RU138124U1 - Установка электропогружного гидропоршневого насоса - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышлености и может применяться в нефтедобыче. Установка электропогружного гидропоршневого насоса с коэффициентом полезного действия свыше 80%, малой металлоемкостьи и энергоемкостьи, компактная и простая по конструкции, в обслуживании и ремонте и эксплуатации, состоящая из общеизвестного наземного оборудования в составе маслонаполненного трансформатора типа ТМ, подключенного на устье скважины к линиям электропередачи (ЛЭП) и бронированного силового электрического кабеля, подключенного к ТМ и токовводу погружного электродвигателя и проходящего через устьевое оборудование скважины с уплотнением его и подземного оборудования, подвешенного на насосно-компрессорных трубах к устью скважины и состоящего из герметичного агрегата, имеющего в составе герметичный гидропоршневой двигатель (ГПД) с силовым шестеренным или другим насосом с герметичным погружным электродвигателем (ПЭД), заполненным диэлектрическим маслом и имеющим возможность компенсации разницы давлений внутри и снаружи двигателя и уплотняющее устройство для разъединения двух этих полостей, создающим давление гидравлической жидкости, всасываемой из специального погружного бака с пена гасителем, выполненного из трубы и находящегося между силовым насосом и гидр поршневым двигателем (ГПД) и закачки ее через золотниковое устройство в тот или иной рабочий объем двигателя (ГПД) для придания возвратно-поступательного движения плунжерам двигателя (ГПД) и насоса (ГПН) с целью откачки пластовой жидкости из скважины и собственно гидропоршневого насоса (ГПН), жестко соединенным между собой штоком, уплотненным на выходе из корпуса ГПД сальниковым устройством для разъединения внутренней полости ГПД от пластовой жидкости во всасывающей камере ГПН.

Description

Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может применяться в нефтедобыче.

При добыче нефти из скважин широко применяются общеизвестные погружные установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) и штанговые глубинные плунжерные насосы (УШГН), имеющие наземное и подземное оборудование.

Добыча нефти или пластовой жидкости может производиться фонтанным способом - когда потенциальная энергия самого пласта достаточна для подъема ее на поверхность земли, или, в подавляющем большинстве случаев, механизированным способом - когда для повышения потенциальной энергии и подъема жидкости на верх применяются специальные скважинные глубинные насосные установки, состоящие собственно из насоса, спущенного на глубину скважины под динамический уровень жидкости, и электро, - гидропривода, спущенного вместе с насосом как один единый агрегат, так называемые бесштанговые насосные установки: электроцентробежные установки (УЭЦН) [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.113. Москва «Недра». 1990]; погружные винтовые электронасосы (УЭЦН) [1. С.149]; погружные диафрагменные электронасосы (УЭДН) [1. С.162]; установки гидропоршневых насосов (УГН) [1. C.167].

Все типы установок имеют погружное оборудование и комплект наземного оборудования из понижающего напряжение электросилового маслонаполненного трансформатора с силовым кабелем для электропитания погружного двигателя или дополнительного трубопровода для подачи рабочей жидкости в гидропоршневой двигатель в ту или иную его рабочую полость через золотниковое устройство для совершения возвратно-поступательного движения плунжера гидропоршневого двигателя, соединенного через шток с плунжером насоса и создания давления нагнетания для подъема пластовой жидкости на устье скважины. В первых же трех установках при подаче напряжения по кабелю двигатель вращением вала или колебаниями мембраны насоса тоже передает потенциальную энергию жидкости для подъема на землю. Такими установками оборудованы около 35% скважин эксплуатационного фонда.

Остальные 65% скважин оборудованы глубинными штанговыми насосными установками (УШГН) [1. 53]. Установки УШГН состоят из собственно погружного плунжерного насоса объемного действия и наземного привода - станка-качалки или цепного привода производства Бугульминского механического завода ОАО «Татнефть» [2. Паспорт ПЦ-60-18-3.0-0.5/2.5 ПС или Инструкция по эксплуатации ПЦ-60-18-3.0-0,5/2.5 РЭ]. Для электропитания привода применяется наземный понижающий маслонаполненный трансформатор типа ТМ с силовым кабелем. Для сообщения плунжеру погружного насоса возвратно-поступательного движения к головке балансира или к каретке цепного привода подвешивается многотонная колонна штанг - «звено-паразит» кинематики привода. Таким образом, в погружном насосе создается достаточное давление, необходимое для подъема жидкости на устье скважины по колонне насосно-компрессорных труб, подвешенных в свою очередь к устьевой головке скважины.

