Скважинная штанговая насосная установка (варианты)

Скважинная штанговая насосная установка (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к скважинным штанговым насосным установкам, таким как плунжерный и винтовой насосы со штанговыми приводами, для подъема жидкости из скважин с больших глубин, особенно из сильно искривленных скважин.

Известен штанговый привод скважинных штанговых насосных установок, выпускаемый американской фирмой Weatherford под маркой COROD (www.weatherford.com/corod) и канадской фирмой PRO-ROD (www.prorod.com), представляющий из себя единую длинномерную гибкую штангу, которая полностью заменяет колонну составных штанг, и имеющую длину, равную глубине спуска погружного объемного насоса. В случае применения погружного плунжерного насоса длинномерная гибкая штанга верхним концом через полированный шток присоединяется к источнику возвратно-поступательных движений, например станку-качалке, а другим концом, непосредственно или через переходную штангу, с погружным плунжерным насосом. Кроме того, Weatherford выпускает для работы с погружными плунжерными насосами длинномерную гибкую штангу с эллиптическим сечением для уменьшения удельной нагрузки от штанги на насосно-компрессорные трубы. В случае применения погружного винтового насоса длинномерная гибкая штанга верхним концом присоединяется к источнику вращательного движения, а другим концом, непосредственно или через переходную штангу, с погружным винтовым насосом. Несмотря на дороговизну длинномерной гибкой штанги и необходимость дополнительного оборудования спуск или подъем длинномерной гибкой штанги в или из скважины занимает очень малое время. Из-за отсутствия муфтовых соединений резко уменьшен износ насосно-компрессорных труб от их перетирания утолщенной частью колонны штанг. В некоторых сильноискривленных скважинах применение длинномерной гибкой штанги часто является единственным решением для обеспечения лифта скважинной жидкости на поверхность.

Недостатком вышеупомянутого длинномерного штангового привода погружного объемного насоса является то, что износ насосно-компрессорных труб от перетирания их длинномерной гибкой штангой все равно остается высоким за счет попадания твердых частиц, например песка, между трущимися поверхностями длинномерной гибкой штанги и внутренней поверхностью насосно-компрессорных труб. Кроме того, скважинная жидкость не обладает хорошим смазывающим эффектом между трущимися поверхностями.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является скважинная штанговая насосная установка, содержащая установленный на колонне насосно-компрессорных труб скважинный штанговый насос, рабочий орган которого связан с колонной полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными соединениями. Каждая полость штанги изолирована, содержит герметичные пробки, с образованием переходников для съемных соединений, вакуумирована или заполнена газом. Штанги выполнены из металла с малым удельным весом и защищены от коррозии (см. патент РФ №2235905 от 07.05.2003).

Недостатком скважинной штанговой насосной установки, выбранной за прототип, является дороговизна, увеличенный износ трущихся частей колонны штанг и насосно-компрессорных труб друг об друга.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является полная изоляция и защита трущейся пары - длинномерная гибкая штанга - внутренняя поверхность насосно-компрессорных труб от воздействия скважинной жидкости и ее ингредиентов и размещение смазывающей жидкости между трущимися поверхностями.

Технический результат заключается в повышении надежности работы скважинного насоса, увеличении межремонтного периода работы и уменьшении энергии, затрачиваемой на работу скважинной штанговой насосной установки.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей силовой привод и установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, рабочий орган которого связан со штанговым приводом, согласно изобретению штанговый привод состоит из неподвижной гибкой трубы, внутри которой размещена подвижная гибкая штанга, один конец которой соединен с силовым приводом на поверхности через устьевой полированный шток, а второй - с рабочим органом в виде плунжера скважинного насоса через насосный полированный шток, места входа и выхода подвижной гибкой штанги и неподвижной гибкой трубы уплотнены, кольцевое пространство между ними заполнено смазывающей жидкостью и имеет канал на устьевом конце, нижний и верхний концы неподвижной гибкой трубы соединены с устьевым и насосным патрубками, длина которых больше максимального хода плунжера скважинного насоса, причем верхний конец устьевого патрубка соединен с уплотнительным узлом устьевого полированного штока, а нижний конец насосного патрубка соединен с уплотнительным узлом насосного полированного штока, который своим нижним концом жестко соединен со стаканом, залитым жидкостью, посредством стыковочного узла, имеющей удельный вес больший, чем откачиваемая жидкость с возможностью нахождения в ней уплотнительного узла полированного штока при любом его положении.

