Тормозной механизм для нагнетательной системы, нагнетательная система и способ работы нагнетательной системы

Тормозной механизм для нагнетательной системы, нагнетательная система и способ работы нагнетательной системы

Реферат

 

Тормозной механизм для управления выделением энергии колонны буровых штанг предназначен для использования в скважинном роторном насосе. Роторный насос включает в себя вращательный элемент, расположенный в энергетической линии от основного двигателя к верхнему концу колонны буровых штанг, при этом требуется, чтобы вращательный элемент вращался с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг. Вращательный элемент приводит в движение насос для текучей среды посредством обгонной муфты таким образом, что когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в обычном направлении, муфта пробуксовывает и не приводит в действие насос для текучей среды. Однако, когда верхний конец колонны буровых штанг пытается повернуться в противоположном направлении, например, при остановке или прекращении подачи энергии, насос для текучей среды приводится в действие таким образом, что он нагнетает текучую среду из резервуара и обратно к резервуару по замкнутой цепи, которая включает в себя механизм для ограничения потока текучей среды. Значительно упрощается конструкция и повышается надежность. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и, в частности, касается повышения безопасности скважинных роторных насосов, главным образом, при остановке или прекращении подачи энергии.

В прошлом многие обычные нефтяные скважины приводились в действие посредством скважинных насосов, расположенных в донной части скважины или вблизи от нее, при этом насос представлял собой обычный насос возвратно-поступательного действия с приводом от колонны буровых штанг, в свою очередь, совершающий возвратно-поступательное движение по вертикали посредством силового устройства.

Многие из этих устаревших насосов возвратно-поступательного действия в недавнем прошлом были заменены на объемные роторные насосы. Такие роторные насосы особенно пригодны для добычи сырой нефти с примесью воды и песка.

Однако, ввиду глубины нефтяной скважины, крутящий момент, прилагаемый к верхней части колонны буровых штанг, и сопротивление, оказываемое насосу в донной части, могут вызвать скручивание колонны буровых штанг подобно пружине, что приводит к накапливанию энергии, создаваемой крутящим моментом. Всякий раз, когда происходит прекращение подачи энергии или остановка системы, накопленная энергия, создаваемая крутящим моментом, совместно с энергией, создаваемой напором текучей среды от насоса, должны выделяться сами по себе. Без какого-либо управления скоростью обратного кручения колонны буровых штанг могут возникать серьезные проблемы. Эти проблемы сводятся к следующему: - двигатель, подсоединенный к колонне буровых штанг через редуктор и шкивное устройство, может достигать реверсивных скоростей, превышающих безопасные пределы. Эти скорости создают тенденцию к повреждению двигателя и могут даже вызвать его разрыв; - один или оба шкива могут достигать скоростей, превышающих их предельные значения; - в случае компоновок привода, при которых полированный шток выталкивается из верхней части привода, выступающая часть может быть изогнута и сломана, после чего обломившаяся часть может быть отброшена из установки под действием центробежной силы; - без какого-либо определенного типа торможения колонна буровых штанг может оказаться отсоединенной, а в результате колонна буровых штанг и насос могут быть утеряны в скважине.

Из международной заявки WO-88/07126 известна нагнетательная система, в которой скважинный насос имеет ротор, который вращается посредством нижнего конца колонны буровых штанг, а верхний конец колонны, в свою очередь, вращается посредством крутящего момента, получаемого от основного двигателя, и в которой в процессе работы в колонне буровых штанг накапливается энергия скручивания. Механизм торможения создан для того, чтобы избежать слишком резкого выделения энергии скручивания колонны буровых штанг при остановке или прекращении подачи энергии. Упомянутый механизм торможения включает в себя сложный и дорогостоящий корпус, удерживающий центральный тормоз с грузовыми элементами, входящими во фрикционное зацепление со стенкой камеры, когда скорость вращения достигает достаточно высокого уровня, тем самым замедляя вращение вала.

Из патента США N 4797075, 10.01.1989, известен объемный скважинный насос с торможением чрезмерной скорости для защиты коробки передач в течение обратного вращения. Силовой источник вращает входной вал коробки передач, который посредством привода, расположенного под прямым углом, приводит в движение колонну буровых штанг, проходящую вниз к насосу. К входному валу крепят центробежный тормоз. Если насос прекращает работу, источник энергии сообщит энергию буровым штангам посредством их скручивания до тех пор, пока источник энергии не достигнет своего предела. Когда буровые штанги начинают раскручиваться, входит в зацепление тормоз для рассеивания энергии и замедления скорости обратного вращения.

