Поршневой скважинный насос с приводом от забойного двигателя

Поршневой скважинный насос с приводом от забойного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данная заявка испрашивает приоритет по временной патентной заявке 61/920,292, выложена 23 декабря 2013 г., по временной патентной заявке 61/985,614, выложена 29 апреля 2014 г., и безусловной патентной заявке США 14/579,585, выложена 22 декабря 2014 г., полностью включены в виде ссылки в данном документе.

Область изобретения.

Данное изобретение относится в общем к поршневым скважинным насосам и, в частности, к поршневому скважинному насосу, приводимому в действие скважинным электрическим двигателем.

Предпосылки:

Многие нефтяные скважины требуют оснащения насосом для получения скважинной текучей среды. Обычно применяют скважинный насос поршневого типа. Насосная штанга проходит вглубь скважины до плунжера насоса. Подъемный механизм на поверхности создает ход насосной штанги для подъема скважинной текучей среды. Создание колонны насосных штанг, продолжающейся вглубь до насоса, является проблематичным для глубоких скважин и скважин, где насос установлен в наклонно-направленной нижней части.

Также широко применяются роторные насосы с приводом от скважинного электрического двигателя. Насос может являться центробежным насосом, имеющим много ступеней крыльчаток и диффузоров. Нефтяные роторные скважинные насосы также включают в себя винтовые насосы, в которых ротор вращается в эластомерном статоре. Ротор и статор имеют геликоидальные контуры.

Также сделаны различные предложения по приведению в действие поршневого насоса скважинным электрическим двигателем. В одном таком варианте применяется двигатель, который вращает приводной вал. Геликоидальный винтовой механизм преобразует вращение в линейное перемещение для создания ходов насоса. В другом предложенном варианте линейный двигатель применяется для осуществления ходов насоса. Линейный двигатель имеет электромагнитные катушки и приводной механизм с постоянными магнитами, установленный в канале катушечной сборки. При подаче импульса энергии одного вида, приводной механизм осуществляет ход линейно в одном направлении. Импульс энергии другого вида создает ход приводного механизма в противоположном направлении.

По различным причинам, поршневые насосы с забойными электрическими двигателями не находят коммерческого применения ни в каком виде.

Сущность изобретения.

Компоновка погружного скважинного насоса, раскрытая в данном документе, имеет кожух насоса с выкидом насоса на верхнем конце. Цилиндр насоса установлен в кожухе насоса с образованием кольцевого прохода между цилиндром и кожухом насоса. Плунжер возвратно-поступательно перемещается в корпусе. Двигатель установлен под кожухом насоса и функционально соединен с плунжером для обеспечения возвратно-поступательного перемещения плунжера между ходом вниз и ходом вверх. Клапанное средство в кожухе насоса направляет скважинную текучую среду в цилиндре под плунжером в кольцевой проход и на выход в выкид во время ход плунжера вниз. Клапанное средство впускает скважинную текучую среду в цилиндр под плунжером во время ход плунжера вверх.

Клапанное средство содержит выпускное окно цилиндра под плунжером, которое создает сообщение скважинной текучей среды в цилиндре со скважинной текучей средой в кольцевом проходе. Соединительная штанга проходит между двигателем и плунжером. Соединительная штанга работает на растяжение во время хода вниз. Клапанное средство может также содержать впуск скважинной текучей среды на верхнем конце кожуха насоса, который впускает скважинную текучую среду снаружи компоновки в кожух насоса.

В некоторых вариантах осуществления впуск скважинной текучей среды сообщается текучей средой с внутренним пространством цилиндра над плунжером. Впуск скважинной текучей среды может направлять скважинную текучую среду из впуска в цилиндр над плунжером во время хода вверх плунжера а также хода вниз.

В некоторых вариантах осуществления проход плунжера продолжается аксиально через плунжер. Подвижный клапан установлен на плунжере для перемещения с ним. Подвижный клапан открывает проход плунжера для обеспечения прохода скважинной текучей среды во внутреннем пространстве цилиндра вниз через проход плунжера во время хода вверх. Подвижный клапан закрывается во время хода вниз, предотвращая проход скважинной текучей среды под плунжером вверх через проход плунжера.

