RU2262006C2

RU2262006C2 - Device to prevent choking of mechanisms of electric centrifugal pumps in wells

Info

Publication number: RU2262006C2
Application number: RU2003127951/06A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Амельченко (RU); Л.В. Амельченко
Original assignee: Амельченко Леонид Владимирович
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-10-10
Also published as: RU2003127951A

Abstract

FIELD: oil producing industry.

SUBSTANCE: device to prevent choking and wedging of mechanisms of electric centrifugal pumps in walls is installed higher than pump and it is provided with settler for mechanical impurities and labyrinth for separating particles of impurities installed in upper of device. To regulate direction of flow, cylinder with movable rod is installed inside the device. Upper valve installed on rod opens hole in upper part of cylinder when pump is stopped to drain liquid through labyrinth, and lower valve holds rod in upper position and it opens passage when pump is operating. Holes are made in lower part of settler. Cylinder is installed inside device for movement, being loaded downwards by return spring and equipped with conical ring seal to overlap hole in lower part of settler when pump is cut off. Lower valve is made float-type to lift movable cylinder through upper valve and is provided with compression spring. Circular magnet is installed on device housing at inlet to labyrinth.

EFFECT: prevention of choking and wedging of actuating mechanism of pump when pump is cut out.

4 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для предотвращения засорения мехпримесями, заклинивания механизмов (ротора) установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) в скважинах после проведения гидроразрыва пласта и пескующих скважин при остановках УЭЦН. Также осуществляется защита УЭЦН от окалины и солеотложений, выпадающих в осадок с внутренней поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ) при их монтаже.The invention relates to the mining industry and is intended to prevent clogging with mechanical impurities, jamming mechanisms (rotors) of electric centrifugal pump (ESP) plants in wells after hydraulic fracturing and sanding wells at ESP stops. The ESP is also protected from scale and scaling that precipitate from the inner surface of tubing during installation.

Известен наиболее близкий аналог представленного изобретения (RU 95107374 А1, (Богданов А.А., 20.04.1997), из которого известно устройство для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, установленное выше насоса, имеющее отстойник для шламонакопления мехпримесей, очищаемый при включении и наполняемый мехпримесями при отключении насоса, и имеющее лабиринт для отделения частиц мехпримесей из жидкости, установленный в верхней части устройства, при этом для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком, на котором установлены верхний клапан, открывающий при остановке насоса отверстие в верхней части цилиндра для свободного стока жидкости через лабиринт, и нижний клапан, удерживающий в верхнем положении шток при работающем насосе и открывающий проход при работе насоса.The closest analogue of the presented invention is known (RU 95107374 A1, (Bogdanov A.A., 04/20/1997), from which there is a device for preventing clogging and jamming of the mechanisms of electric centrifugal pumps in wells, installed above the pump, having a clarifier for sludge accumulation of solids, cleaned when switching on and filled with mechanical impurities when the pump is turned off, and having a labyrinth for separating particles of mechanical impurities from the liquid, installed in the upper part of the device, while controlling the flow direction inside the device roystva mounted cylinder with a movable rod, on which the upper valve opens when the pump stops opening in the upper portion of the cylinder for free fluid flow through the labyrinth, and the bottom flap retaining rod in its upper position when the pump is running and opens the passage at the pump.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

1) отсутствие самоочистки отстойника от шламонакоплений;1) lack of self-cleaning of the sump from sludge accumulation;

2) отделение мехпримесей из стекающей жидкости осуществляется фильтром, представленным проточками и отверстиями в корпусе фильтра, эффективность применения которых в качестве фильтра невелика (если мехпримеси будут отфильтровываться, то произойдет засорение каналов, а устройства для принудительной продувки их в обратном направлении нет, если же отделение мехпримесей не будет происходить, то мехпримеси совместно с жидкостью попадут внутрь шламовой трубы и засорят УЭЦН);2) separation of mechanical impurities from the flowing liquid is carried out by a filter, represented by grooves and holes in the filter housing, the efficiency of which is used as a filter is small (if the mechanical impurities are filtered out, the channels will become clogged, and there is no device for forced blowing them in the opposite direction, if separation if no mechanical impurities occur, then the mechanical impurities together with the liquid will enter the slurry pipe and clog the ESP);

