RU2319864C1 - Well pumping unit - Google Patents

Abstract

FIELD: oil producing industry.

SUBSTANCE: invention relates to well pumping units employing submersible electric motors. Proposed pumping unit contains submersible electric motor to drive pump installed in well on tubing string. Valve is installed on tubing string higher than pump to bypass medium pumped out of well from pump output to well annulus through bypass hole. Said bypass valve is made in form of hollow cylindrical lock installed coaxially with tubing string for axial displacement relative to bypass hole. Said cylindrical lock is furnished with minimum one ring sealing member with cutting edge to engage with inner surface of tubing string in zone of displacement. Cylindrical lock is connected by mechanical tie-rod with electric drive connected to control device and furnished with minimum one pressure transmitter.

EFFECT: improved reliability of operation of well pumping unit.

1 dwg

Description

Изобретение относится к скважинным насосным установкам, в частности к насосным установкам с использованием погружных электродвигателей, предназначенных для добычи из скважины жидких сред, например нефти.The invention relates to downhole pumping units, in particular to pumping units using submersible motors designed to produce liquid media from a well, such as oil.

При добыче из скважины жидких сред, если давление на входе ниже критического или уровень жидкости окажется ниже входа насоса, в насос может попасть значительное количество свободного газа, что приведет к срыву подачи насоса. Последнее возможно, когда подача насоса больше дебита скважины. Аналогичное происходит в случаях, когда перекрыт проход для перекачиваемой среды после выхода насоса (например, по причине запарафирования, наличия ледяной пробки, перекрытия запорной арматуры на выкидной линии), или когда давление на выходе насоса превышает давление, развиваемое насосом при его работе параллельно с другими насосами.When producing liquid from a well, if the inlet pressure is lower than critical or the liquid level is lower than the pump inlet, a significant amount of free gas can enter the pump, which will disrupt the pump. The latter is possible when the pump flow is greater than the flow rate of the well. A similar situation occurs when the passage for the pumped medium is blocked after the pump exit (for example, due to paraffin, ice plugs, shut-off valves on the flow line), or when the pressure at the pump outlet exceeds the pressure developed by the pump when it is running in parallel with other pumps.

При этом подача насоса падает до нуля. Процесс срыва подачи является устойчивым и без принятия специальных мер переход установки на нормальный режим практически невозможен. Работа установки в режиме срыва подачи приводит, в первую очередь, к перегреву электродвигателя, насоса и кабеля подвода электроэнергии в районе насоса. Кроме того, отдельные узлы насоса будут работать в режиме сухого трения. Все это приводит к резкому снижению долговечности и надежности установки.In this case, the pump flow drops to zero. The process of disruption of the feed is stable and without special measures, the transition of the installation to normal mode is almost impossible. The operation of the installation in the mode of interruption of supply leads, first of all, to overheating of the electric motor, pump and power supply cable in the area of the pump. In addition, individual pump units will operate in dry friction mode. All this leads to a sharp decrease in the durability and reliability of the installation.

В настоящее время для защиты от срыва подачи при эксплуатации установок погружных центробежных электронасосов предусмотрено автоматическое отключение питания электродвигателя при его недогрузке или падению давления на устье скважины (признаки срыва подачи) и последующее включение. Однако этот прием не всегда обеспечивает надежную защиту от срыва подачи (от перегрева).Currently, to protect against feed failure during operation of submersible centrifugal electric pump installations, automatic power off of the electric motor is provided when it is underloaded or when pressure drops at the wellhead (signs of feed failure) and subsequent switching on. However, this technique does not always provide reliable protection against feed failure (from overheating).

Известна скважинная насосная установка, в которой установлено устройство для устранения "газовой пробки", которое включает в себя трубопровод, соединяющий верхнюю часть насоса с его входом и узел типа обратного клапана, в котором запорный элемент (плунжер) выполняет одновременно роль золотника по отношению к входу указанного трубопровода (см. патент US №2219635, кл. 415-11, 1940).A well-known pumping installation, in which a device for eliminating a "gas plug" is installed, which includes a pipeline connecting the upper part of the pump with its inlet and a check valve-type assembly in which the shut-off element (plunger) simultaneously acts as a spool with respect to the inlet the specified pipeline (see US patent No. 21919635, CL 415-11, 1940).