Из патента Великобритании N 2210931, 21.06.1989 известна тормозная система двигателя, имеющая поглощающий энергию шестеренный насос, который включает в себя выходное отверстие, из которого нефть проходит к выходу посредством отверстия, регулируемого поршнем. Когда требуется торможение, переключаемый клапан закрывается и в отверстие позади поршня посредством отверстия в головке поршня создается давление. Управление давлением позади поршня осуществляется регулируемым клапаном настройки давления. Причем оно действует на большую площадь поршня, чем площадь отверстия. При этом отверстие уменьшается для увеличения выходного давления нефти, а следовательно, и крутящего момента. Управление максимальным давлением на выходе осуществляется ограничительным клапаном.

Все из последних упомянутых механизмов сложны, дороги и не находят широкого применения, поэтому имеется необходимость в более простой и более надежной конструкции.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является упрощение конструкции и повышение надежности конструкции.

В этом настоящем изобретении для использования с нагнетательной системой, в которой скважинный насос имеет ротор, вращаемый нижним концом колонны буровых штанг, верхний конец который, в свою очередь, вращается посредством крутящего момента, обеспечиваемого основным двигателем, и в течение рабочего процесса в колонне буровых штанг накапливается энергия скручивания, создан тормозной механизм, позволяющий избежать весьма резкого выделения энергии скручивания колонны буровых штанг при остановке или прекращении подачи энергии, при этом механизм отличается тем, что он содержит: a) вращательный элемент, установленный так, что он вращается с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг; b) насос для текучей среды; c) резервуар, содержащий текучую среду; d) входной трубопровод, сообщающий текучую среду в резервуаре с впускным отверстием насоса; e) выходной трубопровод, сообщающий текучую среду в резервуаре с выходным отверстием насоса; f) регулируемый клапан управления потоком, расположенный в одном из упомянутых трубопроводов; g) средство управления в виде обгонной муфты, оперативно связанное в насосом таким образом, что, когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды не совершает нагнетательную работу, но когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, противоположном тому, которое соответствует нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды совершает работу по нагнетанию текучей среды из резервуара и обратно к резервуару, преодолевая сопротивление, определяемое настройкой клапана; при этом, если происходит резкое выделение энергии, накопленной колонной буровых штанг, рассеивание энергии осуществляется контролируемым способом.

Помимо этого, в изобретении создана нагнетательная система, содержащая: скважинный насос, который включаtт в себя статор и ротор; колонну буровых штанг, имеющую верхний конец и нижний конец, при этом нижний конец подсоединен к ротору, удерживает и вращает его; основной двигатель, обеспечивающий крутящий момент для вращения упомянутого верхнего конца, за счет чего в колонне буровых штанг в процессе работы накапливается энергия; тормозной механизм, позволяющий избежать слишком резкого выделения энергии скручивания колонны буровых штанг при остановке или прекращении подачи энергии, при этом механизм включает в себя: a) вращательный элемент, введенный в энергетическую цепь между основным двигателем и верхним концом колонны буровых штанг, так что вращательный элемент вращается с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг; b) насос для текучей среды; c) обгонную муфту между вращательным элементом и насосом для текучей среды, подсоединенную таким образом, что когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, муфта проскальзывает и не приводит в действие насос для текучей среды, но когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, противоположном тому, которое соответствует нормальной работе скважинного насоса, муфта передает энергию насосу для текучей среды; d) резервуар, содержащий текучую среду; e) входной трубопровод, сообщающий текучую среду в резервуаре с впускным отверстием насоса для текучей среды; f) выходной трубопровод, сообщающий текучую среду в резервуаре с выходным отверстием насоса для текучей среды; g) регулируемый клапан управления потоком, расположенный в одном из упомянутых трубопроводов, при этом энергия, накопленная колонной буровых штанг, при ее выделении должна совершать работу, нагнетая текучую среду по замкнутой цепи, которая включает в себя сопротивление в виде упомянутого клапана, за счет чего контролируемым способом происходит рассеивание накопленной энергии.

