RU2559902C1

RU2559902C1 - Electric hydrostatic well pump aggregate for oil production

Info

Publication number: RU2559902C1
Application number: RU2014105284/06A
Authority: RU
Inventors: Константин Александрович Батышев; Георгий Михайлович Георгиевский; Мирослав Георгиевич Георгиевский; Руслан Георгиевич Георгиевский
Original assignee: Мирослав Георгиевич Георгиевский
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-20
Also published as: RU2014105284A

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: submersion pump aggregate is a sealed capsule where submersion motor with connected drive pump are placed. The aggregate features hydraulic motor with its main rod connected to the rod of operation pump located outside the sealed capsule and equipped with suction and pressure valve in the case top and bottom covers, respectively. Distributor is controlled mechanically by a cam mounted on a dummy rod of hydraulic motor and having the same diameter with the main rod, and used to supply high-pressure work fluid to the main rod cavity of the hydraulic motor. Check valve is installed in the operation pump stem to combine process and to ensure equal rate of oil suction and injection from reservoir. By safety bypass valve installed in HP line of dummy rod cavity of the hydraulic motor, the rate is reduced automatically when reservoir pressure drops. Bypass pressure is regulated by throttle equal to safety valve adjustment pressure with account of pump unit installation depth in the well and a value required to override vacuum evolving in the rod cavity of operation pump in the absence of reservoir pressure at that depth.

EFFECT: enhanced suction rate with changing reservoir pressure.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к насосным установкам (качалкам), предназначенным для подъема жидкостей с больших глубин, например нефти, при эксплуатации всевозможных скважин, в частности малодебитных скважин с осложненными характеристиками нефтяного пласта.The present invention relates to pumping units (pumping units) designed for lifting liquids from great depths, for example oil, during the operation of various wells, in particular low-yield wells with complicated characteristics of the oil reservoir.

Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат по патенту №2116512, далее агрегат, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной электродвигатель и приводной насос, а также рабочий насос (плунжерный гидроцилиндр) с всасывающим и нагнетательным клапанами, отличающийся тем, что снабжен гидродвигателем возвратно-поступательного действия, причем гидродвигатель и рабочий насос выполнены каждый в виде цилиндра и плунжера со штоком, штоки плунжеров соединены друг с другом, полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель с входом и выходом приводного насоса, всасывающий клапан размещен в плунжере, а нагнетательный - в верхней части цилиндра рабочего насоса, цилиндр и плунжер рабочего насоса имеют отверстия для приема добываемой нефти, при этом агрегат снабжен баком, имеющим компенсатор объема и соединенным с входом приводного насоса. Выход приводного насоса, т.е. линия высокого давления, поочередно соединяется с поршневой или штоковой полостями гидродвигателя посредством распределителя с механическим переключателем, связанным с плунжером гидродвигателя.Known borehole electrohydraulic pump unit according to patent No. 2116512, then a unit containing kinematically connected to each other a submersible electric motor and a drive pump, as well as a working pump (plunger hydraulic cylinder) with suction and discharge valves, characterized in that it is equipped with a reciprocating hydraulic motor, moreover, the hydraulic motor and the working pump are each made in the form of a cylinder and a plunger with a rod, the rods of the plungers are connected to each other, the cavity of the cylinder of the hydraulic motor are connected through h the distributor with the inlet and outlet of the drive pump, the suction valve is located in the plunger, and the discharge - in the upper part of the cylinder of the working pump, the cylinder and plunger of the working pump have openings for receiving the produced oil, while the unit is equipped with a tank having a volume compensator and connected to the inlet drive pump. Drive pump output, i.e. the high-pressure line is alternately connected to the piston or rod cavities of the hydraulic motor by means of a distributor with a mechanical switch connected to the plunger of the hydraulic motor.