Кроме того, указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей силовой привод и установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, рабочий орган которого связан со штанговым приводом, согласно изобретению штанговый привод состоит из неподвижной гибкой трубы, внутри которой размещена подвижная гибкая штанга, один конец которой соединен с силовым приводом на поверхности через устьевой полированный шток, а второй, с рабочим органом в виде вала винтового насоса, через насосный полированный шток, места входа и выхода подвижной гибкой штанги и неподвижной гибкой трубы уплотнены, кольцевое пространство между ними заполнено смазывающей жидкостью и имеет канал на устьевом конце, нижний и верхний концы неподвижной гибкой трубы соединены с устьевым и насосным патрубками, причем верхний конец устьевого патрубка соединен с уплотнительным узлом устьевого полированного штока, а нижний конец насосного патрубка соединен с уплотнительным узлом насосного полированного штока и с перевернутым стаканом, залитым смазывающей жидкостью. Кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, содержит дополнительный канал для создания избыточного давления. Кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, соединено с полостью перевернутого стакана посредством тарированного на расчетное давление перепускного клапана.

На фиг. 1 показана скважинная штанговая плунжерная насосная установка с буферной жидкостью в стакане на подвижной гибкой штанге в верхнем рабочем положении плунжера. На фиг. 2 показана скважинная штанговая плунжерная насосная установка с буферной жидкостью в стакане на подвижной гибкой штанге в нижнем рабочем положении плунжера. На фиг. 3 показана скважинная штанговая плунжерная насосная установка с перевернутым стаканом на неподвижной гибкой трубе. На фиг. 4 показана скважинная штанговая винтовая насосная установка с перевернутым стаканом на неподвижной гибкой трубе. На фиг. 5 показана скважинная штанговая плунжерная насосная установка с двухканальным колтюбингом. На фиг. 6 показана скважинная штанговая винтовая насосная установка с отдельным лифтовым каналом.

Скважинная штанговая насосная установка с плунжерным насосом состоит из (фиг. 1 и 2) неподвижной длинномерной гибкой трубы 1, внутри которой находится подвижная длинномерная гибкая штанга 2. Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 находится внутри колонны насосно-компрессорных труб 3. Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 своей нижней частью через переходник 4 соединена с верхним концом насосного патрубка 5, длина которого больше максимального хода плунжера 28 скважинного насоса 29 на расчетную величину. Нижний конец насосного патрубка 5 соединен с уплотнительным узлом 6, в котором находится уплотнение 7 насосного полированного штока 8. Насосный полированный шток 8 соединен с подвижной длинномерной гибкой штангой 2 непосредственно через стандартное соединение или при помощи муфты 9. Резьба под муфту 9 может быть выполнена непосредственно на теле подвижной длинномерной гибкой штанги 2 для удобства ее размещения внутри неподвижной длинномерной гибкой трубы 1. Нижний конец насосного полированного штока 8 жестко соединен со стаканом 10 посредством соединительного узла 11. Наружный диаметр стакана 10 меньше внутреннего диаметра колонны насосно-компрессорных труб 3, а внутренний диаметр стакана 10 больше наружного диаметра насосного патрубка 5. В стакан 10 залита буферная жидкость 12 с большим удельным весом и несмешиваемая со скважинной жидкостью 13, например ртуть. Длина стакана 10 имеет такую величину и в него залито столько буферной жидкости 12, что при любом положении насосного полированного штока 8 буферная жидкость 12 покрывает уплотнительный узел 6 и служит его защитой от контакта со скважинной жидкостью 13. Для слива буферной жидкости 12 на поверхности, в соединительном узле 11, имеется сливной клапан 14. Соединительный узел 11 соединен своей нижней частью с переходной штангой 15, которая соединена с плунжером 28 скважинного насоса 29. В другом варианте защиты уплотнительного узла 6 от контакта со скважинной жидкостью 13 (фиг. 3) используется перевернутый стакан 36, жестко соединенный с неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 и заполненный смазывающей жидкостью 23. Между патрубком 5 и перевернутым стаканом 36 расположен тарированный клапан 37, который при достижении расчетного давления смазывающей жидкости 23 в неподвижной длинномерной гибкой трубе 1 открывается и обеспечивает ее переток в перевернутый стакан 36, что позволяет добавлять или полностью заменять смазывающую жидкость 23 в полости перевернутого стакана 36. Учитывая то, что удельный вес смазывающей жидкости 23 меньше удельного веса скважинной жидкости 13, то смазывающая жидкость 23 всегда будет заперта в перевернутом стакане 36, обеспечивая, тем самым, ванну из смазывающей жидкости 23 для другого конца уплотнительного узла 6. Количество перетекающей смазывающей жидкости 23 в перевернутый стакан 36 контролируется на устье работой насоса. Уровень жидкости 38 (поверхность контакта смазывающей жидкости 23 и скважинной жидкости 13) регулируется нижним срезом перевернутого стакана 36. В случае применения в качестве скважинного насоса 29 трубного штангового насоса, соединительный узел 11 может содержать штанговое цанговое соединение (не показано), а в случае применения в качестве скважинного насоса 29 вставного штангового насоса, цанговое соединение находится на самом вставном штанговом насосе (не показано). Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 своей верхней частью (фиг. 1 и 2) через переходник 16 соединена с нижним концом устьевого патрубка 17, длина которого больше максимального хода плунжера 28 скважинного насоса 29 на расчетную величину. Верхний конец устьевого патрубка 17 соединен с устьевой скважинной головкой 25, на которой размещен уплотнительный узел 18, в котором находится уплотнение 19 устьевого полированного штока 20. Устьевой полированный шток 20 соединен с подвижной длинномерной гибкой штангой 2 при помощи стандартного соединения или муфты 21. В кольцевое пространство 22 между неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 и подвижной длинномерной гибкой штангой 2 залита смазывающая жидкость 23, причем кольцевое пространство 22 имеет выход на устье в виде канала 24 для долива смазывающей жидкости 23 или создания избыточного давления в кольцевом пространстве 22. Длинномерная гибкая штанга 2 может быть расположена внутри длинномерной гибкой трубы 1 в заводских условиях с размещением смазывающей жидкости 23 в кольцевом пространстве 22, с установкой устьевого 17 или 40 и насосного 5 или 34 патрубков с уплотнительными узлами 6, 18 или 41, тарированными клапанами 37 и стаканами 10 или 33 или 36 и спускаться в скважину как единая система. Буферная жидкость 12 заливается в стакан 10 непосредственно на устье перед спуском в скважину. Для уменьшения износа подвижных частей на расчетных местах неподвижной длинномерной гибкой трубы 1, подвижной длинномерной гибкой штанги 2 и стакана 10 могут устанавливаться центраторы (не показаны). Переходники 4 и 16 могут соединяться с подвижной длинномерной гибкой штангой 2 с помощью сварки, клея или механическим способом (прессовой посадкой или др.). Внутренняя полость плунжера 28, который находится в цилиндре скважинного насоса 29, сообщается с внутренней полостью 30 колонны насосно-компрессорных труб 3 посредством окна 27.