В некоторых вариантах осуществления двигатель имеет наружный кожух двигателя и внутренний кожух двигателя, установленный коаксиально в наружном кожухе двигателя. Внутренний кожух двигателя имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружного кожуха двигателя, образующего камеру обмоток. Катушечные обмотки установлены в камере обмоток, погруженными в диэлектрическую текучую среду, содержащуюся в камере обмоток. Приводной механизм установлен во внутреннем кожухе двигателя, приводной механизм содержит вал с множеством магнитов, проходящих по длине вала. Электропитание, подаваемое на катушечные обмотки, обеспечивает линейное перемещение приводного механизма вдоль оси. Приводной механизм функционально соединен с плунжером для обеспечения хода вверх и хода вниз плунжера.

Расширительная камера может соединяться с наружным кожухом двигателя. Расширительная камера имеет перемещающийся элемент, который содержит диэлектрическую текучую среду. Перемещающийся элемент перемещается, реагируя на перепад между давлением скважинной текучей среды снаружи расширительной камеры и давлением диэлектрической текучей среды. Проход для сообщения диэлектрической текучей средой ведет из расширительной камеры в камеру обмоток, создавая сообщение с диэлектрической текучей средой в камере обмоток. Двигатель может иметь проход скважинной текучей среды двигателя, продолжающийся во внутреннее пространство внутреннего кожуха двигателя для погружения приводного механизма в скважинную текучую среду.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания признаков, преимуществ и задач изобретения, а также других позиций, требующих разъяснения, приведено более подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи вариантов осуществления изобретения, кратко изложенного выше, чертежи являются частью подробного описания. Следует отметить, вместе с тем, что чертежи иллюстрируют только предпочтительный вариант осуществления изобретения и не должны считаться ограничивающим его объем, поскольку изобретение может допускать другие равно эффективные варианты осуществления.

На фиг. 1 показан вид сбоку первого варианта осуществления компоновки электрического погружного насоса данного изобретения, установленного в скважине.

На фиг. 2A и 2B представлено сечение насоса компоновки насоса фиг. 1.

На фиг. 3 показано поперечное сечение насоса фиг. 2 по линии 3 – 3 фиг. 2A и 2B.

На фиг. 4 показано поперечное сечение насоса фиг. 2 по линии 4 - 4 фиг. 2A и 2B.

На фиг. 5A и 5B представлено сечение линейного двигателя компоновки насоса фиг. 1.

На фиг. 6 схематично показан второй вариант осуществления компоновки электрического погружного насоса данного изобретения, установленной в скважине.

На фиг. 7A и 7B представлено сечение насоса компоновки фиг. 6.

На фиг. 8 показано сечение насоса фиг. 7A и 7B, плунжер показан в другом положении.

На фиг. 9 показан в изометрии третий вариант осуществления насоса данного изобретения.

На фиг. 10A и 10B представлено сечение четвертого варианта осуществления насоса данного изобретения.

На фиг. 11A, 11B и 11C представлено сечение линейного электрического двигателя, соединенного с насосом фиг. 10A и 10B.

На фиг. 12 показано сечение части блока расширительной камеры для применения с двигателем фиг. 11A - 11C.

Подробное описание изобретения

Способы и системы настоящего изобретения описаны более полно ниже в данном документе со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны варианты осуществления. Способы и системы настоящего изобретения могут иметь много отличающихся форм и не должны считаться ограниченными иллюстративными вариантами осуществления, изложенными в данном документе; напротив, данные варианты осуществления обеспечивают глубину и полноту раскрытия и должны давать полное представление его объема специалисту в данной области техники. Одинаковые цифры относятся к одинаковым элементам по всему описанию.

Также понятно, что объем настоящего изобретения не ограничен показанными и описанными конкретными деталями конструкции, работы, конкретными материалами или вариантами осуществления, поскольку модификации и эквиваленты понятны специалисту в данной области техники. В чертежах и описании раскрыты иллюстративные варианты осуществления и, хотя использованы конкретные термины, они применяютcя только в видовом и описательном смысле и не для ограничения.

Показанная на фиг. 1 скважина 11 имеет обсадную колонну 13, проперфорированную для приема скважинной текучей среды. Компоновка 15 насоса показана закрепленной на эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб, спущенной в скважину 11. Альтернативно, компоновку 15 насоса может нести другая конструкция, например гибкая насосно-компрессорная труба. Хотя компоновка 15 насоса показана установленной вертикально, ее можно устанавливать в наклонно-направленной или горизонтальной секции скважины 11. Компоновку 15 насоса можно применять для подачи скважинной текучей среды на прием верхней компоновки насоса (не показано), установленной над ней.