3) наличием предохранительно-регулирующего устройства поршневого типа решается задача по недопущению засорения УЭЦН посредством слива столба жидкости с мехпримесями из НКТ мимо насоса, слив производится в скважину (затруб) при его отключении, при этом при включении насосного агрегата он будет вынужден повторно прокачать через себя сброшенные в затруб мехпримеси, тем самым увеличивая засорение и износ насоса.3) the presence of a piston-type safety and control device solves the problem of preventing ESP clogging by draining a column of fluid with mechanical impurities from the tubing past the pump, draining into the well (s) when it is turned off, and when the pump unit is turned on, it will be forced to re-pump through itself mechanical impurities discharged into the annulus, thereby increasing clogging and wear of the pump.

Задачей изобретения является повышение эффективности эксплуатационных возможностей устройства и повышение надежности работы УЭЦН путем предотвращения засорения мехпримесями, заклинивания механизмов УЭЦН в скважинах при остановках.The objective of the invention is to increase the efficiency of the operational capabilities of the device and increase the reliability of the ESP by preventing clogging with mechanical impurities, jamming the ESP mechanisms in the wells during shutdowns.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, установленном выше насоса, имеющем отстойник для шламонакопления мехпримесей, очищаемый при включении и наполняемый мехпримесями при отключении насоса, и имеющем лабиринт для отделения частиц мехпримесей из жидкости, установленный в верхней части устройства, при этом для регулирования направления потока внутри устройства установлен цилиндр с подвижным штоком, на котором установлены верхний клапан, открывающий при остановке насоса отверстие в верхней части цилиндра для свободного стока жидкости через лабиринт, и нижний клапан, удерживающий в верхнем положении шток при работающем насосе и открывающий проход при работе насоса, согласно изобретению в нижней части отстойника выполнены отверстия, цилиндр внутри устройства установлен подвижно, нагружен вниз возвратной пружиной и снабжен конусным кольцевым уплотнением для перекрытия отверстия в нижней части отстойника при отключенном насосе, нижний клапан выполнен поплавковым для подъема через верхний клапан подвижного цилиндра и снабжен пружиной сжатия для открытия большего прохода для жидкости при эксплуатации устройства с высокодебитным насосом, а на корпусе устройства при входе в лабиринт установлен кольцевой магнит.The technical result is achieved by the fact that in the device for preventing clogging and jamming of the mechanisms of electric centrifugal pumps in wells, installed above the pump, having a clarifier for sludge accumulation of mechanical impurities, cleaned when switched on and filled with mechanical impurities when the pump is turned off, and having a labyrinth for separating particles of mechanical impurities from the liquid, installed in the upper part of the device, while to control the flow direction inside the device, a cylinder with a movable rod, on which is installed the upper valve, which opens when the pump stops the hole in the upper part of the cylinder for free flow of liquid through the labyrinth, and the lower valve, which holds the rod in the upper position when the pump is running and opens the passage when the pump is working, according to the invention, holes are made in the lower part of the sump, cylinder inside the device mounted movably, loaded down by a return spring and equipped with a conical ring seal to close the holes in the lower part of the sump with the pump turned off, the lower valve is made float for lifting through the upper valve of the movable cylinder and is equipped with a compression spring to open a larger passage for liquid when operating the device with a high-rate pump, and an annular magnet is installed on the device’s body when entering the maze.

Принцип действия автоматического самоочищающегося устройства построен на непосредственной взаимосвязи свойств работы УЭЦН (наличии восходящего потока жидкости при работе насоса для самоочистки отстойника и отсутствии восходящего потока во время необходимости очистки жидкости от мехпримесей при отключенном УЭЦН) и специальной конструкции блока подвижных элементов для регулирования направления движения жидкости, а также специально разработанной конструкции элементов для отделения мехпримесей.The principle of operation of an automatic self-cleaning device is based on the direct relationship between the properties of the ESP (the presence of an upward fluid flow during operation of the pump for self-cleaning of the sump and the absence of an upward flow when it is necessary to clean the fluid from mechanical impurities when the ESP is off) and the special design of the block of movable elements to control the direction of fluid movement as well as a specially designed design of elements for separating mechanical impurities.