При нормальной подаче плунжер поднимается и перекрывает вход в трубопровод. При снижении подачи ниже определенного уровня плунжер опускается и перекрывает выход насоса, и открывает вход в перепускной трубопровод из полости за обратным клапаном. В результате газожидкостная смесь поступает из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) на вход насоса. Насос в это время продолжает работать в безрасходном режиме - режиме срыва подачи. Следовательно, поступающая из НКТ на его вход смесь будет выходить в затрубное пространство. Выход насоса из состояния срыва подачи будет происходить за счет снижения перепада давления подпора на выходе насоса и его входе по причине повышения уровня жидкости в затрубном пространстве и снижения его в НКТ при перетекании ее из НКТ в затрубное пространство, а также повышения давления на выходе непосредственно за счет подачи смеси через перепускной трубопровод. Однако последняя составляющая не будет оказывать определяющего влияния по причине недостаточно больших расходов через перепускной трубопровод. Поэтому насос будет работать длительное время в режиме срыва подачи, прежде чем будет достигнуто соотношение давлений на выходе и входе насоса, при котором он выйдет из состояния срыва подачи. Недостатком этого устройства является также то, что при выключении установки жидкость из колонны НКТ будет вытекать через перепускное отверстие.During normal feed, the plunger rises and closes the inlet to the pipeline. When the supply drops below a certain level, the plunger lowers and blocks the pump outlet, and opens the entrance to the bypass pipe from the cavity behind the non-return valve. As a result, the gas-liquid mixture flows from the tubing string to the pump inlet. At this time, the pump continues to operate in a non-expendable mode - feed cut-off mode. Consequently, the mixture coming from the tubing to its inlet will exit into the annulus. The pump will exit the feed stall condition by reducing the pressure drop across the pump outlet and its inlet due to an increase in the liquid level in the annulus and its decrease in the tubing when it flows from the tubing to the annulus, as well as an increase in the outlet pressure directly behind the flow of the mixture through the bypass pipe. However, the latter component will not have a decisive influence due to insufficiently high costs through the bypass pipeline. Therefore, the pump will work for a long time in the mode of stalling, before the ratio of the pressures at the outlet and inlet of the pump is reached, at which it will exit the state of stalling. The disadvantage of this device is that when the unit is turned off, liquid from the tubing string will flow out through the bypass hole.

Известна скважинная насосная установка, содержащая погружной центробежный электронасос с обратным клапаном для перепуска после выхода насоса газожидкостной смеси через перепускной клапан в затрубное пространство при наступлении срыва подачи, причем забор смеси осуществляется до обратного клапана (см. авторское свидетельство SU № 1147854, кл. F04D 13/10, 30.03.1985).A well-known downhole pump installation containing a submersible centrifugal electric pump with a check valve for bypassing the gas-liquid mixture after the pump exits through the bypass valve into the annulus when the feed is interrupted, the mixture is taken up to the check valve (see copyright certificate SU No. 1147854, class F04D 13 / 10, 03/30/1985).

Однако при работе данной скважинной насосной установки в процессе перепуска будет отсутствовать принудительное охлаждение электродвигателя, т.к. смесь движется с выхода насоса на его вход, не омывая электродвигатель. При длительной работе установки в режиме перепуска, что может иметь место при неустраняемых причинах срыва подачи, например, когда давление в системе выше, чем на выходе насоса, это будет приводить к перегреву и последующему отказу электродвигателя.However, during the operation of this downhole pumping unit during the bypass process, there will be no forced cooling of the electric motor, since the mixture moves from the outlet of the pump to its inlet without washing the electric motor. During long-term operation of the installation in bypass mode, which may occur for unremovable reasons for the supply failure, for example, when the pressure in the system is higher than at the pump outlet, this will lead to overheating and subsequent failure of the electric motor.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является скважинная насосная установка, содержащая установленные в скважине на колонне труб погружной электродвигатель для привода насоса и установленный на колонне труб выше насоса клапан для перепуска откачиваемой из скважины среды с выхода насоса в затрубное пространство скважины через перепускное отверстие (см. патент RU №2102633, кл. F04D 13/10, 20.01.1998).The closest to the invention in terms of technical essence and the achieved result is a downhole pump installation, comprising a submersible electric motor installed in the well on the pipe string for driving the pump and a valve mounted on the pipe string above the pump to transfer the medium pumped from the well from the pump outlet to the annulus of the well through the bypass hole (see patent RU No. 2102633, CL F04D 13/10, 01/20/1998).