Основными недостатками всех типов установок для добычи нефти являются большая металлоемкость и энергоемкость, большие потери энергии на трение, большие внутренние потери добываемой жидкости, большие капитальные затраты на изготовление оборудования, а также на изготовление электрокабеля высокого напряжения (УЭЦН, УЭВН, УЭДН) или создания дополнительного канала подачи рабочей жидкости с земли к погружному гидропоршневому двигателю (УГН), наличие колонны штанг (звено-паразит) (УШГН) для передачи возвратно-поступательного движения от станка-качалки или цепного привода к плунжеру погружного насоса. И это «звено-паразит», не совершая никакой полезной работы, отбирает у УШГН огромную электроэнергию, соразмерную (или даже большую) с энергией для подъема жидкости на поверхность земли. При этом только за счет трения штанг о стенки НКТ и жидкости внутри НКТ и эффекта «взбалчивания» ее теряется дополнительно электроэнергия. С учетом сказанного коэффициент полезного действия (КПД) УШГН очень низок и практически равен 0,07…0,1. Хотя по принципу работы и устройства КПД УШГН должен быть самым высоким по сравнению с другими установками, имеющими следующие значения КПД: УЭЦН ~33,5…52 [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.114. Москва «Недра». 1990]; УЭВН ~38,6…49,8 [1. С.152.]; УЭДН ~35…40 [1. С.163.];

Попытка снижения потерь энергии переходом от привода от станка-качалки или цепи на гидропривод, установленный на устье скважины, смонтированный не посредственно на головке устья или на фундаменте-постаменте горизонтально (на фундаменте от СКН), не может дать реального выигрыша материальных ценностей и энергии, так как «звено-паразит» для передачи возвратно-поступательного движения от плунжера гидропривода к плунжеру погружного гидронасоса остается и отбирает ту же энергию как и в случае УШГН, не совершая никакой полезной работы.

Наиболее близким только по принципу работы собственно насоса, а не по конструкции установки в целом, прототипом предлагаемой установки являются установки гидропоршневых насосов (УГН) [1. Е.И.Бухаленко и др. «Нефтепромысловое оборудование». Справочник. С.167. Москва «Недра». 1990]; использующих потенциальную энергию специально подготовленной на поверхности земли пластовой жидкости и закачиваемой по наземным разводящим трубопроводом и каналу между обсадной колонной и колонной НКТ наземным силовым насосом в погружной гидравлический поршневой двигатель через золотниковое устройство, управляющее направлением возвратно-поступательного движения плунжера двигателя, жестко соединенного с помощью штока с плунжером насоса. Плунжер насоса передает энергию на пластовую жидкость в рабочем объеме насоса и создает давление для подъема ее на землю по НКТ. Затем жидкость поступает в трубопроводы промыслового сбора. Однако эти установки (УГН) имеют очень низкий КПД, требуют тщательной очистки части добытой жидкости от газа, воды и механических примесей с использованием громадных по размеру и по массе, доходящих до 47,5 тонн, наземного оборудования из технологического блока и 7,5 тонн блока управления.

Принцип максимального приближения в УГН двигателя к насосу является наиболее прогрессивным и оптимальным вариантом погружного оборудования, а подготовка части пластовой жидкости на поверхности земли и подача ее в скважину к гидропоршневому двигателю с применением наземных громоздкого оборудования и многокилометровых трубопроводов с помощью силового наземного насоса практически превращается в огромный недостаток установки в целом, многократно перекрывающий ее достоинства.

Задачей предлагаемой полезной модели является вместо существующих различных типов насосных установок, с заменой всего парка их, создание установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН), в которой учтены все положительные достоинства существующих установок и исключены недостатки, отрицательно влияющие на технико-экономические показатели эксплуатации в различных условиях при добыче нефти. При разработке полезной модели осуществлен принцип компоновки подземного погружного насосного агрегата с максимальным приближением двигателя и насоса, а также подачу рабочей жидкости с повышенной потенциальной энергией силовым насосом из подземного бака в гидропоршневой двигатель. Это позволяет резко повысить КПД установки до 80% и более, исключить все дорогостоящие механическое или технологическое оборудование с блоком управления, многокилометровые наземные разводящие трубопроводы и колонны НКТ и штанг.