Агрегат имеет регулятор расхода рабочей жидкости, который снабжен управляющим механизмом. Кроме того, регулятор может быть снабжен шаговым гидравлическим или электромагнитным приводом, управляемым с поверхности, что позволяет изменять подачу добываемой жидкости в автоматическом режиме в зависимости от гидростатического давления пласта или в режиме ручного управления с поверхности, что расширяет эксплуатационные возможности агрегата.The unit has a fluid flow control, which is equipped with a control mechanism. In addition, the regulator can be equipped with a stepped hydraulic or electromagnetic drive controlled from the surface, which allows you to change the flow of produced fluid in automatic mode depending on the hydrostatic pressure of the formation or in manual control from the surface, which expands the operational capabilities of the unit.

Недостатками известного агрегата являются теоретическая нецелесообразность применения регулятора расхода для регулирования скорости всасывающих (нефть) ходов плунжера рабочего насоса, естественно, сложность гидравлической принципиальной схемы агрегата в целом за счет применения регулятора расхода с управляющим дистанционно с поверхности механизмом, а также практическая невозможность его размещения вместе с механизмом управления в ограниченном пространстве герметичной капсулы, внутренний диаметр которой для глубин более 1,5 км, на которых должен эксплуатироваться данный агрегат, не может превышать 92 мм, а наружный - 103 мм.The disadvantages of the known unit are the theoretical inappropriateness of using a flow regulator to control the speed of the suction (oil) strokes of the plunger of the working pump, of course, the complexity of the hydraulic circuit diagram of the unit as a whole due to the use of a flow regulator with a mechanism remotely controlling the surface, as well as the practical impossibility of placing it together with the control mechanism in the limited space of the sealed capsule, the inner diameter of which for depths of more than 1.5 km, on which this unit is to be operated cannot exceed 92 mm, and the outer - 103 mm.

Если мы проанализируем работу рабочего насоса под действием штока поверхностной качалки, принудительно опускающего поршень рабочего насоса и с такой же скоростью тянущего его вверх, то отметим, что внутрипластовое давление при этом во внимание вообще не принимается. Как не принимается и наличие газов в нефтяном пласту. Что успело «засосаться» в рабочий насос, то и «вытолкнется» в нефтепровод скважины над рабочим насосом и поступит в последствии на поверхность.If we analyze the operation of the working pump under the action of the surface rocker rod, forcibly lowering the piston of the working pump and pulling it up at the same speed, we note that the in-situ pressure is not taken into account at all. As the presence of gases in the oil reservoir is not accepted. What managed to “suck” into the working pump, then it will “push out” into the oil pipeline of the well above the working pump and subsequently enter the surface.

При отсутствии внешней силы, воздействующей на плунжер рабочего насоса для его перемещения, таковой является давление рабочей жидкости от приводного насоса, подводимой к полостям гидродвигателя, шток которого кинематически соединен со штоком рабочего насоса. В этом случае скорость «всасывания» нефти штоковой полостью рабочего насоса и одновременно выталкивания нефти из поршневой полости в нефтепровод над рабочим насосом, т.е. скорость перемещения поршня вверх, будет меньше скорости перелива нефти из штоковой полости в поршневую при ходе поршня вниз из-за разности эффективных площадей поршневой и штоковой полостей гидродвигателя, что создает проблему еще большего уменьшения скорости «всасывания» при изменении пластового давления нефти.In the absence of external force acting on the plunger of the working pump to move it, such is the pressure of the working fluid from the drive pump supplied to the cavities of the hydraulic motor, the rod of which is kinematically connected to the rod of the working pump. In this case, the rate of oil “suction” by the rod cavity of the working pump and at the same time the oil is pushed from the piston cavity into the oil pipe above the working pump, i.e. the piston moves upward, it will be less than the oil overflow rate from the rod cavity into the piston cavity when the piston moves down due to the difference in the effective areas of the piston and rod cavities of the hydraulic motor, which creates the problem of an even greater decrease in the “suction” rate when the formation pressure of the oil changes.