Кроме того, в этом изобретении создан способ работы нагнетательной системы, в которой используется скважинный насос, включающий в себя статор и ротор, колонна буровых штанг, имеющая верхний конец и нижний конец, причем последний подсоединен к ротору, удерживает и вращает его, и основной двигатель, создающий крутящий момент вращения упомянутого верхнего конца, при этом способ содержит следующие стадии: приведение в действие основного насоса для вращения верхнего конца колонны буровых штанг с тем, чтобы нижний конец вращал ротор, при этом в буровой колонне в процессе работы накапливается энергия скручивания; при остановке или прекращении подачи энергии медленное и контролируемое выделение энергии скручивания; отличающийся тем, что последняя стадия медленного выделения энергии скручивания осуществляется посредством: a) прохождения энергии от основного двигателя вначале к вращательному элементу, а затем от вращательного элемента к верхнему концу колонны буровых штанг таким образом, что вращательный элемент вращается с постоянными передаточным отношением и направлении относительно верхнего конца колонны буровых штанг; b) подсоединения вращательного элемента к насосу для текучей среды таким образом, что когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды не совершает какой-либо нагнетательной работы, но когда верхний конец колонны буровых штанг вращается в направлении, противоположном тому, которое соответствует нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды совершает нагнетательную работу; c) в любом случае накопленная энергия выделяется, при этом накопленная энергия приводит в действие насос для нагнетания текучей среды из резервуара и обратно в резервуар по замкнутой цепи; d) управления скоростью выделения накопленной энергии посредством ограничения потока текучей среды по цепи.

Один из вариантов осуществления конструкции согласно этому изобретению представлен на прилагаемых фигурах, где на нескольких видах одинаковые детали обозначены одними и теми же номерами позиций, и на которых: на фиг.1 изображен боковой вид по вертикали тормозного механизма; на фиг.2 - торцевой вид тормозного механизма в направлении стрелки 2 на фиг.1.

На фиг. 1 основным двигателем является двигатель 10, который имеет вертикальный вал 12, несущий на себя шкив 14.

Слева на фиг.1 представлен тормозной механизм, включающий в себя вращательный элемент 16, на своей верхней части несущий шкив 18, точно выровненный со шкивом 14. Имеется несколько ремней 19, связывающих между собой шкивы 14 и 18. Вращательный элемент 16 представляет собой удлиненный вал, параллельный валу 12, и проходит через внутреннюю часть резервуара 20, который сообщается с атмосферой в верхней части 22 и включает в себя две боковые стенки 24 /на фиг.1 видна только одна из них/ и две торцевые стенки 26. Нижняя стенка 28 также составляет часть резервуара 20, а вал 16 проходит через нижнюю стенку 28, но уплотнен относительно нее для предотвращения утечек.

Через внутреннюю часть резервуара 20 также проходит основной приводной вал 30, который для возможности его вращения удерживается уплотняющим корпусом 32. Основной приводной вал 30 предназначен для удерживания верхнего конца колонны 34 буровых штанг, которая проходит вниз по скважине. Основной приводной вал 30 проходит через донную стенку 28 резервуара 20 и соответствующим образом уплотнен для предотвращения утечек.

В предварительном варианте осуществления конструкции резервуар 20 примерно на 2/3 заполнен гидравлической текучей средой 36.

Во внутренней части резервуара 20 валы 16 и 30 взаимосвязаны в месте, указанном прямоугольником 37, который изображен пунктирными линиями. В одном из вариантов выполнения каждый из валов 16 и 30 несет на себе шестерню, при этом две шестерни входят в зацепление друг с другом таким образом, что передаточные отношение между валами 16 и 30 при их вращении остается постоянным при вращении валов в противоположных направлениях. Другой вариант предполагает установку звездочки на каждом из валов 16 и 30, причем совместно с цепью, входящей в зацепление с обеими звездочками. Во втором случае валы 16 и 30 будут вращаться в одном направлении.

Для более подробного описания тормозного механизма обратимся к фиг.1 и 2.

Как наилучшим образом показано на фиг.2, гидравлический насос 40 со стороны всасывания сообщается с впускным коллектором 42, а на выходной стороне с выпускным коллектором 44. В выпускном коллекторе 44 расположен клапан 46 для управления потоком, который может быть отрегулирован вручную для установления сопротивления потоку через выпускной коллектор 44. Оба коллектора 42 и 44 сообщаются с внутренней частью резервуара 20 через уплотняемые отверстия.

На фиг.2 схематически показано, что вал 16 подсоединен к обгонной муфте 48, которая, в свою очередь, через гибкие соединения 50 подсоединена к входному валу 52 насоса 40.