Компоновка 15 насоса включает в себя линейный двигатель 19, соединенный с нижним концом поршневого насоса 21. Термины “верхний” и “нижний” применяютcя в данном документе только для удобства, поскольку компоновку 15 насоса можно ориентировать горизонтально. Силовой кабель 23 проходит вниз от оборудования устья скважины к двигателю 19 для подачи электропитания. В данном примере компоновка 15 насоса является реверсивной, имеющий верхний прием 25 и нижний прием 27, оба расположенные над линейным двигателем 19. Альтернативно, компоновка 15 насоса может являться нереверсивный и, если так, предпочтительно рабочий ход, которым поднимается скважинная текучая среда по насосно-компрессорной трубе 17, происходит во время хода вниз и заполняющий ход для впуска текучей среды в насос 21 во время хода вверх.

Как показано на фиг. 5B, двигатель 19 имеет нижний конец или основание 29. Цилиндрический наружный кожух 31 имеет нижний конец, который крепится к основанию 29. Цилиндрический внутренний кожух 33 коаксиально установлен на основание 29 в наружном кожухе 31 вдоль продольной оси 32 компоновки 15 насоса. Комплект электрoмагнитных катушек или обмоток 35 установлен в кольцевом пространстве 34 между внутренним и наружным кожухами 33, 31. Катушки 35 могут иметь устройство со щелями или без щелей. Нижний конец катушки 35 отнесен вверх от основания 29 на заданное расстояние.

Приводной механизм 37 во внутреннем кожухе 33 содержит вал с постоянными магнитами 39, расположенными по его длине. Приводной механизм 37 перемещается линейно во внутреннем кожухе 33 вдоль оси 32, реагируя на электрoмагнитное поле, генерируемое катушками 35, действующее на магниты 39. Управляющая цепь (не показано), установленная смежно с оборудованием устья скважины, циклически подает электропитание на катушку 35 для обеспечения хода приводного механизма 37 вверх и вниз. Расстояние от самого верхнего магнита 39 до самого нижнего магнита 39 составляет около удвоенной аксиальной длины катушек 35. Альтернативно, аксиальное расстояние между самым верхним и самым нижним магнитами 39 может составлять половину аксиальной длины катушек 35. Магниты 39 показаны с наружными диаметрами больше диаметра приводного механизма 37. Магниты 39 могут скользить по внутренней поверхности внутреннего кожуха 33, вместе с тем, они не образуют уплотнений с внутренним кожухом 33. Магниты 35 могут намагничиваться радиально, аксиально или как в магнитной сборке Халбаха.

Диэлектрическая смазка, если необходимо, может располагаться во внутреннем кожухе 33, изолировано от скважинной текучей среды в пространстве снаружи двигателя 19. При этом, выполнение ходов приводного механизма 37 не оказывает перекачивающего действия на смазку во внутреннем кожухе 33. Аналогично, изолированная диэлектрическая текучая среда может располагаться в кольцевом пространстве 34 между внутренним кожухом 33 и наружным кожухом 31, если необходимо, изолированной от любой смазки во внутреннем кожухе 33. Если необходимо, уравнитель давления или расширительная камера (не показано) должна сообщать гидростатическое давление текучей среды в скважине любой смазке и/или диэлектрической текучей среде, содержащейся в наружном кожухе 31 и внутреннем кожухе 33.

Соединительная штанга 41, установленная на оси 32, соединяется с приводным механизмом 37 соединительным устройством 43. Как показано на фиг. 5A, внутренний кожух 33 крепится с уплотнением к нижнему концу крышки 45 двигателя. Соединительная штанга 41 проходит через верхний конец внутреннего кожуха 33 и через крышку 45 двигателя. Соединительная штанга 41 проходит с уплотнением через аксиальный проход в крышке 45 двигателя. Силовой кабель 23 соединяется с двигателем 19 кабельной соединительной муфтой 47. Питающие провода двигателя (не показано) проходят от кабельной соединительной муфты 47 через кольцевое пространство 34 на катушки 35. Крышка 45 двигателя имеет соединительное устройство 49 на своем верхнем конце, которое может содержать резьбу, либо внутреннюю, как показано, или наружную. Альтернативно, можно использовать соединяющиеся болтами фланцы.