Технический результат достигается путем разработки, совершенно новой установки электропогружного гидропоршневого насоса (УЭГПН). При этом удается решить главный принцип полезной модели - максимально приблизить исполнительный орган установки - насос с его приводом, а также способ подачи повышенной потенциальной энергии рабочего агента (масла или гидравлической жидкости) в главный двигатель установки с помощью силового погружного насоса (шестеренного, винтового или диафрагменного) с погружным электродвигателем, забирающего рабочий агент (масло или гидравлическая жидкость) из бака между силовым насосом и главным двигателем и подающим под давлением в главный двигатель через золотниковое устройство, управляющее направлением движения плунжера двигателя жестко связанного с плунжером насоса, передающим потенциальную энергию пластовой жидкости, всасываемой через всасывающую головку в цилиндр насоса, для подъема ее по НКТ на поверхность земли. При этом все подземное оборудование между собой жестко закреплено и собрано в единый герметичный погружной агрегат, спускаемый на колонне НКТ, подвешенной к устьевой головке скважины.

Такое конструктивное решение поставленной задачи позволяет достичь следующих технических характеристик установки: коэффициент полезного действия становится равным или более 80%, производительность установки практически любая и покрывает всю потребность в установках при добыче нефти производительностью в интервале от менее 1 до 1400 куб. м. в сутки и выше за счет исключения многотонных колонн штанг или наземного технологического или механического оборудования.

Новым является то, что гидропоршневые насос и двигатель с силовым насосом составляют один подземный единый агрегат, спущенный под динамический уровень жидкости в скважине, что позволяет отказаться от громадных и многотонных двух наземных блоков (УГН) массой до 47,5 и 7,5 т, индивидуальных приводов от цепи и станков - качалок (УШГН) массой до 15 т.

Новым является то, что гидропоршневой двигатель выполнен в подземном варианте как единый герметичный агрегат в составе электрического силового насоса и бака для образования запаса диэлектрического масла или гидравлической рабочей жидкости с целью обеспечения межремонтного периода (МРП) скважины на уровне или значительно выше достигнутой в настоящее время величины.

Новым является то, что силовой насос спущен в скважину под динамический уровень и выполнен в погружном варианте в комплекте с электродвигателем.

Новым является то, что в состав герметичного агрегата включен специальный бак для образования запаса масла или жидкости с возможностью компенсации разницы давлений внутри и вне его, имеющий на всасе силового насоса фильтр для очистки от механических примесей и объем, обеспечивающий длительную бесперебойную работу установки и межремонтный период скважины выше достигнутого в настоящее время уровня.

Новым является то, что установка УЭГПН, выполненная как единый агрегат, позволяет исключить «звено-паразит» - многотонную колонну штанг у УШГН и УГН, а также дополнительную колонну НКТ для организации канала для подачи рабочей жидкости к двигателю УГН, что позволяет резко сократить потребляемую электроэнергию и довести КПД установки выше 80 процентов, резко снизить металлоемкость и увеличить МРП скважины из-за отсутствия трения между штангами и НКТ, износа и выхода из строя их.

Новым является то, что шток, соединяющий плунжеры насоса и двигателя уплотняется сальниковым или другим уплотнительным устройством, что позволяет резко увеличить срок службы погружного электродвигателя силового насоса и установки в целом.

Новым является то, что в предлагаемой полезной модели можно для повышения срока службы электродвигателя силового насоса и установки в целом внутреннею полость двигателя ПЭД залить диэлектрическим маслом, уплотнив конец вала его уплотнительным узлом, а в бак - масло или гидравлическую жидкость, обычно применяемая в ГПД общепромышленного назначения.

Новым является то, что в новой установке отсутствует разводящие от наземного технологического блока многокилометровые и многотонные трубопроводы, подающие очищенную фильтрами пластовую жидкость к гидропоршневому двигателю ГПН в скважине.

Конструкция погружного оборудования предлагаемого технического решения представлена на фигуре.