Засорение и заклинивание ЭЦН происходит содержащимися в жидкости мехпримесями (песок, абразив, уголь, окалина, ил и т.п.). Устройство обеспечивает повышение надежности работы УЭЦН. Для чего оно может устанавливаться между обратным и сливным клапанами или без них внутрь НКТ (на поясняющих изобретение чертежах клапаны не представлены), где при отключении УЭЦН осуществляет отделение крупных и мелких частиц мехпримесей в отстойник. Последующая очистка отстойника осуществляется восходящим потоком жидкости при запуске и работе УЭЦН. Изменение направления потока жидкости при работающем и отключенном УЭЦН осуществляется устройством, в состав которого входят: подвижный цилиндр с установленным на нем конусным кольцевым резиновым клапаном и подвижный шток с установленными на нем верхним и нижним (поплавковым) клапанами. Отделение крупных частиц мехпримесей из стекающей по НКТ в УЭЦН (при негерметичном обратном клапане или его отсутствии) жидкости осуществляется на первом этапе в лабиринте. Данный метод построен на силах гравитации и кинетической энергии крупных частиц мехпримесей. Затем более мелкие частицы отделяются магнитным полем установленного кольцевого магнита. Отделенные частицы мехпримесей осаждаются в отстойник, откуда удаляются потоком жидкости при запуске в работу электроцентробежного насоса. Таким образом, имеющиеся в жидкости мехпримеси отделяются из стекающей жидкости и не допускаются в механизмы электроцентробежного насоса.Clogging and jamming of the ESP occurs with mechanical impurities contained in the liquid (sand, abrasive, coal, scale, sludge, etc.). The device provides increased reliability of the ESP. Why it can be installed between the check and drain valves or without them inside the tubing (valves are not shown in the drawings explaining the invention), where when disconnecting the ESP, it separates large and small particles of mechanical impurities into the sump. Subsequent cleaning of the sump is carried out by an upward flow of liquid at the start-up and operation of the ESP. Changing the direction of the fluid flow when the ESP is running and turned off is carried out by a device, which includes: a movable cylinder with a conical ring rubber valve mounted on it and a movable rod with upper and lower (float) valves installed on it. The separation of large particles of solids from the flowing through the tubing in the ESP (in case of an unpressurized check valve or its absence) is carried out at the first stage in the maze. This method is based on the forces of gravity and kinetic energy of large particles of solids. Smaller particles are then separated by the magnetic field of the mounted ring magnet. Separated particles of solids are deposited in a sump, from where they are removed by a fluid stream when the electric centrifugal pump is launched. Thus, the mechanical impurities present in the liquid are separated from the flowing liquid and are not allowed into the mechanisms of the electric centrifugal pump.

На фиг.1 представлена конструкция устройства для предотвращения засорения и заклинивания механизмов электроцентробежных насосов в скважинах, продольный разрез.Figure 1 shows the design of the device to prevent clogging and jamming of the mechanisms of electric centrifugal pumps in wells, a longitudinal section.

На фиг.2 - подвижные узлы устройства в статическом состоянии (при отключенном УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.Figure 2 - mobile nodes of the device in a static state (with the ESP turned off), a longitudinal section on an enlarged scale.

На фиг.3 - подвижные узлы устройства в динамическом состоянии (при работающем УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.Figure 3 - the moving nodes of the device in a dynamic state (with the ESP running), a longitudinal section on an enlarged scale.

На фиг.4 - конструкция лабиринта и кольцевого магнита (при отключенном УЭЦН), продольный разрез в увеличенном масштабе.Figure 4 - design of the labyrinth and the ring magnet (with the ESP turned off), a longitudinal section on an enlarged scale.