Обгонную муфту 48 также называют муфтой "свободного хода", которая передает мощность только в одном направлении вращения, но "проскальзывает" при ее вращении в противоположном направлении. В данном случае обгонная муфта 48 передает мощность насосу 40 только тогда, когда верхний конец колонны 34 буровых штанг вращается в направлении, противоположном направлению, соответствующему нормальной работе, когда она пытается действовать при прекращении подачи энергии или остановке. Однако, когда колонна 34 буровых штанг вращается в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, муфта проскальзывает и не приводит насос 40 для текучей среды в действие.

В процессе работы, когда скважинный насос действует обычным образом, направление вращения вала 16 таково, что вращение не передается к насосу 40 посредством обгонной муфты 48 и поэтому рабочая жидкость не нагнетается в петлевую цепь, образованную резервуаром 20 и коллекторами 42 и 44.

Однако, когда по какой-либо причине вся нагнетательная система останавливается, колонна 34 буровых штанг пытается раскрутиться в обратном направлении и при этом происходит выделение накопленной энергии, созданной крутящим моментом. Это приведет к вращению вала 30, в свою очередь, будет вращать вал 16 посредством зацепления шестерен, либо звездочек, связанных между собой цепью. В течение этого обратного кручения колонны 34 буровых штанг направление вращения вала 16 таково, что передает энергию насосу 140 через обгонную муфту 48, чем обеспечивается натягивание текучей среды из резервуара 20 через впускной коллектор 42 и ее выпуск через управляющий клапан 46 в выпускной коллектор 44.

Клапан 46 управления потоком выбирают таким образом, что когда он по существу полностью открыт, будет обеспечена возможность кручения колонны 34 буровых штанг в обратном направлении с относительно невысокой скоростью. При этом в случае обратного вращения текучей среды из резервуара 20 непрерывно нагнетается в замкнутую линию посредством насоса 40, причем замкнутая линия содержит регулируемый ограничитель в форме клапана 46 управления потоком.

В нижней правой части фиг.1 донный конец 60 обсадной колонны буровой скважины 35 содержит статор 62 и ротор 64 скважинного поршневого роторного насоса и нижний конец 66 колонны 34 буровых штанг.

Формула изобретения

1. Тормозной механизм для нагнетательной системы, имеющей скважинный насос с ротором, установленным с возможностью вращения при помощи нижнего конца колонны буровых штанг, содержащий основной двигатель, связанный с верхним концом колонны буровых штанг для ее вращения и накопления энергии скручивания, отличающийся тем, что он содержит вращательный элемент, установленный с возможностью вращения с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг, насос для текучей среды, резервуар с текучей средой с двумя трубопроводами, один из которых сообщен с входным отверстием насоса, а другой - с выходным, а также регулируемый клапан управления потоком, расположенный в одном из упомянутых трубопроводов, и средства управления в виде обгонной муфты, связанной с насосом.

2. Тормозной механизм по п.1, отличающийся тем, что он содержит два вала и два шкива, при этом основной двигатель включает в себя первый вал для удержания первого шкива, а вращательный элемент выполнен удлиненным и является вторым валом для удержания второго шкива, при этом механизм включает в себя ремень для охвата первого и второго шкивов, а средство управления в виде обгонной муфты выполнено с возможностью соединения вращательного элемента и насоса для текучей среды, при реверсивном вращении колонны буровых штанг, и возможностью проскальзывания в течении нормальной работы скважинного насоса.

3. Тормозной механизм по п.2, отличающийся тем, что он содержит дополнительный вращательный элемент для удержания и вращения верхнего конца колонны буровых штанг, приводимый в движение основным вращательным элементом.

4. Тормозной механизм по п. 3, отличающийся тем, что основной вращательный элемент выполнен с возможностью приведения в движение дополнительного вращательного элемента посредством зацепления двух шестерен, одна из которых прикреплена к основному вращательному элементу, а другая - к дополнительному вращательному элементу, при этом детали вращательных элементов, удерживающие шестерни, расположены внутри резервуара, а текучей средой является гидравлическая текучая среда.

5. Тормозной механизм по п. 3, отличающийся тем, что основной вращательный элемент выполнен с возможностью приведения в движение дополнительного вращательного элемента посредством цепи, которая входит в зацепление с двумя звездочками, одна из которых прикреплена к основному вращательному элементу, а другая - к дополнительному вращательному элементу, при этом цепь и детали вращательных элементов, удерживающие звездочки, расположены внутри резервуара, а текучей средой является гидравлическая текучая среда.