В известном агрегате это снижение скорости должен осуществлять регулятор расхода. Но как его настроить, если сигнал будет запаздывать на несколько часов при глубине установки более 1,5 км? Как известно, производительность поверхностно установленной качалки не превышает 20 м куб. в сутки, а объем нефти, находящейся в скважине диаметром 10,3 см и глубиной 1500 м, равен 11-12 м куб. Предварительно настроить скорости можно на стенде с помощью регулятора расхода, а вот как решить задачу её снижения своевременно и на сколько, если пластовое давление нефти постоянно падает? Дистанционно, но именно в контроле этого процесса и своевременном реагировании и заключается проблема.In a known unit, this speed reduction should be carried out by the flow controller. But how to configure it, if the signal is delayed for several hours at a depth of installation of more than 1.5 km? As you know, the performance of a surface mounted rocker does not exceed 20 cubic meters. per day, and the volume of oil in the well with a diameter of 10.3 cm and a depth of 1,500 m is 11-12 m3. You can pre-adjust the speeds on the bench using the flow regulator, but how to solve the problem of its reduction in a timely manner and by how much if the reservoir oil pressure constantly drops? Remotely, but precisely in the control of this process and timely response is the problem.

Поставленная задача в предлагаемом изобретении достигается тем, что насосная установка, содержащая герметичную капсулу с погружным электродвигателем и соединенным с ним приводным многосекционным шестеренным гидронасосом с необходимыми в зависимости от глубины эксплуатации установки рабочим давлением нагнетания и производительностью, гидродвигатель возвратно-поступательного действия, основной шток которого соединен со штоком рабочего насоса, находящегося вне герметичной капсулы и оснащенного всасывающим и напорным клапанами, соответственно, в нижней и верхней крышке корпуса, распределитель с механическим управлением от кулачка, установленного на фальшштоке гидродвигателя, равного диаметра с основным штоком, служащего для подачи рабочей жидкости высокого давления в основную штоковую полость гидродвигателя, при этом в поршне рабочего насоса установлен обратный клапан (клапаны) для совмещения процесса и обеспечения равенства скорости всасывания и нагнетания нефти из пласта, при этом снижение этой скорости происходит автоматически с помощью предохранительно-перепускного клапана, установленного в линии высокого давления фальшштоковой полости гидродвигателя, давление перепуска в которой устанавливается дросселем равным давлению настройки предохранительного клапана, выполненного с учетом глубины установки насосного агрегата в скважине и величины, необходимой для преодоления возникающего вакуума в штоковой полости рабочего насоса при отсутствии пластового давления на этой глубине.The task in the present invention is achieved in that the pumping unit containing a sealed capsule with a submersible motor and a drive driven multi-section gear hydraulic pump connected to it with the working discharge pressure and capacity necessary depending on the operating depth of the installation, the reciprocating hydraulic motor, the main rod of which is connected with a working pump stem located outside the sealed capsule and equipped with suction and pressure valves, with Correspondingly, in the lower and upper housing cover, there is a mechanically controlled distributor from a cam mounted on a false stem of a hydraulic motor of equal diameter with the main rod, which serves to supply high pressure working fluid to the main rod cavity of the hydraulic motor, and a check valve is installed in the piston of the working pump ( valves) for combining the process and ensuring the equality of the rate of absorption and injection of oil from the reservoir, while reducing this speed occurs automatically using safety a bypass valve installed in the high pressure line of the false stem cavity of the hydraulic motor, the bypass pressure in which is set by the throttle equal to the setting pressure of the safety valve, taking into account the installation depth of the pump unit in the well and the value necessary to overcome the vacuum that arises in the rod cavity of the working pump in the absence of reservoir pressure at that depth.

На рисунке 1 представлена принципиальная гидравлическая схема скважинной электронасосной установки гидрообъемного типа действия.Figure 1 shows a schematic hydraulic diagram of a borehole electric pump installation of a hydrovolume type of action.