Устройство состоит из корпуса (верхняя часть 9, средняя часть 8, нижняя часть 7), лабиринта 10 с тремя центрирующими буртиками 19, кольцевого магнита 23. Нижняя часть корпуса 7 и тело НКТ 26 образуют отстойник 25 для шламонакопления мехпримесей. Устройство снабжено двухклапанным перепускным устройством, состоящим из подвижного цилиндра 1, нагруженного вниз пружиной 11, с уменьшающимся в верхней части отверстием 17, служащим седлом для верхнего клапана 6 подвижного штока 2. В верхней части подвижного цилиндра 1 установлено резиновое уплотнение 15, необходимое для предотвращения засорения и заклинивания подвижного цилиндра 1, для чего на внутренней поверхности корпуса имеются бурты 16 и 20. В нижней части подвижного цилиндра 1 установлено конусное резиновое уплотнение 3 для перекрытия отверстий 14 в нижней части корпуса 7 и бурт 21 на внутренней поверхности корпуса для предотвращения засорения и заклинивания подвижного цилиндра 1. На штоке 2 имеется буртик 18, необходимый для удержания штока 2 от выпадения из центратора 13, имеющего пропускные отверстия 24 для течения жидкости. В нижней части штока 2 посредством шайб 27 и шпонок 12 установлен нижний клапан 5, нагруженный вниз пружиной 4. В исходном состоянии (при отключенном УЭЦН) подвижный цилиндр 1 и шток 2 с установленными на нем двумя клапанами 5, 6 находятся в нижнем положении. При этом резиновым конусным уплотнением 3 перекрыты отверстия 14 из нижней части отстойника 25 во внутреннюю полость устройства, чем предотвращается попадание мехпримесей во внутреннюю полость шламоуловителя и в УЭЦН. Сборка основных частей 7, 8, 9 корпуса и лабиринта 10 осуществляется посредством резьбовых соединений 22 (трубная резьба).The device consists of a casing (upper part 9, middle part 8, lower part 7), a labyrinth 10 with three centering shoulders 19, an annular magnet 23. The lower part of the casing 7 and the tubing body 26 form a settling tank 25 for sludge accumulation of mechanical impurities. The device is equipped with a two-valve bypass device, consisting of a movable cylinder 1, loaded downward by a spring 11, with a hole 17 decreasing in the upper part, which serves as a seat for the upper valve 6 of the movable rod 2. A rubber seal 15 is installed in the upper part of the mobile cylinder 1, which is necessary to prevent clogging and jamming of the movable cylinder 1, for which there are collars 16 and 20 on the inner surface of the housing. A conical rubber seal 3 is installed at the bottom of the movable cylinder 1 to overlap holes 14 in the lower part of the housing 7 and the shoulder 21 on the inner surface of the housing to prevent clogging and jamming of the movable cylinder 1. On the rod 2 there is a shoulder 18, necessary to keep the rod 2 from falling out of the centralizer 13, which has through holes 24 for fluid flow. In the lower part of the rod 2, by means of washers 27 and keys 12, a lower valve 5 is installed, loaded down by the spring 4. In the initial state (with the ESP turned off), the movable cylinder 1 and the rod 2 with two valves 5, 6 installed on it are in the lower position. In this case, the holes 14 from the bottom of the sump 25 into the internal cavity of the device are blocked by a rubber conical seal 3, which prevents the ingress of solids into the internal cavity of the sludge trap and into the ESP. The assembly of the main parts 7, 8, 9 of the body and the labyrinth 10 is carried out by means of threaded connections 22 (pipe thread).