В данной скважинной насосной установке перепуск смеси с выхода насоса осуществляется в затрубное пространство в районе расположения электродвигателя или ниже его, что дает возможность обеспечить принудительное охлаждение электродвигателя при работе ее в режиме перепуска и снижения потерь подачи в режиме подъема смеси. Однако конструкция клапана для перепуска не обеспечивает надежной работы установки в случае отложения на стенках клапана парафина и других отложений.In this borehole pumping unit, the mixture is bypassed from the pump outlet into the annulus at or below the location of the electric motor, which makes it possible to provide forced cooling of the electric motor when it is in bypass mode and to reduce supply losses in the mode of mixture lifting. However, the design of the bypass valve does not ensure reliable operation of the installation in case of deposition of paraffin and other deposits on the valve walls.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание скважинной насосной установки, которая обеспечивала бы удаление отложений в зоне расположения клапана для перепуска откачиваемой из скважины среды.The problem to which the present invention is directed, is the creation of a downhole pumping unit, which would ensure the removal of deposits in the valve location zone for bypassing the medium pumped out of the well.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности работы скважинной насосной установки.The technical result achieved by using the invention is to increase the reliability of a well pump installation.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что скважинная насосная установка содержит установленные в скважине на колонне труб погружной электродвигатель для привода насоса и установленный на колонне труб выше насоса клапан для перепуска откачиваемой из скважины среды с выхода насоса в затрубное пространство скважины через перепускное отверстие, при этом клапан для перепуска выполнен в виде установленного соосно колонне труб с возможностью осевого перемещения относительно перепускного отверстия полого цилиндрического затвора, снабженного, как минимум, одним кольцевым уплотнительным элементом с режущей кромкой для взаимодействия последней с внутренней поверхностью колонны труб в зоне перемещения относительно перепускного отверстия полого цилиндрического затвора, соединенного посредством механической тяги с электроприводом, подключенным к устройству управления, снабженному, как минимум, одним датчиком давления.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the well pump installation includes a submersible electric motor installed in the well on the pipe string to drive the pump and a valve mounted on the pipe string above the pump to transfer the medium pumped out of the well from the pump outlet to the annulus of the well through the bypass hole, while the bypass valve is made in the form of a pipe pipe installed coaxially with the possibility of axial movement relative to the bypass hole along a hollow cylindrical shutter equipped with at least one annular sealing element with a cutting edge for interaction of the latter with the inner surface of the pipe string in the movement zone relative to the bypass hole of the hollow cylindrical shutter connected by mechanical traction with an electric drive connected to a control device equipped with at least one pressure sensor.