Скважинная штанговая насосная установка с винтовым насосом состоит из (фиг. 4) неподвижной длинномерной гибкой трубы 1, внутри которой находится подвижная длинномерная гибкая штанга 2. Неподвижная длинномерная гибкая труба 1 находится внутри колонны насосно-компрессорных труб 3. Нижний конец насосного патрубка 34 соединен с уплотнительным узлом 6, в котором находится уплотнение 7 насосного вала 39. Насосный вал 39 соединен с подвижной длинномерной гибкой штангой 2 непосредственно через стандартное соединение или при помощи муфты 9 и с валом 31 винтового насоса 32 при помощи муфты 26. Для защиты уплотнительного узла 6 от контакта со скважинной жидкостью 13 используется перевернутый стакан 33, жестко соединенный с неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 и заполненный смазывающей жидкостью 23. В другом варианте защиты уплотнительного узла 6 от контакта со скважинной жидкостью 13 (не показан) используется стакан 10, жестко соединенный с неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 и заполненный буферной жидкостью 12. Учитывая то, что подвижная длинномерная гибкая штанга 2 совершает вращательное движение, то стакан 10 может быть меньшего размера по сравнению с плунжерным вариантом и с меньшим количеством буферной жидкости 12 в нем. Между насосным патрубком 34 и перевернутым стаканом 33 расположен тарированный клапан 37, который при достижении расчетного давления смазывающей жидкости 23 в неподвижной длинномерной гибкой трубе 1 открывается и обеспечивает ее переток в перевернутый стакан 33, что позволяет добавлять или полностью заменять смазывающую жидкость 23 в полости перевернутого стакана 33. Верхний конец устьевого патрубка 40 соединен с устьевой скважинной головкой 25, на которой размещен уплотнительный узел 41, в котором находится уплотнение 42 устьевого вала 43. В кольцевое пространство 22 между неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 и подвижной длинномерной гибкой штангой 2 залита смазывающая жидкость 23, причем кольцевое пространство 22 имеет выход на устье в виде канала 24 для долива смазывающей жидкости 23 или создания избыточного давления в кольцевом пространстве 22. Резьба под муфту 9 может быть выполнена непосредственно на теле подвижной длинномерной гибкой штанги 2 для удобства ее размещения внутри неподвижной длинномерной гибкой трубы 1. На устье находится силовой привод 35, для вращения подвижной длинномерной гибкой штанги 2.