Насосная установка состоит из погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) 1, приводного гидронасоса 2, распределителя 3 с механическим управлением от кулачка 4, установленного на фальшштоке 5 гидродвигателя 6, служащего одновременно трубопроводом для подачи рабочей жидкости от распределителя 3 в штоковую полость 7 гидродвигателя 6. В линии высокого давления 8, питающей основную поршневую полость 9 гидродвигателя 6, установлен клапан предохранительно-переливной с дросселем 10. Шток 11 гидродвигателя 6 соединен со штоком 12 рабочего насоса 13, в крышках которого установлены всасывающие 14 и нагнетательные 15 клапаны, а в поршне 16 - обратные клапаны 17.The pump installation consists of a submersible induction motor (PED) 1, a hydraulic drive pump 2, a distributor 3 with mechanical control from a cam 4, mounted on a false stem 5 of a hydraulic motor 6, which simultaneously serves as a pipeline for supplying working fluid from the distributor 3 to the rod cavity 7 of the hydraulic motor 6. V a high pressure line 8 supplying the main piston cavity 9 of the hydraulic motor 6, a safety overflow valve with a throttle is installed 10. The stem 11 of the hydraulic motor 6 is connected to the stem 12 of the working pump 13, in the covers of which are equipped with suction 14 and pressure 15 valves, and in the piston 16 - non-return valves 17.

Предохранительный клапан 10 предварительно настраивается на давление, обеспечивающее выталкивание нефти на поверхность из глубины установки насосного агрегата, с учетом дополнительного давления, обеспечивающего неразрывность потока нефти, поступающей через проходное сечение всасывающих клапанов 14 в штоковую полость 18 рабочего насоса 13 при падении пластового давления до атмосферного.The safety valve 10 is pre-adjusted to a pressure that allows oil to be pushed to the surface from the depth of the pump unit installation, taking into account the additional pressure that ensures the continuity of the oil flow through the passage section of the suction valves 14 into the rod cavity 18 of the working pump 13 when the reservoir pressure drops to atmospheric pressure.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

Вращение от электродвигателя 1 приводит во вращение приводной гидронасос 2, который создает поток рабочей жидкости высокого давления, поступающий к распределителю 3 с механическим управлением, переключаемого кулачком 4, установленным на фальшштоке 5 гидродвигателя 6. Рабочая жидкость высокого давления поступает через фальшшток 5 в штоковую полость 7 гидродвигателя 6 и приводит в движение его поршень со штоком 11. Шток 11, соединенный со штоком 12 рабочего насоса 13, начинает тащить поршень рабочего насоса вниз, при этом находящаяся в штоковой полости 18 нефть через обратные клапаны 17 начинает перетекать в поршневую полость рабочего насоса 13. Это движение прекращается после переключения кулачком 4 распределителя полостей гидродвигателя 6. Жидкость высокого давления начинает поступать по линии высокого давления 8 в поршневую полость 9 гидродвигателя 6. Шток 11 толкает шток 12 и поршень 16 рабочего насоса 13 начинает выдавливать нефть из насоса через нагнетательные клапаны 15 в нефтепровод и одновременно засасывать её из нефтяного пласта в штоковую полость 18 через всасывающие клапаны 14. За счет предварительной настройки давления срабатывания предохранительного клапана с дросселем 10 устанавливается максимальная скорость перемещения поршня рабочего насоса, которая обеспечивает полное заполнение нефтью при всасывании штоковой полости рабочего насоса без срабатывания предохранительного клапана за счет пластового давления, помогающего процессу всасывания. А если пластовое давление начинает снижаться вплоть до атмосферного, то в штоковой полости рабочего насоса возникнет вакуум из-за возникающего эффекта разрыва потока засасываемой в насос нефти, при этом давление в фальшштоковой полости гидродвигателя начинает расти вплоть до величины настройки предохранительного клапана и равного ему давления перепуска, при этом часть расхода приводного насоса начнет сливаться во внутрь герметичной капсулы, скорость поршня рабочего насоса уменьшится и процесс разрыва потока прекратится. После переключения полостей гидродвигателя по завершению процесса нагнетания нефти в нефтепровод скважины и всасывания в штоковую полость рабочего насоса нефти из пласта поршень рабочего насоса возвращается вниз и в его поршневую полость начинает перетекать нефть из штоковой полости через обратные клапаны.Rotation from the electric motor 1 rotates the drive hydraulic pump 2, which creates a high-pressure working fluid flow coming to a mechanically controlled distributor 3 switched by a cam 4 mounted on the false stem 5 of the hydraulic motor 6. The high-pressure hydraulic fluid flows through the false stem 5 into the rod cavity 7 of the hydraulic motor 6 and drives its piston with the rod 11. The rod 11 connected to the rod 12 of the working pump 13 starts to drag the piston of the working pump down, while being in the rod Oil 18 through the check valves 17 begins to flow into the piston cavity of the working pump 13. This movement stops after the cam 4 switches the distributor of the hydraulic motor cavities 6. The high-pressure fluid begins to flow through the high pressure line 8 into the piston cavity 9 of the hydraulic motor 6. The rod 11 pushes the rod 12 and the piston 16 of the working pump 13 starts to squeeze the oil out of the pump through the discharge valves 15 into the oil pipe and at the same time draw it from the oil reservoir into the rod cavity 18 through the suction valves 14. By pre-setting the response pressure of the safety valve with throttle 10, the maximum speed of the piston of the working pump is established, which ensures full filling with oil when the rod cavity of the working pump is sucked without triggering the safety valve due to reservoir pressure that helps the suction process. And if the reservoir pressure starts to decrease down to atmospheric pressure, then a vacuum will appear in the rod cavity of the working pump due to the arising effect of a rupture of the flow of oil sucked into the pump, while the pressure in the false rod cavity of the hydraulic motor begins to increase up to the setting of the safety valve and the pressure equal to it , while part of the flow rate of the drive pump will begin to merge into the interior of the sealed capsule, the piston speed of the working pump will decrease and the process of flow discontinuity will stop. After switching the hydraulic motor cavities upon completion of the process of pumping oil into the oil pipeline of the well and suction into the rod cavity of the working oil pump from the reservoir, the piston of the working pump returns down and oil begins to flow from the rod cavity through the check valves into its piston cavity.