В ходе анализа различного рода скважинных насосных установок была выявлена возможность обеспечить перепуск откачиваемой из скважины среды с выхода насоса в затрубное пространство скважины, например, в случае, когда подача насоса больше дебита скважины, даже в том случае, если в клапане перепуска на его стенках накопились отложения, которые препятствуют перемещению затвора клапана. Для этого затвор клапана посредством механической тяги соединен с электроприводом, мощность которого подобрана исходя из особенностей перекачиваемой скважинной насосной установкой среды, а следовательно, с учетом возможных отложений на стенках клапана для перепуска в зоне перемещения затвора. При этом для снижения нагрузки на электропривод затвора последний выполнен с, как минимум, одним кольцевым уплотнительным элементом с режущей кромкой, которая срезает слой отложений с внутренней поверхности колонны труб в зоне перемещения затвора. В то же время подключение электропривода затвора к устройству управления, снабженному, как минимум, одним датчиком, обеспечивает быстрое срабатывание клапана перепуска, предотвращая тем самым перегрев погружного электродвигателя насосной установки. В случае выполнения устройства управления с одним датчиком, последний предназначен для измерения разницы давления между давлением в колонне труб и в затрубном пространстве колонны труб. Если датчиков больше одного, например два датчика, то один датчик измеряет давление в затрубном пространстве колонны труб, а другой - в напорной трубе насоса. Датчик давления может быть установлен в месте измерения давления либо в герметичном отсеке вместе с блоком управления и иметь связь с внутренней полостью колонны труб и затрубным пространством колонны труб посредством герметичных трубок. В любом случае достигается точное срабатывание клапана перепуска при нарушении режима работы скважинной насосной установки.In the course of analysis of various types of downhole pumping units, it was found out that it is possible to transfer the medium pumped out of the well from the pump outlet to the annulus of the well, for example, when the pump flow is greater than the well flow rate, even if the bypass valve has accumulated on its walls deposits that impede the movement of the valve shutter. For this, the valve shutter is connected by a mechanical traction to an electric actuator, the power of which is selected based on the characteristics of the medium pumped by the borehole pumping unit, and therefore, taking into account possible deposits on the valve walls for bypass in the shutter movement zone. Moreover, in order to reduce the load on the shutter electric drive, the latter is made with at least one annular sealing element with a cutting edge, which cuts off the layer of deposits from the inner surface of the pipe string in the shutter movement zone. At the same time, connecting the shutter actuator to a control device equipped with at least one sensor ensures quick operation of the bypass valve, thereby preventing overheating of the submersible motor of the pump unit. In the case of a control device with one sensor, the latter is designed to measure the pressure difference between the pressure in the pipe string and in the annulus of the pipe string. If there are more than one sensors, for example two sensors, then one sensor measures the pressure in the annulus of the pipe string and the other in the pressure pipe of the pump. The pressure sensor can be installed in the place of pressure measurement or in a sealed compartment together with the control unit and can be connected to the internal cavity of the pipe string and the annular space of the pipe string by means of sealed tubes. In any case, the accurate operation of the bypass valve is achieved in case of violation of the operating mode of the downhole pump unit.

На чертеже представлен продольный разрез скважинной насосной установки.The drawing shows a longitudinal section of a downhole pumping unit.

Скважинная насосная установка содержит установленные в скважине на колонне труб 1 погружной электродвигатель 2 для привода насоса 3 и установленный на колонне труб 1 выше насоса 3 клапан 4 для перепуска откачиваемой из скважины среды с выхода насоса 3 в затрубное пространство скважины через перепускное отверстие 5. Клапан 4 для перепуска выполнен в виде установленного соосно колонне труб 1 с возможностью осевого перемещения относительно перепускного отверстия 5 полого цилиндрического затвора 6, снабженного, как минимум, одним кольцевым уплотнительным элементом 7 с режущей кромкой для взаимодействия последней с внутренней поверхностью колонны труб 1 в зоне перемещения относительно перепускного отверстия 5 полого цилиндрического затвора 6, соединенного посредством механической тяги 8 с электроприводом 9, подключенным к устройству управления 10, снабженному, как минимум, одним датчиком давления 11.The downhole pump installation comprises a submersible motor 2 installed in the borehole on the pipe string 1 to drive the pump 3 and a valve 4 mounted on the pipe string 1 above the pump 3 to transfer the medium pumped from the borehole from the outlet of the pump 3 to the annulus of the borehole through the bypass hole 5. Valve 4 for bypass is made in the form of a pipe column 1 installed coaxially with axial movement relative to the bypass hole 5 of the hollow cylindrical shutter 6, provided with at least one annular recess a sealing element 7 with a cutting edge for interaction of the latter with the inner surface of the pipe string 1 in the movement zone relative to the bypass hole 5 of the hollow cylindrical shutter 6 connected by a mechanical rod 8 with an electric actuator 9 connected to a control device 10 equipped with at least one pressure sensor eleven.