Как показано на фиг. 2B, насос 21 имеет основание 53 на своем нижнем конце, которое соединяется с соединительным устройством 49 двигателя, например, резьбой или фланцами с болтами. Насос 21 имеет кожух 55, цилиндрический и концентрический относительно оси 32. Насос 21 имеет верхний клапанный узел 57, который содержит верхний прием 25, и нижний клапанный узел 59, который содержит нижний прием 27. Цилиндр 61 проходит коаксиально между верхним клапанным узлом 57 и нижним клапанным узлом 59 в кожухе 55 насоса. Верхний клапанный узел 57 соединяется с эксплуатационной колонной 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1) и имеет выкидной проход 63 насоса на своем верхнем конце, сообщающийся с внутренним пространством насосно-компрессорной трубы 17. Кожух 55 насоса и цилиндр 61 образуют кольцевое пространство 65 насоса между собой. Поршень или плунжер 67 насоса взаимодействует с возможностью скольжения с внутренним диаметром цилиндра 61. Соединительная штанга 41 соединяется с нижним концом плунжера 67, обеспечивая плунжеру 67 ход в унисон с приводным механизмом 37 двигателя(фиг. 5B).

Верхний клапанный узел 57 включает в себя верхний клапанный корпус 68, имеющий верхний приемный клапан 69, который расположен в проходе, параллельном оси 32 и смещенном от нее. Верхний приемный клапан 69 является обратным клапаном, который может принадлежать к различным типам. В данном примере верхний приемный клапан 69 имеет шар 71, который перемещается между седлом 73 сверху и клеткой 75 снизу. Верхний прием 25 расположен сверху и ведет вниз к седлу 73 верхнего приемного клапана 69.

Верхний переводник 70 крепится между верхним клапанным корпусом 68 и верхним концом кожуха 55 насоса резьбовыми соединениями или фланцевым соединением. Верхний переводник 70 можно выполнять интегрально с верхним клапанным корпусом 68. Верхний переводник 70 имеет верхний приемный проход 77, который проходит вверх и наружу от нижнего до верхнего конца верхнего переводника 70. Приемный проход 77 верхнего переводника имеет нижний конец, сообщающийся текучей средой с внутренним пространством цилиндра 61, и верхний конец, сообщающийся текучей средой с нижней стороной верхнего приемного клапана 69. Когда плунжер 67 осуществляет ход вниз, шар 71 опирается на клетку 75 клапана, и скважинная текучая среда проходит через верхний прием 25, верхний приемный клапан 69 и в цилиндр 61 над плунжером 67.

Верхний клапанный узел 57 имеет верхний выкидной клапан 79, смещенный от оси 32 в направлении противоположном верхнему приемному клапану 69. Верхний выкидной клапан 79 может являться идентичным верхнему приемному клапану 69, но перевернутым. Выкидной проход 81 верхнего переводника в верхнем переводнике 70 проходит вверх и наружу из внутреннего пространства цилиндра 61 в канал 83 верхнего выкидного клапана в верхнем клапанном корпусе 68. Канал 83 верхнего выкидного клапана проходит в выкидной проход 63 насоса. Верхний выкидной клапан 79 установлен в канале 83 верхнего выкидного клапана, и когда плунжер 67 осуществляет ход вверх, скважинная текучая среда в цилиндре 61 над плунжером 67 проходит через выкидной проход 81 верхнего переводника, верхний выкидной клапан 79 и в выкидной проход 63 насоса.

Как показано пунктирными линиями на фиг. 2A и в поперечном сечении фиг. 3, верхний проход 85 кольцевого пространства проходит из кольцевого пространства 65 через верхний переводник 70 и корпус 68 клапана в выкидной проход 63 насоса. Верхний проход 85 кольцевого пространства является параллельным и смещенным от оси 32 и канала 83 верхнего выкидного клапана. Верхний конец верхнего прохода 85 кольцевого пространства сообщается текучей средой с верхним концом канала 83 верхнего выкидного клапана над верхним выкидным клапаном 79. В данном примере верхний проход 85 кольцевого пространства проходит в выкидной проход 63 насоса, как показано на фиг. 3.

Показанный на фиг. 2B, нижний клапанный узел 59 имеет нижний клапанный корпус 89, который крепится, например, резьбовым соединением, к основанию 53 насоса. Нижний переводник 91 крепится к верхнему концу нижнего клапанного корпуса 89 и нижнему концу кожуха 55 насоса. Нижний приемный клапан 93, который может являться идентичным, но перевернутым относительно верхнего приемного клапана 69 (фиг. 5A) установлен в нижнем клапанном корпусе 89 смещенным от оси 32. Нижний приемный клапан 93 расположен над и сообщающимся текучей средой с нижним приемом 27. Приемный проход 95 нижнего переводника в нижнем переводнике 91 имеет верхний конец, сообщающийся текучей средой с внутренним пространством цилиндра 61 под плунжером 67. Приемный проход 95 нижнего переводника проходит вниз и наружу из цилиндра 61 в нижний приемный клапан 93. Когда плунжер 67 перемещается ходом вверх, скважинная текучая среда проходит через нижний прием 27, нижний приемный клапан 93 и приемный проход 95 нижнего переводника в цилиндр 61 под плунжером 67.

