EA041130B1

EA041130B1 - SUBMERSIBLE OIL PRODUCTION UNIT

Info

Publication number: EA041130B1
Application number: EA202100248
Authority: EA
Inventors: Сергей Васильевич Иванов; Александр Николаевич Лищук; Артем Владимирович Молчанов; Али Тельман оглы Нагиев; Андрей Евгеньевич Новиков; Дмитрий Олегович Степанов
Original assignee: Акционерное общество "ГМС Нефтемаш"
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-09-16

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию и может быть использовано для подъема скважинной жидкости.The invention relates to oil production equipment and can be used to lift well fluid.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Известна погружная насосная установка, содержащая насосный агрегат, 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 (патент РФ №2347947, опубл. 27.02.2009 г.).Known submersible pumping unit containing a pumping unit, which includes a housing, an elastic shell, a reversible motor, the drive shaft of which is connected to the transmission screw of the rolling screw-nut, which is in a movable connection with the housing and connected to the plunger pump drive rod. The rod is sealed in the body and is connected to the nut by means of a hollow cylindrical rod, enclosing the screw and entering into a movable connection with it, and the internal cavities of the body and the elastic shell are filled with oil. The outer surface of the shell communicates with the cavity of the well, and dampers in the form of springs are installed on the screw and the hollow rod (RF patent No. 2347947, publ. 27.02.2009).

Используемый в данной конструкции реверсивный двигатель является многополюсным (тихоходным), основными недостатками которого является сложность конструкции и снижение надежности его работы. Переключение направления вращения винта осуществляется станцией управления, имеющей достаточно высокую стоимость. Кроме того, нечеткость срабатывания реверса двигателя из-за переменной вязкости нефтяного флюида снижает коэффициент полезного действия установки, а также снижает надежность ее работы. Повышение точности определения времени переключения двигателя на реверсивное движение требует наличия дополнительной телеметрии, что также приводит к увеличению стоимости установки.The reversible motor used in this design is multi-pole (low-speed), the main disadvantages of which are the complexity of the design and the decrease in the reliability of its operation. Switching the direction of rotation of the screw is carried out by a control station, which has a rather high cost. In addition, the fuzzy operation of the engine reverse due to the variable viscosity of the oil fluid reduces the efficiency of the installation, and also reduces the reliability of its operation. Increasing the accuracy of determining the time of switching the engine to reverse motion requires additional telemetry, which also leads to an increase in the cost of the installation.

Повысить надежность работы установки, а также снизить ее себестоимость позволяет применение гидромеханического привода специальной конструкции.To increase the reliability of the installation, as well as to reduce its cost, the use of a hydromechanical drive of a special design makes it possible.

Известна погружная насосная установка, содержащая плунжерный насос, электродвигатель с гидрозащитой и гидромеханический привод, включающий соединенную с плунжерным насосом механическую передачу типа винт-гайка, гидравлический блок, включающий гидромотор, соединенный через закрепленный на нем гидрораспределитель, регулирующий направление вращения винта механической передачи, с масляным насосом, и эластичную мембрану, являющуюся компенсатором объемного расширения масла, при этом верхняя часть винта имеет скользящую опору, свободно перемещающуюся по внутреннему диаметру полого поршня (патент РФ №184849, опубл. 12.11.2018 г.).A submersible pumping unit is known, comprising a plunger pump, an electric motor with hydraulic protection and a hydromechanical drive, including a mechanical transmission of the screw-nut type connected to the plunger pump, a hydraulic unit, including a hydraulic motor connected through a hydraulic distributor fixed to it, which regulates the direction of rotation of the mechanical transmission screw, with oil pump, and an elastic membrane, which is a compensator for volumetric expansion of the oil, while the upper part of the screw has a sliding support that freely moves along the inner diameter of the hollow piston (RF patent No. 184849, publ. 11/12/2018).