Снаружи неподвижной гибкой длинномерной трубы 1 могут размещаться греющий кабель, капиллярная линия для подачи химреагентов на вход насоса, электрические кабели, провода и/или гидравлические каналы, и прикрепляться к ней, например, клямсами (не показано). Вместо неподвижной гибкой длинномерной трубы 1 может использоваться многоканальная гибкая длинномерная труба, например, двухканальная 46, где в одном канале находится подвижная длинномерная гибкая штанга 2, а второй используется как лифтовая колонна (фиг. 5) или, как другой вариант, подвижная длинномерная гибкая штанга 2 с неподвижной длинномерной гибкой трубой 1 внутри может размещаться снаружи лифтовой колонны 44 (фиг. 6), например, в виде колонны насосно-компрессорных труб 3, и прикрепляться к ней, например, клямсами. Для соединения обоих каналов и скважинного насоса 29 или 32 используется стыковочный переводник 45.

Скважинная штанговая насосная установка с плунжерным насосом работает следующим образом. В варианте с трубным насосом сначала в скважину спускается колонна насосно-компрессорных труб 3 с установленным на нижнем конце трубным насосом со штанговым автосцепом на верхнем конце переходной штанги 15, затем в колонну насосно-компрессорных труб 3 спускается система - неподвижная длинномерная гибкая труба - подвижная длинномерная гибкая штанга с ответным автосцепом на нижнем конце подвижной длинномерной гибкой штанги и соединяется или, в варианте с вставным насосом, сначала в скважину спускается колонна насосно-компрессорных труб 3 с насосным автосцепом на нижнем конце колонны, а затем в нее спускается система - неподвижная длинномерная гибкая труба - подвижная длинномерная гибкая штанга с установленным вставным насосом с ответным насосным автосцепом, например, в виде цангового соединения (не показано). В любом случае, перед спуском в скважину на устье в стакан 10 заливается расчетное количество буферной жидкости 12. После спуска в скважину скважинной штанговой насосной установки с плунжерным насосом, колонна насосно-компрессорных штанг 3 подсоединяется на устье к устьевой скважинной головке 25 и, затем, к промысловому коллектору, неподвижная длинномерная гибкая труба 1 через устьевой патрубок подсоединяется к устьевой скважинной головке 25 и через канал 24 подсоединяется к устройству (не показано) для расширения, подпитки и долива кольцевого пространства смазывающей жидкостью или создания избыточного давления в кольцевом пространстве 22. Подвижная длинномерная гибкая штанга 2 посредством полированного устьевого штока 20 и установкой уплотнительного узла 18 присоединяется к станку-качалке. При движении вверх, одновременно, с длинномерной гибкой штангой 2 вверх движется и соединительный узел 11 вместе со стаканом 10, заполненным буферной жидкостью 12, а скважинная жидкость 13 подается на устье скважины и одновременно происходит всасывание скважинной жидкости 13 в скважинный насос 29. Буферная жидкость 12 поднимается внутри стакана 10 за счет входа в него уплотнительного узла 6, имеющего диаметр больше, чем насосный полированный шток 8. Длина стакана 10 имеет такую величину и в нее залито столько буферной жидкости 12, что при верхнем положении насосного полированного штока 8 буферная жидкость 12 находится практически у верхнего среза стакана 10, но не доходит до него. При движении вниз, одновременно, с длинномерной гибкой штангой 2 вниз движется и соединительный узел 11 вместе со стаканом 10. Уровень буферной жидкости 12 начинает опускаться внутри стакана 10 за счет выхода из стакана 10 уплотнительного узла 6. Длина стакана 10 имеет такую величину и в нее залито столько буферной жидкости 12, что при нижнем положении насосного полированного штока 8 уровень буферной жидкости 12 находится выше уплотнительного узла 6, полностью покрывая его и предотвращая, таким образом, контакт уплотнения 7 со скважинной жидкостью 13 и увеличивая срок его службы. После достижения длинномерной гибкой штангой 2 своего нижнего положения, начинается ее движение вверх, и цикл повторяется.