Нижний выкидной клапан 97 установлен в нижнем выкидном клапанном канале 99 в нижнем клапанном корпусе 89 параллельно и со смещением на 180 градусов от нижнего приемного клапана 93. Нижний выкидной клапан 97 может являться идентичным верхнему выкидному клапану 79 но перевернутым. Выкидной проход 101 нижнего переводника сообщается текучей средой с выкидной стороной нижнего выкидного клапана 97. Выкидной проход 101 нижнего переводника проходит вверх и внутрь через нижний переводник 91 со смещением от приемного прохода 95 нижнего переводника. Верхний конец выкидного прохода 101 нижнего переводника проходит из внутреннего пространства цилиндра 61 под плунжером 67 в нижний выкидной клапанный канал 99 над нижним выкидным клапаном 97.

Выкидная или нижняя сторона нижнего выкидного клапана 97 сообщается текучей средой с нижним проходом 103 кольцевого пространства (показано пунктирными линиями), который проходит через нижний переводник 91. Нижний проход 103 кольцевого пространства связывает нижнюю сторону выкидного клапана 97 с кольцевым пространством 65. Нижний проход 103 кольцевого пространства является параллельным и смещенным от нижнего выкидного клапанного канала 99, как показано на фиг. 4. Соединительный проход 105 в нижнем клапанном корпусе 89 проходит частично в направлении по окружности для соединения нижнего конца нижнего выкидного клапанного канала 99 и нижнего прохода 103 кольцевого пространства друг с другом.

В работе варианта осуществления, показанного на фиг. 1 - 5, цепь управления подает электропитание переменного тока в фазовом режиме на катушки 35 для взаимодействия с магнитами 39 для получения линейного перемещения вдоль оси 32 приводного механизма 37 двигателя (фиг. 5B). Приводной механизм 37 двигателя обеспечивает линейное перемещение плунжера 67 насоса (фиг. 2A и 2B). При условии, что перемещение происходит в направлении хода вверх, скважинная текучая среда проходит в нижнем приеме 27, через нижний приемный клапан 93 и приемный проход 95 нижнего переводника во внутреннее пространство цилиндра 61 под плунжером 67. Скважинная текучая среда в цилиндре 61 над плунжером 67 от предыдущего хода вниз выталкивается вверх во время хода вверх через выкидной проход 81 верхнего переводника и верхний выкидной клапан 79 в выкидной проход 63 насоса. Скважинная текучая среда в выкидном проходе 63 насоса проходит вверх в эксплуатационную колонну 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Перемещение вверх скважинной текучей среды в цилиндре 61 во время хода вверх плунжера 67 не приводит к выливанию из верхнего приема 25, поскольку верхний приемный клапан 69 должен закрываться шаром 71, сидящим в седле 73. Аналогично, во время хода вверх скважинная текучая среда, выкидываемая в выкид 63 насоса не стекает по верхнему проходу 85 кольцевого пространства в кольцевое пространство 65, поскольку выкидное давление на выкиде 63 насоса должно сообщаться с нижним выкидным клапаном 97, закрывая его. Данное выкидное давление на выкиде 63 насоса сообщается с кольцевым пространством 65, которое сообщается с нижней стороной нижнего выкидного клапана 97 через нижний проход 103 кольцевого пространства, соединительный проход 105 и нижний выкидной клапанный канал 99. Таким образом, во время хода вверх плунжера 67 нижний приемный клапан 93 и верхний выкидной клапан 79 открыты, и нижний выкидной клапан 97 и верхний приемный клапан 69 закрыты.