В известной установке полость гидромеханического привода заполнена гидравлическим маслом, при этом полый шток уплотнен в корпусе привода, тем самым ограничивая маслозаполненный объем в пределах корпуса. В процессе работы установки недостаточно эффективный теплообмен масла с пластовой жидкостью, обусловленный достаточно ограниченным маслозаполненным объемом привода, может привести к перегреву масла, что, в свою очередь, снижает надежность работы, как самого привода, так и в целом всей нефтедобывающей установки.In a known installation, the hydromechanical drive cavity is filled with hydraulic oil, while the hollow rod is sealed in the drive housing, thereby limiting the oil-filled volume within the housing. During operation of the unit, insufficiently efficient heat exchange of oil with formation fluid, due to a rather limited oil-filled volume of the drive, can lead to oil overheating, which, in turn, reduces the reliability of both the drive itself and the entire oil production unit as a whole.

Кроме того, эластичная мембрана является компенсатором изменений маслозаполненного объема, вызванных возвратно-поступательным движением полого штока. Во время выдвижения штока мембрана сжимается, при возвращении штока - растягивается. Чем больше переменный объем (количественно переменный объем равен внутреннему объему полого штока), воспринимаемый мембраной, тем интенсивнее ее износ. Износ, в свою очередь, приводит к разгерметизации масляного контура и выходу из рабочего состояния всей установки.In addition, the elastic membrane is a compensator for changes in the oil-filled volume caused by the reciprocating movement of the hollow rod. During the extension of the stem, the membrane is compressed, when the stem returns, it is stretched. The greater the variable volume (quantitatively, the variable volume is equal to the internal volume of the hollow rod) perceived by the membrane, the more intense its wear. Wear, in turn, leads to depressurization of the oil circuit and the failure of the entire installation.

Еще одним недостатком известного устройства является отсутствие демпфирующих устройств, позволяющих полому штоку замедляться в крайних положениях его рабочего хода. Отсутствие демпфирующих устройств приводит к увеличенной циклической нагрузке на динамические узлы механической части гидромеханического привода, что, в свою очередь, приводит к снижению его ресурсных показателей и выходу привода из строя.Another disadvantage of the known device is the absence of damping devices that allow the hollow rod to slow down in the extreme positions of its stroke. The absence of damping devices leads to an increased cyclic load on the dynamic components of the mechanical part of the hydromechanical drive, which, in turn, leads to a decrease in its resource indicators and drive failure.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности работы погружной нефтедобывающей установки, за счет увеличения маслозаполненного объема гидромеханического привода, снижения пульсаций эластичной мембраны, а также снижения циклической нагрузки на динамические узлы ролико-винтовой передачи.The task to be solved by the claimed invention is to increase the reliability of the operation of a submersible oil-producing installation by increasing the oil-filled volume of the hydromechanical drive, reducing the elastic membrane pulsations, and also reducing the cyclic load on the dynamic components of the roller screw transmission.

Технический результат достигается тем, что в погружной насосной установке, содержащей погружной электродвигатель с гидрозащитой, плунжерный насос и привод, включающий маслозаполненный корпус с размещенными в нем ролико-винтовой передачей типа винт-гайка, полым штоком, охватывающим винт ролико-винтовой передачи и соединенным со штоком плунжерного насоса, гидравлическим блоком, включающим гидромотор, связанный с винтом ролико-винтовой передачи и соединенный через гидрораспеределитель с масляным насосом, на выходном валу которого устновлен компенсатор объемного расширения масла, выполненный в виде эластичной мембраны, корпус плунжерного насоса выполнен с возможностью размещения в нем полого штока привода на длину его рабочего хода, причем полый шток привода выполнен с перфорацией, а шток плунжерного насоса уплотнен в корпусе плунжерного насоса, при этом привод снабжен гидромеханическими демпферами, один из которых жестко скреплен с нижней торцевой поверхностью гайки ролико-винтовой передачи, а другой демпфер установ- 1 041130 лен между маслозаполненным корпусом и полым штоком привода с возможностью контактирования с гайкой ролико-винтовой передачи в крайнем верхнем ее положении.The technical result is achieved by the fact that in a submersible pumping unit containing a submersible electric motor with hydraulic protection, a plunger pump and a drive, including an oil-filled housing with a screw-nut-type roller-screw transmission placed in it, a hollow rod enclosing the roller-screw screw and connected to a plunger pump rod, a hydraulic unit including a hydraulic motor connected to a roller screw and connected through a hydraulic distributor to an oil pump, on the output shaft of which an oil volume expansion compensator is installed, made in the form of an elastic membrane, the plunger pump housing is made with the possibility of placement in it of the hollow drive rod by the length of its stroke, and the hollow drive rod is perforated, and the plunger pump rod is sealed in the plunger pump housing, while the drive is equipped with hydromechanical dampers, one of which is rigidly fastened to the lower end surface of the roller screw drive nut 1 041130 damper is installed between the oil-filled housing and the hollow rod of the drive with the possibility of contact with the roller screw nut in its uppermost position.