После срабатывания распределителя процесс нагнетания-всасывания повторяется.After the dispenser is activated, the pumping-suction process is repeated.

Claims

Погружная насосная установка, содержащая герметичную капсулу с электродвигателем и соединенным с ним гидронасосом, гидродвигатель, основной шток которого соединен со штоком рабочего насоса, находящегося вне герметичной капсулы и оснащенного всасывающим и напорным клапанами, соответственно, в нижней и верхней крышке корпуса, распределитель с механическим управлением от кулачка, установленного на фальшштоке гидродвигателя, равного диаметра с основным штоком, служащего для подачи рабочей жидкости высокого давления в основную штоковую полость гидродвигателя, при этом в поршне рабочего насоса установлен обратный клапан или клапаны для совмещения процесса и обеспечения равенства скорости всасывания и нагнетания нефти из пласта, а снижение этой скорости происходит автоматически с помощью предохранительно-перепускного клапана, установленного в линии высокого давления фальшштоковой полости, давление перепуска в которой устанавливается дросселем равным давлению настройки предохранительного клапана с учетом глубины установки насосного агрегата в скважине и величины, необходимой для преодоления возникающего вакуума в штоковой полости рабочего насоса при отсутствии пластового давления на этой глубине. Submersible pump installation containing a sealed capsule with an electric motor and a hydraulic pump connected to it, a hydraulic motor, the main stem of which is connected to the rod of the working pump located outside the sealed capsule and equipped with suction and pressure valves, respectively, in the lower and upper housing lid, a mechanically controlled distributor from a cam mounted on a false stem of a hydraulic motor of equal diameter with the main rod, used to supply high-pressure working fluid to the main rod hydraulic motor cavity, while a check valve is installed in the piston of the working pump or valves to combine the process and ensure equality of the rate of absorption and injection of oil from the reservoir, and this speed is reduced automatically by means of a safety bypass valve installed in the high pressure line of the false stem cavity, pressure the bypass in which the throttle is set equal to the pressure setting of the safety valve, taking into account the depth of installation of the pump unit in the well and the value necessary to overcome the emerging vacuum in the rod cavity of the working pump in the absence of reservoir pressure at this depth.