Датчики (не показано) должны передавать сигналы в цепь управления, когда приводной механизм 37 двигателя достигает верхнего конца хода вверх. Контроллер (не показано) координирует подачу питания на катушки 35 для обеспечения начала хода вниз приводного механизма 37. Во время хода вниз скважинная текучая среда проходит в верхнем приеме 25 через верхний приемный клапан 69 и приемный проход 77 верхнего переводника во внутреннее пространство цилиндра 61. Одновременно, скважинная текучая среда в цилиндре 61 под плунжером 67 должна выталкиваться на выход во время хода вниз. Выталкиваемая скважинная текучая среда проходит через выкидной проход 101 нижнего переводника и через нижний выкидной клапан 97 и соединительный проход 105 в нижний проход 103 кольцевого пространства. Скважинная текучая среда проходит вверх по нижнему проходу 103 кольцевого пространства в кольцевое пространство 65. Скважинная текучая среда проходит из кольцевого пространства 65 через верхний проход 85 кольцевого пространства к выкидному проходу 63 насоса и вверх по эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Выкидное давление во время хода вниз не вызывает выливания скважинной текучей среды из нижнего приема 27, поскольку должно обеспечивать закрытие нижнего приемного клапана 93. Выкидное давление в выкиде 63 насоса во время хода вниз не вызывает прохождения скважинной текучей среды через верхний выкидной клапан 79, поскольку должно закрывать верхний выкидной клапан 79. Таким образом, во время хода вниз нижний выкидной клапан 97 и верхний приемный клапан 69 открыты, а верхний выкидной клапан 79 и нижний приемный клапан 93 закрыты. Во время хода вниз соединительная штанга 41 работает на растяжение, хотя ход вниз является рабочим ходом, обеспечивающим подъем скважинной текучей среды в эксплуатационной колонне 17 насосно-компрессорных труб.

Второй вариант осуществления насоса показан на фиг. 6 – 8. Как показано на фиг. 6, реверсивно действующая компоновка 111 поршневого насоса установлена в стволе 113 скважины вдоль в общем вертикальной оси “A”. Хотя компоновка 111 насоса показана установленной в общем в вертикальной секции ствола 113 скважины, компоновку 111 насоса можно альтернативно устанавливать в наклонно-направленной или горизонтальной секции (не показано) ствола 113 скважины. Ствол 113 скважины имеет крепление обсадной колонной 115, которая проперфорирована или имеет отверстия 117 для обмена скважинной текучей средой с окружающим геологическим пластом “F”.

Компоновка 111 насоса показана закрепленной на эксплуатационной колонне 119 насосно-компрессорных труб, проходящей в корпусе 113 скважины в направлении к устью скважины от компоновки 111 насоса. Альтернативно, компоновку 111 насоса может нести гибкая насосно-компрессорная труба или другая конструкция с функциональными возможностями транспортировки скважинных текучих сред на площадку и с площадки на поверхности (не показано). Компоновка 111 насоса соединена с двигателем или исполнительным механизмом 121, установленным под ней, или со стороны забоя скважины от компоновки 111 насоса. Как описано более подробно ниже, исполнительный механизм 121 выполнен с функциональной возможностью аксиального перемещения соединительной штанги 123 компоновки 111 насоса в возвратно-поступательном режиме. Исполнительный механизм 121 может включать в себя погружной роторный электрический двигатель, имеющий преобразователь вращения в линейное перемещение, и может получать электропитание по электрическому кабелю (не показано), проходящему на площадку на поверхности. В других вариантах осуществления исполнительный механизм 121 может включать в себя гидравлический исполнительный механизм, электрический линейный двигатель или другие исполнительные механизмы с функциональными возможностями создания линейного возвратно-поступательного движения соединительной штанги 123.

В работе варианта осуществления фиг. 6 - 8 исполнительный механизм 121 активируется для перемещения соединительной штанги 123 попеременно ходом вниз (в направлении к забою скважины) и ходом вверх (в направлении к устью скважины). Как описано более подробно ниже, ход вниз втягивает скважинную текучую среду внутрь компоновки насоса через впускные окна 125. Скважинная текучая среда, движущаяся в направлении к впускным окнам 125 между обсадной колонной 115 и компоновкой 111 насоса по направлению стрелок “L”, образует поток относительно низкого давления. Скважинная текучая среда меняет направление на обратное после входа во впускные окна 125. Данный реверс может вызывать сепарирование газа от жидкости в скважинной текучей среде аналогично работе газового сепаратора с реверсом потока для минимизации объема газа, входящего в компоновку 111 насоса. Ход вниз также обеспечивает давление для выкида скважинной текучей среды из компоновки 111 насоса в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб. Скважинная текучая среда, движущаяся в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб по направлению стрелок “H”, создает поток относительно высокого давления. Во время хода вверх происходит обмен скважинных текучих сред в компоновке 111 насоса. Путь потока, проходящего через компоновку насоса, описан ниже.

Как понятно специалисту в данной области техники, рабочий ход или ход вниз создает растяжение соединительной штанги 123, а ход заполнения или ход вверх создает сжатие соединительной штанги. Величина сжатия при ходе вверх меньше величины растяжения при ходе вниз, поскольку ход вверх служит в основном для обмена текучих сред в компоновке 111 насоса в “цикле пополнения”, а ход вверх является “рабочим циклом” сообщения энергии скважинной текучей среде для перемещения к устью скважины через эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб. Такое устройство снижает вероятность выпучивания соединительной штанги 123 во время работы, и таким образом обеспечивает надежную работу компоновки 111 насоса.