Кроме того, перфорация на полом штоке выполнена со стороны зоны соединения полого штока со штоком плунжерного насоса, а шток плунжерного насоса уплотнен в корпусе плунжерного насоса посредством уплотнительной втулки.In addition, the perforation on the hollow rod is made from the side of the connection zone of the hollow rod with the plunger pump rod, and the plunger pump rod is sealed in the plunger pump housing by means of a sealing sleeve.

Выполнение корпуса плунжерного насоса с возможностью размещения в нем полого штока гидромеханического привода на всю длину его рабочего хода, уплотнение штока плунжерного насоса в корпусе плунжерного насоса и выполнение полого штока с перфорацией, обеспечивает увеличение маслозаполненного объема, который в данном случае ограничивается местом уплотнения штока плунжерного насоса в корпусе плунжерного насоса. Заполнение маслом данного объема производится через перфорацию полого штока. При этом уплотнение штока плунжерного насоса, в сравнении с уплотнением полого штока привода, позволяет снизить утечки, возникающие при ресурсном износе, поскольку диаметр штока плунжерного насоса меньше диаметра полого штока.The execution of the plunger pump housing with the possibility of placing a hollow rod of a hydromechanical drive in it for the entire length of its working stroke, sealing the plunger pump rod in the plunger pump housing and making a hollow rod with perforation, provides an increase in the oil-filled volume, which in this case is limited by the place of sealing of the plunger pump rod in the plunger pump housing. This volume is filled with oil through the perforation of the hollow stem. At the same time, the seal of the plunger pump rod, in comparison with the seal of the hollow rod of the drive, makes it possible to reduce leakages that occur during resource wear, since the diameter of the plunger pump rod is smaller than the diameter of the hollow rod.

Увеличение маслозаполненного объема снижает температуру рабочего масла, что повышает ресурсные показатели гидромеханического привода, а также снижает пульсации эластичной мембраны, что снижает ее износ.An increase in the oil-filled volume reduces the temperature of the working oil, which increases the service life of the hydromechanical drive, and also reduces the pulsations of the elastic membrane, which reduces its wear.

Наличие гидромеханических демпферов позволяет сгладить ударные нагрузки в крайних положениях ролико-винтовой передачи, предотвращая тем самым разрушение ее резьбовой части.The presence of hydromechanical dampers makes it possible to smooth out shock loads in the extreme positions of the roller screw drive, thereby preventing the destruction of its threaded part.

Перечень чертежейList of drawings

На фиг. 1 представлена схема погружной установки с плунжерным насосом;In FIG. 1 shows a diagram of a submersible installation with a plunger pump;

на фиг. 2 - укрупненно место I фиг. 1;in fig. 2 - enlarged place I of Fig. 1;

на фиг. 3 - место II фиг. 1;in fig. 3 - place II of Fig. 1;

на фиг. 4 - место III фиг. 1;in fig. 4 - place III of Fig. 1;

на фиг. 5 - место IV фиг. 1.in fig. 5 - place IV of fig. 1.