6. Нагнетательная система, содержащая скважинный насос, включающий в себя статор и ротор, колонну буровых штанг, имеющую верхний конец и нижний конец, подсоединенный к ротору для его удержания и вращения, основной двигатель, связанный с верхним концом колонны буровых штанг для ее вращения и накопления энергии скручивания, а также тормозной механизм для избежания резкого выделения энергии скручивания колонны буровых штанг при остановке или прекращении подачи энергии, отличающаяся тем, что тормозной механизм содержит вращательный элемент, установленный между основным двигателем и верхним концом колонны буровых штанг, с возможностью вращения с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг, насос для текучей среды, обгонную муфту, установленную между вращательным элементом и насосом для текучей среды, подсоединенную с возможностью проскальзывания и неприведения в действие насоса для текучей среды при вращении верхнего конца колонны буровых штанг в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, и с возможностью передачи энергии насосу для текучей среды, при вращении верхнего конца колонны буровых штанг в направлении, противоположном тому, которое соответствует нормальной работе скважинного насоса, а также замкнутую цепь, включающую резервуар для текучей среды, входной трубопровод для сообщения резервуара с впускным отверстием насоса для текучей среды, выходной трубопровод для сообщения резервуара с выходным отверстием насоса для текучей среды и регулируемый клапана управления потоком, расположенный в одном из трубопроводов для выполнения функции сопротивления при выделении энергии скручивания, накопленной колонной буровых штанг для совершения работы нагнетания текучей среды по замкнутой цепи.

7. Нагнетательная система по п.6, отличающаяся тем, что основной двигатель включает в себя вертикальный первый вал для удержания первого шкива, при этом вращательный элемент представляет собой вертикальный второй вал для удержания второго шкива и имеется ременное средство, охватывающее первый и второй шкивы.

8. Нагнетательная система по п.7, отличающаяся тем, что содержит дополнительный вращательный элемент, способный удерживать и вращать верхний конец колонны буровых штанг и приводимый в движение основным вращательным элементом.

9. Нагнетательная система по п.8, отличающаяся тем, что основной вращательный элемент выполнен с возможностью приведения в движение дополнительного вращательного элемента посредством зацепления двух шестерен, одна из которых прикреплена к основному вращательному элементу, а другая прикреплена к дополнительному вращательному элементу, и детали вращательных элементов, удерживающие шестерни, расположены внутри резервуара, а текучей средой является гидравлическая текучая среда.

10. Нагнетательная система по п.8, отличающаяся тем, что основной вращательный элемент выполнен с возможностью приведения в движение дополнительного вращательного элемента посредством цепи, входящей в зацепление с двумя звездочками, одна из которых прикреплена к основному вращательному элементу, а другая прикреплена к дополнительному вращательному элементу, при этом цепь и детали вращательных элементов, удерживающие звездочки, расположены внутри резервуара, а текучей средой является гидравлическая текучая среда.

11. Способ работы нагнетательной системы, включающей скважинный насос, содержащий статор и ротор, колонну буровых штанг с верхним и нижним концами, при этом нижний конец подсоединен к ротору для его удержания и вращения, и основной двигатель, заключающийся в том, что приводят в действие основной двигатель для вращения верхнего и нижнего концов колонны буровых штанг, при этом последний вращает ротор, а колонна в процессе работы накапливает энергию скручивания, которая затем при остановке системы контролируемо выделяется, отличающийся тем, что контролируемое выделение энергии скручивания осуществляется путем прохождения энергии от основного двигателя к вращательному элементу, связанному с ним, а затем от вращательного элемента к верхнему концу колонны буровых штанг, при этом вращательный элемент вращается с постоянным передаточным отношением и направлением относительно верхнего конца колонны буровых штанг, а подсоединение его к насосу для текучей среды выполняется таким образом, что при вращении верхнего конца колонны буровых штанг в направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды не совершает какую-либо нагнетательную работу, а при вращении верхнего конца колонны буровых штанг в противоположном направлении, соответствующем нормальной работе скважинного насоса, насос для текучей среды совершает нагнетательную работу, при этом накопленная энергия приводит в действие насос для нагнетания текучей среды из резервуара и обратно по замкнутой цепи, а управление скоростью выделения накопленной энергией происходит посредством ограничения потока текучей среды по упомянутой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2