Показанная на фиг. 7A и 7B, компоновка 111 насоса включает в себя кольцевой кожух 131 насоса, имеющий верхний конец 131a и нижний конец 131b. Связанные термины, например, “верхний”, “нижний” и т.п. применяютcя в данном документе только для удобства, поскольку компоновка 111 насоса также является работоспособной в горизонтальной или наклонно-направленной ориентации, как указано выше. Крышка 133 насоса соединена с верхний концом 131а кожуха 131 насоса. Крышка 133 насоса включает в себя центральную внутреннюю камеру 135, которая сообщается текучей средой с впускными окнами 125. Выкидные окна 137 проходят через крышку 133 насоса и радиально разнесены по окружности внутренней камеры 135. Выкидные окна 137 сообщаются текучей средой с соединительным устройством 139, выполненным в крышке 133, что обеспечивает механическое и гидравлическое соединение компоновки 111 насоса с эксплуатационной колонной 119 насосно-компрессорных труб (фиг. 1).

Всасывающий клапан 143 соединен с крышкой 133 насоса и подвешен на ней неподвижно или стационарно в кожухе 131 насоса. Всасывающий клапан 143 включает в себя уплотнительный элемент 145, с функциональными возможностями избирательно обеспечивать или сдерживать прохождение потока скважинных текучих сред через всасывающий клапан 143. Как показано, уплотнительный элемент 145 является шаром, пассивно функционирующим, открывая и обеспечивая прохождение потока скважинной текучей среды через всасывающий клапан 143, когда давление под всасывающим клапаном 143 меньше давления над всасывающим клапаном 143, что должно возникать во время хода вниз. Наоборот, уплотнительный элемент 145 пассивно закрывается с упором в седло, когда давление под всасывающим клапаном 143 больше давления над всасывающим клапаном 143, что возникает во время хода вверх. Альтернативно, уплотнительный элемент 145 может являться дроссельной заслонкой, или другим механизмом с пассивным или активным управлением для открытия во время хода вниз, и закрытия во время хода вверх.

Цилиндр 149 насоса проходит под всасывающий клапан 143 в кожух 131 насоса. Цилиндр 149 насоса сконструирован, как трубчатый корпус с резьбами, выполненными на его верхнем и нижнем концах. Резьба на верхнем конце цилиндра 149 насоса свинчивается с первым адаптером 151, который соединен с всасывающим клапаном 143 вторым адаптером 153. Внутренняя полость 155 образована на внутреннем пространстве цилиндра 149 насоса, и кольцевой проход 157 образован между цилиндром 149 насоса и кожухом 131 насоса. Внутренняя полость 155 сообщается текучей средой с всасывающим клапаном 143, и кольцевой проход 157 сообщается текучей средой с выкидными окнами 137, выполненными в крышке 133 насоса. Перенаправляющие окна 159 выполнены проходящими через трубчатый корпус цилиндра 149 насоса, и сообщаются текучей средой с кольцевым проходом 157. Резьба на нижнем конце цилиндра 149 насоса свинчивается с муфтовым элементом 161.

Муфтовый элемент 161 также соединен с нижним концом 131b кожуха 131 насоса резьбой. Муфтовый элемент 161, таким образом, поддерживает радиальное разделение между цилиндром 149 насоса и кожухом 131 насоса. Соединительная штанга 123 радиально окружена муфтовым элементом 161, который в некоторых вариантах осуществления может включают в себя направляющие фланцы 163, при этом муфтовый элемент 161 служит в качестве подшипника для опирания возвратно-поступательно перемещающейся аксиально соединительной штанги 123. Муфтовый элемент 161 несет элемент 165 основания на своем нижнем конце. Элемент 165 основания вмещает уплотнение 167, которое взаимодействует с соединительной штангой 123 и работает, изолируя скважинные текучие среды снаружи компоновки 111 насоса от скважинных текучих сред относительно более высокого давления внутри компоновки 111 насоса. Уплотнение 167 также работает, предотвращая попадание скважинной текучей среды в исполнительный механизм 121 (фиг. 1). Уплотнение 167 может включают в себя эластомерные кольца круглого сечения, сильфонные элементы или другие устройства динамического уплотнения известные в технике для уплотнения вокруг возвратно-поступательно перемещающегося элемента.