При включении УЭЦН восходящим потоком жидкости подачи УЭЦН нижний поплавковый клапан 5, установленный на штоке 2, давлением восходящего потока поднимается вверх, поднимая при этом сам шток 2. Дойдя до верхнего положения, шток 2 своим давлением на верхний резиновый клапан 6 перекрывает верхнее отверстие 17 в подвижном цилиндре 1. В результате чего энергией восходящего потока подвижный цилиндр 1 поднимается вверх до упора своими резиновыми уплотнениями 15 на внешней полости в буртики 16 корпуса устройства и конусными уплотнениями 3 на буртик 21 для предотвращения засорения и заклинивания полости между подвижным цилиндром 1 и корпусом 8. При этом открываются отверстия 14 из внутренней полости устройства в нижнюю часть отстойника 25 для шламонакопления мехпримесей и начинается интенсивная промывка накопленных в отстойнике 25 мехпримесей восходящим потоком жидкости. По окончании промывки отстойника 25 поток жидкости идет непосредственно через отстойник 25 (направление потока показано стрелкой на фиг.1, 3). Подвижный цилиндр 1 и шток 2 с клапанами 5, 6 удерживаются при работе УЭЦН в верхнем положении давлением восходящего потока жидкости на нижний поплавковый клапан 5.When the ESP is turned on by the upward flow of the ESP feed, the lower float valve 5, mounted on the stem 2, rises upward by the pressure of the upward flow, thereby raising the stem 2. When it reaches the upper position, the stem 2 closes the upper hole 17 with its pressure on the upper rubber valve 6 the movable cylinder 1. As a result of the energy of the upward flow, the movable cylinder 1 rises up to the stop with its rubber seals 15 on the outer cavity in the flange 16 of the device body and the taper seals 3 on the flange 21 for I prevent clogging and jamming of the cavity between the movable cylinder 1 and the housing 8. This opens the holes 14 from the internal cavity of the device into the lower part of the settling tank 25 for sludge accumulation of mechanical impurities and begins intensive washing of the accumulated mechanical impurities in the settling tank 25 with an upward flow of liquid. At the end of washing the sump 25, the fluid flows directly through the sump 25 (the direction of flow is shown by the arrow in figures 1, 3). The movable cylinder 1 and the stem 2 with valves 5, 6 are held during operation of the ESP in the upper position by the pressure of an upward flow of liquid on the lower float valve 5.

При этом, если устройство используется в комплекте с высокодебитным УЭЦН (большой объем перекачиваемой жидкости), то давление потока жидкости на нижний поплавковый клапан 5 сжимает установленную выше него пружину 4 и открывает проходное отверстие на большее проходное сечение, чем достигается уменьшение потерь напора УЭЦН на трение в данном узле. Фиксирование поплавкового клапана 5 осуществляется шайбами 27 и шпонками 12.At the same time, if the device is used in conjunction with a high flow rate ESP (large volume of pumped liquid), then the pressure of the fluid flow onto the lower float valve 5 compresses the spring 4 installed above it and opens the passage opening to a larger flow area, thereby reducing the pressure loss of the ESP pump due to friction in this node. The fixation of the float valve 5 is carried out by washers 27 and keys 12.

При отключении УЭЦН прекращается восходящий поток жидкости и шток 2 вместе с подвижным цилиндром 1 принудительным давлением возвратной пружины 11 возвращается в нижнее положение (силы земного притяжения недостаточно, т.к. установка оборудования УЭЦН, как правило, производится с отклонением от вертикали на 5-45°). При этом конусным резиновым уплотнением 3 перекрываются отверстия 14, сообщающие нижнюю часть отстойника с внутренней полостью устройства, и перемещением штока 2 с двумя клапанами 5, 6 вниз открывается верхнее отверстие 17 в подвижном цилиндре 1 для стока жидкости через отверстия 24 в центраторе 13, обтекая нижний поплавковый клапан 5 в УЭЦН. При этом, чем больше скорость потока жидкости вниз, тем большее давление оно оказывает на нижний поплавковый клапан 5. Данное усилие от клапана 5 передается через шток 2, буртик 18 и центратор 13 к подвижному цилиндру 1, чем достигается большее усилие для герметизации конусного резинового уплотнения 3 и резинового кольца 15 на буртике 20.When turning off the ESP, the upward flow of liquid stops and the rod 2 together with the movable cylinder 1 by the forced pressure of the return spring 11 returns to the lower position (the earth's gravity is not enough, because the installation of the ESP equipment is usually performed with a deviation from the vertical of 5-45 °). In this case, the conical rubber seal 3 overlaps the openings 14 communicating the lower part of the sump with the internal cavity of the device, and moving the rod 2 with two valves 5, 6 down opens the upper opening 17 in the movable cylinder 1 to drain the fluid through the openings 24 in the centralizer 13, flowing around the lower 5 float valve in the ESP. Moreover, the higher the liquid flow rate downward, the greater the pressure it exerts on the lower float valve 5. This force is transmitted from the valve 5 through the rod 2, shoulder 18 and centralizer 13 to the movable cylinder 1, which results in a greater force for sealing the conical rubber seal 3 and the rubber ring 15 on the shoulder 20.