В обычном режиме работы скважинной насосной установки цилиндрический затвор 6 перекрывает перепускное отверстие 5 (может быть выполнено несколько перепускных отверстий 5). Насосом 3 откачиваемая из скважины жидкая среда по колонне труб 1 через клапан 4 перепуска подается на поверхность. При падении уровня откачиваемой из скважины жидкой среды ниже допустимого уровня, например когда подача насоса 3 больше дебита скважины, разница давления между давлением в колонне труб 1 выше насоса 3 и в затрубном пространстве скважины превышает допустимую величину, что фиксируется датчиками 11 давления. В результате, устройство управления 10 запускает электропривод 9, что вызывает перемещение цилиндрического затвора 6 и сообщение внутреннего пространства колонны труб 1 с ее затрубным пространством. Как результат, часть подаваемой насосом 3 из скважины жидкой среды начинает поступать в затрубное пространство, что приводит к повышению давления в затрубном пространстве и снижению разницы давления между давлением в колонне труб и в затрубном пространстве. При достижении заданной величины разницы указанных выше давлений по команде устройства управления 10 цилиндрический затвор 6 перемещается и перекрывает перепускное отверстие 5.In the normal mode of operation of the downhole pumping unit, a cylindrical shutter 6 overlaps the bypass hole 5 (several bypass holes 5 can be made). The pump 3 pumped out of the well liquid medium through the pipe string 1 through the bypass valve 4 is supplied to the surface. When the level of the liquid medium pumped out of the well falls below an acceptable level, for example, when the supply of pump 3 is greater than the flow rate of the well, the pressure difference between the pressure in the pipe string 1 above pump 3 and in the annulus of the well exceeds the permissible value, which is detected by pressure sensors 11. As a result, the control device 10 starts the electric drive 9, which causes the movement of the cylindrical shutter 6 and the message of the inner space of the pipe string 1 with its annular space. As a result, part of the liquid medium supplied by the pump 3 from the well begins to enter the annulus, which leads to an increase in pressure in the annulus and a decrease in the pressure difference between the pressure in the pipe string and in the annulus. Upon reaching the specified value of the difference of the above pressures at the command of the control device 10, the cylindrical shutter 6 moves and blocks the bypass hole 5.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для обеспечения надежной работы скважинных насосных установок.The present invention can be used in the oil industry to ensure reliable operation of downhole pumping units.

Claims (1)

Скважинная насосная установка, содержащая установленные в скважине на колонне труб погружной электродвигатель для привода насоса и установленный на колонне труб выше насоса клапан для перепуска откачиваемой из скважины среды с выхода насоса в затрубное пространство скважины через перепускное отверстие, отличающаяся тем, что клапан для перепуска выполнен в виде установленного соосно колонне труб с возможностью осевого перемещения относительно перепускного отверстия полого цилиндрического затвора, снабженного, как минимум, одним кольцевым уплотнительным элементом с режущей кромкой для взаимодействия последней с внутренней поверхностью колонны труб в зоне перемещения относительно перепускного отверстия полого цилиндрического затвора, соединенного посредством механической тяги с электроприводом, подключенным к устройству управления, снабженному, как минимум, одним датчиком давления.A downhole pump installation comprising a submersible electric motor installed in a borehole on a pipe string for driving a pump and a valve mounted on a pipe string above the pump to bypass the medium pumped from the borehole from the pump outlet into the annulus of the borehole through a bypass hole, characterized in that the bypass valve is made in in the form of a pipe pipe installed coaxially with the possibility of axial movement relative to the bypass hole of the hollow cylindrical valve, provided with at least one pipe a sealing ring element with a cutting edge for interaction of the latter with the inner surface of the pipe string in the movement zone relative to the bypass hole of the hollow cylindrical shutter, connected by mechanical traction to an electric drive connected to a control device equipped with at least one pressure sensor.