С верхним концом соединительной штанги 123, соединен перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175. Каждый из следующего: перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175 возвратно-поступательно перемещаются с соединительной штангой 123 в цилиндре 149 насоса, и установлены с плотным прилеганием в цилиндре 149 насоса. Перфорированный цилиндр 171 включает в себя радиальные отверстия 177, выполненные в нем, через которые скважинная текучая среда может проходить. Плунжер 173 включает в себя аксиальное отверстие 179, проходящее через него, которое осуществляет сообщение текучей средой перфорированного цилиндра 171 и подвижного клапана 175. Подвижный клапан 175 включает в себя уплотнительный элемент 181, который выполнен с функциональными возможностями открываться во время хода вверх и закрываться во время хода вниз. Как показано, уплотнительный элемент 181 является шаром, расположенным под седлом так, что более высокое давление под шаром, напр., в аксиальном отверстии 179, чем над шаром, например, во внутренней полости 155, заставляет шар уплотняться на седле. Как описано ниже, уплотнительный элемент 181 пассивно открывается и закрывается в ответ на перепад давления, создаваемый возвратно-поступательным перемещением соединительной штанги 123.

В работе во время хода вниз исполнительный механизм 121 тянет вниз всех, соединительную штангу 123, перфорированный цилиндр 171, плунжер 173 и подвижный клапан 175, (фиг. 1) из конфигурации, показанной на фиг. 7A и 7B, в направлении к конфигурации, показанной на фиг. 8. Поскольку по меньшей мере плунжер 173 входит с плотным прилеганием в цилиндр 149 насоса, данное движение вниз нагнетает давление в скважинных текучих средах под уплотнительным элементом 181, и при этом удерживает подвижный клапан 175 в закрытой конфигурации во время хода вниз. Скважинная текучая среда под уплотнительным элементом 181 выталкивается вниз и проходит через перенаправляющие окна 159, при этом скважинная текучая среда меняет направление на обратное в кольцевом проходе 157. В верхней части кольцевого прохода 157 скважинная текучая среда входит в выкидные окна 137, выполненные в крышке 133 насоса и выходит из компоновки 111 насоса. Выкидываемая скважинная текучая среда проходит в эксплуатационную колонну 119 насосно-компрессорных труб (фиг. 1) и на устье скважины в направлении к площадке на поверхности.

Также во время хода вниз разрежение или уменьшенное давление генерируется над уплотнительным элементом 181 подвижного клапана 175. Данное создает давление во внутренней полости 155 над подвижным клапаном 175 ниже давления во внутренней камере 135 крышки 133 насоса. Данный перепад давления обуславливает выход уплотнительного элемента 145 из сцепления со своим седлом и обеспечивает проход скважинной текучей среды через всасывающий клапан 143. Скважинная текучая среда, таким образом, проходит в компоновку 111 насоса через впускные окна 125 и через внутреннюю камеру 135 крышки 133 насоса, а затем через стационарный клапан 143. Данный поток текучей среды заполняет внутреннюю полость 155 скважинной текучей средой.

Когда ход вниз завершен, начинается ход вверх, поскольку исполнительный механизм 121 (фиг. 6) меняет на обратное направление перемещения соединительной штанги 123, перфорированного цилиндра 171, плунжера 173 и подвижного клапана 175. Данное перемещение вверх увеличивают давление над плунжером 173, и при этом вызывает выход уплотнительного элемента 181 из сцепления со своим седлом и открытие подвижного клапана 175. Данное увеличение давления над плунжером 173 вызывает закрытие всасывающего клапана 143 и обеспечивает проход скважинной текучей среде, вошедшей во внутреннюю полость 155 во время предыдущего хода вверх, через подвижный клапан 175 и через аксиальное отверстие 179 плунжера 173. Ход вверх, таким образом, обеспечивает пополнение объема под плунжером скважинной текучей средой, и данную текучую среду получают после последующего хода вверх. Цикл хода вниз и хода вверх повторяется для получения скважинных текучих сред на устье скважины.

На фиг. 9 показан третий вариант осуществления насоса. При отличающейся конструкции компоновка 201 насоса является аналогичной в работе компоновке 111 насоса, описанной выше. Компоновка 201 насоса включает в себя крышку 203 насоса и элемент 205 основания, несущий наружный кольцевой кожух 207 насоса и внутренний кольцевой цилиндр 209 насоса между ними. Всасывающий клапан 211 соединен с крышкой 203 насоса, и подвижный клапан 213 соеди