Отделение крупных частиц мехпримесей в отстойник 25 происходит под действием сил гравитации и кинетической энергии самих частиц мехпримесей в лабиринте 10 (показано стрелкой) посредством разворота направления потока жидкости на 180°. Принцип отделения мелких частиц мехпримесей (ил, глина) построено на магнитных свойствах данных веществ. Кольцевой магнит 23, установленный на корпусе устройства, передает северный полюс через корпус устройства на нижнюю часть (острие) лабиринта 10. Таким образом, направление магнитного поля 23 от острия лабиринта 10 к южному полюсу магнита "вытягивает" из входящего в лабиринт 10 потока жидкости мелкие мехпримеси, которые, выйдя из потока, далее уже под собственным весом осаждаются в отстойник 25 для накопления мехпримесей. На фигуре 4 изображены магнитные линии и осаждающиеся частицы мехпримесей. Снабжение устройства лабиринтом 10, изменяющим угол направления течения жидкости на 180°, и кольцевым магнитом 23 позволяет практически полностью выводить из стекающей жидкости частицы мехпримесей. Подвергнуть засорению или отказу данный вид фильта невозможно. Отстойник 25 для накопления частиц мехпримесей снабжен по существу двухклапанным перепускным устройством, которое позволяет производить очистку отстойника 25 от шламонакоплений потоком жидкости при запуске в работу электроцентробежного насоса.The separation of large particles of solids in the sump 25 occurs under the influence of gravity and kinetic energy of the particles of solids in the labyrinth 10 (arrow) by turning the direction of fluid flow through 180 °. The principle of separation of small particles of mechanical impurities (silt, clay) is based on the magnetic properties of these substances. An annular magnet 23 mounted on the device’s case transfers the north pole through the device’s case to the lower part (tip) of the labyrinth 10. Thus, the direction of the magnetic field 23 from the tip of the labyrinth 10 to the south pole of the magnet “draws out” small liquid flows from the labyrinth 10 entering the labyrinth mechanical impurities, which, having left the stream, are then already deposited under their own weight into a sedimentation tank 25 for accumulating mechanical impurities. The figure 4 shows the magnetic lines and deposited particles of solids. The supply of the device with a labyrinth 10, changing the angle of the direction of fluid flow by 180 °, and an annular magnet 23 allows you to almost completely remove particles of solids from the flowing liquid. It is impossible to clog or refuse this type of filter. The sump 25 for accumulation of particles of mechanical impurities is equipped with a substantially two-valve bypass device, which allows the sump 25 to be cleaned of sludge accumulation by a fluid stream when the electric centrifugal pump is put into operation.

При включении УЭЦН процесс повторяется по замкнутому циклу.When turning on the ESP, the process is repeated in a closed cycle.

Данная разработка является перспективной, т.к. она автоматически работает по замкнутому циклу, обеспечивающему самоочищение насосной установки.This development is promising, because it automatically operates in a closed cycle, which ensures self-cleaning of the pump unit.

Claims

A device for preventing clogging and jamming of the mechanisms of electric centrifugal pumps in wells, installed above the pump, having a sump for sludge accumulation of mechanical impurities, cleaned when switched on and filled with mechanical impurities when the pump is turned off, and having a labyrinth for separating particles of mechanical impurities from the liquid, installed in the upper part of the device, To control the flow direction, a cylinder with a movable stem is installed inside the device, on which a top valve is installed, which opens when it is stopped. sucking a hole in the upper part of the cylinder for free flow of fluid through the labyrinth, and a lower valve holding the rod in the upper position when the pump is running and opening the passage when the pump is running, characterized in that the holes are made in the lower part of the sump, the cylinder inside the device is movably loaded down with a return spring and equipped with a conical ring seal to close the hole in the lower part of the sump with the pump turned off, the lower valve is float-operated for lifting through the upper valve IG Petritskaya cylinder and provided with a compression spring to open a larger passage for the liquid during operation with high-output pump device, and on the device at the entrance to the labyrinth ring magnet is mounted.