Погружная нефтедобывающая установка содержит погружной электродвигатель 1 с гидрозащитой 2, гидромеханический привод 3 и плунжерный насос 4. Гидромеханический привод 3 содержит маслозаполненный корпус 5, размещенную в нем ролико-винтовую передачу 6, выполненную типа винт-гайка с увеличенной номинальной динамической грузоподъемностью, полый шток 7, охватывающий винт 8 ролико-винтовой передачи 6 и входящий с ним в подвижное соединение и связанный с гайкой 9 роликовинтовой передачи 6, гидравлический блок 10, включающий гидромотор 11 объемного типа, преимущественно аксиально-поршневой мотор, соединенный через гидрораспределитель 12 и предохранительный клапан 13 с масляным насосом 14 объемного типа, преимущественно аксиально-поршневым, соединенным с валом 15 погружного электродвигателя 1, а также установленную на входном валу масляного насоса 14 эластичную мембрану 16, выполняющей функцию компенсатора объемного расширения масла. Полый шток 7 привода 3 соединен со штоком 17 плунжерного насоса 4 и выполнен с перфорационными отверстиями 18. Перфорационные отверстия сделаны в штоке 7 со стороны его соединения со штоком 17 плунжерного насоса (фиг. 3). Предпочтительно перфорация делается вблизи или на торцевой поверхности штока 7.The submersible oil production unit contains a submersible electric motor 1 with hydraulic protection 2, a hydromechanical drive 3 and a plunger pump 4. The hydromechanical drive 3 contains an oil-filled housing 5, a roller-screw transmission 6 placed in it, made of the screw-nut type with an increased nominal dynamic load capacity, a hollow rod 7 , enclosing the screw 8 of the roller screw transmission 6 and included with it in a movable connection and connected with the nut 9 of the roller screw transmission 6, the hydraulic unit 10, which includes a hydraulic motor 11 of a displacement type, mainly an axial piston motor, connected through a hydraulic distributor 12 and a safety valve 13 with an oil pump 14 of a positive displacement type, mainly axial piston, connected to the shaft 15 of the submersible motor 1, as well as an elastic membrane 16 installed on the input shaft of the oil pump 14, which acts as a compensator for the volumetric expansion of the oil. The hollow rod 7 of the drive 3 is connected to the rod 17 of the plunger pump 4 and is made with perforations 18. The perforations are made in the rod 7 from the side of its connection with the rod 17 of the plunger pump (Fig. 3). Preferably, the perforation is made near or on the end surface of the stem 7.

Корпус 19 плунжерного насоса выполнен длиной, достаточной, для размещения в нем полого штока 7 на всю длину его рабочего хода. Шток 17 плунжерного насоса уплотнен в корпусе плунжерного насоса 4 посредством уплотнительной втулки 20 (фиг. 2).The body 19 of the plunger pump is made long enough to accommodate the hollow rod 7 in it for the entire length of its stroke. The plunger pump rod 17 is sealed in the plunger pump housing 4 by means of a sealing sleeve 20 (Fig. 2).

Между корпусом 5 и полым штоком 7 установлен гидромеханический демпфер 21, включающий корпус 22 с дроссельными отверстиями 23 для демпфирования, пружину 24 обратного хода, поршень 25 и уплотнения 26 поверхностей демпфера (фиг. 4).Between the housing 5 and the hollow rod 7, a hydromechanical damper 21 is installed, including a housing 22 with throttle holes 23 for damping, a return spring 24, a piston 25 and seals 26 of the damper surfaces (Fig. 4).

Еще один гидромеханический демпфер 27 аналогичной конструкции жестко скреплен с нижней торцевой поверхностью гайки 9 винтовой передачи и включает в себя корпус 28 с дроссельными отверстиями 29, пружину 30 обратного хода демпфера, поршень 31 и уплотнения 32 поверхностей демпфера (фиг. 5).Another hydromechanical damper 27 of a similar design is rigidly fastened to the lower end surface of the nut 9 of the screw transmission and includes a body 28 with throttle holes 29, a damper return spring 30, a piston 31 and seals 32 of the damper surfaces (Fig. 5).

Работа редуктора осуществляется следующим образом.The operation of the gearbox is as follows.

Перед спуском установки в скважину, полости электродвигателя 1 и гидрозащиты 2, а также корпус 5 гидромеханического привода заполняются маслом, соответствующим рабочему и температурному режиму работы оборудования.Before the installation is lowered into the well, the cavities of the electric motor 1 and hydraulic protection 2, as well as the housing 5 of the hydromechanical drive, are filled with oil corresponding to the operating and temperature conditions of the equipment.

При спуске установки в скважину, пластовая жидкость заполняет пространство между эластомерной мембраной 16 и корпусом 5. Под действием гидростатического давления клапаны плунжерного насоса 4 на линии всасывания и нагнетания открываются и жидкость через приемный фильтр заполняет весь объем рабочей камеры насоса 4 до уровня пластовой жидкости в скважине.When the unit is lowered into the well, the formation fluid fills the space between the elastomeric membrane 16 and the housing 5. Under the action of hydrostatic pressure, the valves of the plunger pump 4 on the suction and discharge lines open and the liquid through the inlet filter fills the entire volume of the working chamber of the pump 4 to the level of the formation fluid in the well .

