сравнению с известными глубинно-насосными штанговыми установками:
- сокращение затрат на обустройство скважин, связанных с возведением фундаментов и устьевых площадок;
- полный отказ от сервисного обслуживания, связанного с монтажом и уравновешиванием станка качалки (СК), сменой ремней, и других работ, связанных с эксплуатацией СК.
- полное исключение отказов, связанных с обрывом и отворотом штанг;
- высокий КПД насоса, за счет периодической эксплуатации, малой длительности закачки и высокой степени заполнения полости насоса, отсутствия потерь хода;
- обеспечение энергосбережения за счет малой продолжительности подачи электропитания во время периодической работы двигателя (питание подается 12 секунд в минуту или менее 5 часов в сутки);
- обеспечение экологической чистоты нефтедобычи, за счет отсутствия набивных сальников, через которые возможен выброс нефти;
- увеличение наработки на отказ за счет исключения штанговой колонны и простоты конструкции насосной установки.