Скважинная штанговая насосная установка с винтовым насосом работает следующим образом. Скважинная штанговая насосная установка с винтовым насосом может спускаться в колонну насосно-компрессорных труб 3 как единое целое с автосцепным устройством на валу 31 винтового насоса 32, а затем в колонну насосно-компрессорных труб 3 спускается система - неподвижная длинномерная гибкая труба - подвижная длинномерная гибкая штанга с автосцепом и соединяется или, как другой вариант, сначала в скважину спускается колонна насосно-компрессорных труб 3, а затем в нее спускается система - неподвижная длинномерная гибкая труба - подвижная длинномерная гибкая штанга с установленным винтовым насосом с автосцепом, например, в виде цангового соединения (не показано). После спуска в скважину системы неподвижная длинномерная гибкая труба - подвижная длинномерная гибкая штанга с автосцепом, например, в виде цангового соединения, позволяющего передавать вращательное движение, на устье колонна насосно-компрессорных штанг 3 через устьевую скважинную головку 25 подсоединяется к промысловому коллектору, длинномерная гибкая труба 1 через устьевой патрубок 40 соединяется с устьевой скважинной головкой 25 и через канал 24 подсоединяется к устройству (не показано) для расширения, подпитки и долива кольцевого пространства смазывающей жидкостью (емкость или гидронасос), а длинномерная гибкая штанга 2 присоединяется к силовому приводу 35 для ее вращения. Если в кольцевом пространстве 22 отсутствует смазывающая жидкость 23, то через канал 24 производят заполнение кольцевого пространства 22 смазывающей жидкостью 23. При включении силового привода 35 вращательное движение через подвижную длинномерную гибкую штангу 2 передается на вал 31 винтового насоса 32, который начинает перекачивать скважинную жидкость 13 на устье скважины. Изменение длины длинномерной гибкой штанги 2 от ее скручивания учитывается длиной патрубков.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно увеличить межремонтный период скважины, улучшить экологию, уменьшить энергозатраты на единицу добываемой жидкости. В качестве длинномерной гибкой трубы могут использоваться как новый, так и отработанный, отбракованный или сращенный колтюбинг. Кроме того, вместо стальной длинномерной гибкой трубы может использоваться армированный шланг или шлангокабель, например, выпускаемый российской фирмой «Псковгеокабель».

1. Скважинная штанговая насосная установка, содержащая силовой привод и установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, рабочий орган которого связан со штанговым приводом, отличающаяся тем, что штанговый привод состоит из неподвижной гибкой трубы, внутри которой размещена подвижная гибкая штанга, один конец которой соединен с силовым приводом на поверхности через устьевой полированный шток, а второй - с рабочим органом в виде плунжера скважинного насоса через насосный полированный шток, места входа и выхода подвижной гибкой штанги и неподвижной гибкой трубы уплотнены, кольцевое пространство между ними заполнено смазывающей жидкостью и имеет канал на устьевом конце, нижний и верхний концы неподвижной гибкой трубы соединены с устьевым и насосным патрубками, длина которых больше максимального хода плунжера скважинного насоса, причем верхний конец устьевого патрубка соединен с уплотнительным узлом устьевого полированного штока, а нижний конец насосного патрубка соединен с уплотнительным узлом насосного полированного штока, который своим нижним концом жестко соединен со стаканом, залитым жидкостью, посредством соединительного узла, имеющей удельный вес больший, чем откачиваемая жидкость с возможностью нахождения в ней уплотнительного узла полированного штока при любом его положении.

2. Скважинная штанговая насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, содержит дополнительный канал для создания избыточного давления.

3. Скважинная штанговая насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, соединено с полостью перевернутого стакана посредством тарированного на расчетное давление перепускного клапана.

4. Скважинная штанговая насосная установка, содержащая силовой привод и установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, рабочий орган которого связан со штанговым приводом, отличающаяся тем, что штанговый привод состоит из неподвижной гибкой трубы, внутри которой размещена подвижная гибкая штанга, один конец которой соединен с силовым приводом на поверхности через устьевой полированный шток, а второй, с рабочим органом в виде вала винтового насоса, через насосный полированный шток, места входа и выхода подвижной гибкой штанги и неподвижной гибкой трубы уплотнены, кольцевое пространство между ними заполнено смазывающей жидкостью и имеет канал на устьевом конце, нижний и верхний концы неподвижной гибкой трубы соединены с устьевым и насосным патрубками, причем верхний конец устьевого патрубка соединен с уплотнительным узлом устьевого полированного штока, а нижний конец насосного патрубка соединен с уплотнительным узлом насосного полированного штока и с перевернутым стаканом, залитым смазывающей жидкостью.

5. Скважинная штанговая насосная установка по п. 4, отличающаяся тем, что кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, содержит дополнительный канал для создания избыточного давления.

6. Скважинная штанговая насосная установка по п. 4, отличающаяся тем, что кольцевое пространство, заполненное смазывающей жидкостью, соединено с полостью перевернутого стакана посредством тарированного на расчетное давление перепускного клапана.