Вращение от вала погружного электродвигателя 1 передается на вал насоса 14, который через гидравлический блок 10 попеременно подает масло под высоким давлением в один из каналов гидромотора 11, преобразующего энергию потока гидравлического масла в механическую энергию вращения, тем самым обеспечивая периодическое разнонаправленное вращение гидромотора 11. После гидромотора 11 гидравлическое масло попадает во внутреннюю полость низкого давления гидравлического блока 10.The rotation from the shaft of the submersible motor 1 is transmitted to the shaft of the pump 14, which through the hydraulic unit 10 alternately supplies high-pressure oil to one of the channels of the hydraulic motor 11, which converts the energy of the hydraulic oil flow into mechanical rotational energy, thereby providing periodic multidirectional rotation of the hydraulic motor 11. After hydraulic motor 11, hydraulic oil enters the internal low-pressure cavity of the hydraulic unit 10.

Винт 8 винтовой передачи 6, вращаясь, приводит в движение гайку 9 этой передачи. В связи с разThe screw 8 of the screw gear 6, rotating, drives the nut 9 of this gear. In connection with the times

--

Claims

the unidirectional nature of the rotation of the screw 8, the nut 9 performs periodic reciprocating movements and, since it is rigidly connected to the hollow rod 7, which in turn is attached to the rod 17 of the plunger pump 4, the rod 7 moves the pump plunger 4 connected to the rod 17. When the rod 17 moves downwards, the cavity of the pump 4 is filled with downhole fluid, and when moving upwards, on the contrary, the liquid is displaced from the cavity of the pump 4 into the tubing.

When the hollow piston 7 moves into the volume of the housing 19 of the plunger pump 4, limited by the seal of the rod 17, oil enters through the perforations 18, completely filling the entire provided volume.

When the hollow piston 7 is moved to the extreme positions, the oil volume is compensated by changing the diameter of the elastomeric shell 16. In this case, shock loads in the extreme positions of the hollow piston 7 are smoothed out by hydromechanical dampers 21 and 27. contact of the damper 27 with the base of the mechanical part of the drive, formed by the end of the nipple for the hydraulic motor 11. The oil from the internal cavities of the damper 27 through the holes 29 throttles into the total oil-filled volume. The necessary “braking” force arises, causing the hydraulic distributor 12 to switch. After the switch occurs, and the nut 9 changes the direction of movement, the damper 27, due to the return of the spring 30, replenishes the internal oil-filled volume through the throttle holes 29 and acquires its original dimensions.

When the hollow rod 7 is moved to the extreme upper position, the nut 9 through the mating part reaches the end of the piston 25 of the damper 21, the internal oil-filled volume of which is throttled through the holes 23, a smoother process of the appearance of a “braking” force is organized. When the nut 9 moves down, the spring 24 allows you to restore the internal oil-filled volume of the damper 21.

CLAIM

1. A submersible oil production unit, containing a submersible electric motor with hydraulic protection, a plunger pump and a hydromechanical drive, including an oil-filled housing with a screw-nut-type roller-screw transmission placed in it, a hollow rod enclosing the roller-screw screw and connected to the plunger pump rod, hydraulic unit, including a hydraulic motor connected to a roller-screw drive screw and connected through a hydraulic distributor to an oil pump, on the input shaft of which an oil volume expansion compensator is installed, made in the form of an elastic membrane, characterized in that the plunger pump housing is made with the possibility of being placed in it hollow rod of the drive for the entire length of its stroke, and the hollow rod is made with perforation, and the plunger pump rod is sealed in the plunger pump housing, while the drive is equipped with hydromechanical dampers, one of which is rigidly fastened to the lower end surface of the roller screw drive nut transmission, and the other is installed between the oil-filled housing and the hollow rod of the drive with the possibility of contact with the roller screw nut in its uppermost position.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the perforation on the hollow rod is made from the side of the connection zone of the hollow rod with the plunger pump rod.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the plunger pump rod is sealed in the plunger pump housing by means of a sealing sleeve.

-