Установка электропогружного гидропоршневого насоса состоит из наземного электрического оборудования и подземного насосного агрегата, состоящего из двигателя - герметичного гидропоршневого двигателя с силовым насосным агрегатом с приводом из маслонаполненного погружного электродвигателя (ПЭД) 1, имеющего возможность для выравнивания давлений внутри и за его корпусом и компенсации утечек масла и силового насоса 2 (шестеренного, винтового или диафрагменного), бака 3, выполненного из трубы, с пеногасителем и возможностью выравнивания давлений внутри и за стенкой его и с запасом масла (гидравлической жидкости), гидропоршневого двигателя 6, снабженного золотниковым устройством 5 и напорным трубопроводом 4 для соединения напорной линии силового насоса 2 с золотниковым устройством 5. Шток 7, проходящий внутри всасывающей головки насоса с фильтром 9, уплотнен на выходе из корпуса двигателя 6 с сальниковым устройством 8 и жестко соединен с плунжером 11, включающим всасывающий клапан, гидропоршневого насоса 10. В головке гидропоршневого насоса 10, размещен нагнетательный клапан 12, с возможностью выхода откачиваемой пластовой жидкости в колонну насосно-компрессорных труб 14 и далее на поверхности земли. Силовой кабель 13, крепится к корпусу агрегата и НКТ с помощью поясков 15 и поднимается от токоввода ПЭД к устью скважены.

Предполагаемая полезная модель работает следующим образом. При подаче электроэнергии под необходимым напряжением по силовому кабелю 13 двигатель 1 начинает вращать шестерни, винт или колебать диафрагму силового насоса 2, который засасывает через фильтр масло (жидкость) из бака 3 и под напором подает по трубопроводу 4 через золотниковое устройство 5 в нижнюю рабочую полость цилиндра ГПД 6. Под давлением масла плунжер двигателя 6 передает движение наверх через шток 7 к плунжеру 11 насоса 10 с одновременным сливом масла (жидкости) из верхней рабочей полости двигателя в бак 3. При этом под действием давления нагнетательный клапан 12 открывается, а всасывающий клапан плунжера ГПН 11 закрывается, и жидкость поступает в НКТ. При достижении плунжером 11 насоса 10 верхней мертвой точки золотниковое устройство 5 переправляет поток масла под давлением в верхнюю рабочую полость цилиндра двигателя 6 с одновременным сливом масла из нижней рабочей полости двигателя 6. Тогда под давлением масла от насоса 2 плунжер двигателя 6 со штоком 7 и плунжером 11 насоса 10 начинает двигаться вниз с одновременным сливом масла (жидкости) из нижней рабочей полости двигателя в бак 3. При этом клапан 12 закрывается, а всасывающий клапан плунжера насоса открывается, и пластовая жидкость из всасывающей головки с фильтром 9 поступает в рабочую полость насоса и так далее. Описанный процесс циклически повторяется. При этом производительность насоса находится в пропорциональной зависимости от диаметра плунжера насоса, длины хода и частоты двойных ходов, величина которой в свою очередь зависит от регулируемой скорости закачки масла в рабочие полости двигателя.

Таким образом, УЭГПН обеспечивает откачку пластовой жидкости со скважин практически с любым дебитом (от минимального до максимального значения). При этом достигается максимальный КПД свыше 80%. Установки позволяют резко сократить капитальные и эксплуатационные затраты, заменяют все существующие типы установок для добычи нефти и сокращают номенклатуру выпускаемых изделий до минимума.

Предлагаемое техническое решение можно применить на нефтепромыслах нашей страны, ближнего и дальнего зарубежья. При этом до разработки документации и начала серийного выпуска установок с оптимальными параметрами можно осуществить ее компоновку следующим образом: в качестве силового насоса применить диафрагменные насосы типа УЭДН или винтовые насосные установки типа УЭВН+бак для масла или жидкости+подземная часть гидропоршневой насосной установки, спущенных на колонне НКТ и подвешенных на устьевой арматуре скважины. Например: УЭДН5-10-10[1.С.163]+бак+ГН59-89-25-25[1.С.174] или УЭВН5-25-1000[1С.156]+бак+ГН59-89-25-25[1.C.174] с применением некоторых видоизмененных, доработанных или адаптированных соединительных деталей и узлов. При этом КПД установки будет не на много ниже вышеописанной, но значительно выше, чем у традиционных установок. Поэтому все же лучше произвести разработку, изготовления и испытания, опытных образцов УЭГПН и начать серийный выпуск и внедрение их.

Claims (1)

1. Установка электропогружного гидропоршневого насоса, состоящая из наземного электрооборудования в составе трансформатора, станции управления и подземного оборудования, состоящего из гидропоршневого двигателя, с золотниковым устройством, гидропоршневого насоса, жестко соединенного штоком с плунжером гидропоршневого двигателя, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена силовым насосом с погружным электродвигателем с возможностью выравнивания давления внутри и за его корпусом, погружным баком с пеногасителем, находящимся между силовым насосом и гидропоршневым двигателем, с возможностью выравнивания давления внутри и за его стенкой, и выполнена как единый подземный герметичный агрегат.

Images