Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SUBMERSIBLE PUMP ASSEMBLY WITH LINEAR ELECTRIC MOTOR AND DOUBLE-ACTING PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/109568
Kind Code:
A1
Abstract:
A submersible pump assembly is proposed which consists of a filtration system for the inlet of well fluid, a gas gravity separator, a production tubing attachment head, a double-acting pump, a linear electric drive motor, a hydraulic protector, and a telemetry system, which are all accommodated in a single housing. The linear electric motor consists of a stationary part in the form of a stator, the working chamber of which is filled with a dielectric fluid, and a movable part in the form of a slider which consists of several sections diametrically offset from the central axis of the stator housing and is capable of reciprocating movement along a longitudinal axis. The double-acting pump consists of two plunger-cylinder assemblies; the movable parts of the pump, i.e. the plungers, are mechanically connected to the sections of the slider; and the stationary parts of the pump, i.e. the cylinders, are arranged as follows: one in the central part of the motor stator, and the other in the inner part of the hydraulic protector. The working chambers of the pump cylinders are connected to the external environment and to an outlet passage via a system of double-acting valves. The hydraulic protector is mounted in the lower part of the assembly and is connected to the working chamber of the stator via tubular channels, and to the external environment via a fill valve and a safety valve.

Inventors:
KHACHATUROV DMITRIJ VALEREVICH (UA)
Application Number:
PCT/IB2017/050433
Publication Date:
June 21, 2018
Filing Date:
January 27, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KHACHATUROV DMITRIJ VALEREVICH (UA)
International Classes:
F04B47/06; F04B17/03
Foreign References:
RU2535900C12014-12-20
EA009268B12007-12-28
Attorney, Agent or Firm:
MIKHAILYUK, SOROKOLAT AND PARTNERS - PATENT AND TRADEMARKS ATTORNEYS et al. (UA)
Download PDF:
Claims:
Формула

[Пункт 1 ] Погружная насосная установка, содержащая в едином корпусе

линейный электродвигатель, состоящий из неподвижной части в виде герметичного статора, заполненного диэлектрической жидкостью, содержащего трехфазную обмотку с установленными датчиками

температуры, и подвижной части, слайдера, при этом подвижная часть отличается тем, что состоит из нескольких секций, которые разнесены по окружности статора, выполнены с возможностью возвратно- поступательного движения относительно статора и имеют механическую связь с плунжерами насосов; при этом один из насосов расположен во внутренней полости статора, второй насос расположен в нижней части установки во внутренней полости гидропротектора; цилиндры насосов содержат гидродемпферы крайних точек хода; рабочие камеры насосов связаны между собой и имеют связь с внешней средой через фильтры, расположенные по обе стороны статора, и всасывающий клапан, а с выходной магистралью - через обратный клапан; и узел крепления скважинной насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб; по обе стороны статора установлены направляющие слайдеров,

изготовленные из антифрикционного материала, и датчики положения; установленная в нижней части телеметрическая система содержит датчики давления и температуры скважинной жидкости, датчик вибрации, инклинометр, блок измерения, связанный с датчиками температуры, установленными в статоре электродвигателя, при этом телеметрическая система связана с управляющим наземным блоком управления через нулевую точку обмоток электродвигателя.

[Пункт 2] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что магнитная система

организована тороидальными катушками статора, в зазоре которых расположены секции слайдера с постоянными магнитами. [Пункт 3] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что трехфазные обмотки статора выполнены секционированными катушками с тороидальной намоткой, а сердечник, расположенный внутри катушек, выполнен из шихтованного железа.

[Пункт 4] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что подвижная часть

линейного двигателя, слайдер, состоит из нескольких секций,

размещенных в полостях статора, которые разнесены по окружности, с возможностью возвратно-поступательного движения относительно статора, и которые имеют механическую связь с плунжерами насосов.

[Пункт 5] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что по обе стороны статора установлены направляющие слайдера, изготовленные из твердого материала, обладающего смазывающими свойствами, и которые

находятся в постоянном прижиме к секциям слайдера и обеспечивают перенос антифрикционного слоя на рабочие поверхности секций слайдера, тем самым обеспечивая минимальный износ трущихся поверхностей.

[Пункт 6] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что по обе стороны статора установлены датчики положения слайдера, имеющие электрическую связь с наземным блоком управления через нулевую точку обмоток электродвигателя, изолированный трехпроводный кабель и нулевую точку вторичной обмотки выходного трансформатора.

[Пункт 7] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит два

плунжерных насоса, при этом первый насос расположен во внутренней полости статора, а второй насос расположен в нижней части установки во внутренней полости гидрокомпенсатора, которые имеют связь рабочих объемов через внутреннюю полость плунжеров.

[Пункт 8] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что установленные на концах цилиндров гидродемпферы снабжены клапанно-дроссельным устройством и позволяют обеспечить защиту от ударов плунжера насосов при достижении крайних точек хода вверх и хода вниз.

[Пункт 9] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что внешняя труба установки имеет заборные отверстия в верхней части и образует полость для протекания скважинной жидкости вдоль наружной трубы статора.

[Пункт 10] Установка по п. 1, отличающаяся тем, что газосепаратор конструктивно выполнен в полости, которая ограничена внешней трубой установки, внешней трубой статора и фильтрами очистки, размещенными по обе стороны статора.

[Пункт 1 1 ] Способ подъема жидкости из скважины, включающий: (а) установку погружной части насосной установки в ствол скважины, при этом плунжерные насосы посредством возвратно-поступательного перемещения плунжеров, за счет передаваемого усилия слайдерами линейного двигателя, производят забор скважинного флюида из затрубного пространства скважины через газосепаратор и выталкивают скважинный флюид через клапаны двойного действия в колонну насосно- компрессорных труб; (б) подачу управляющим наземным блоком управления трехфазного переменного питания на электродвигатель с образованием бегущего магнитного поля в статоре и обеспечением плавного синхронного возвратно-поступательного движения слайдера; (в) забор, в процессе рабочего хода вверх, скважинного флюида из

затрубного пространства скважины через всасывающий клапан, расположенный в нижней части установки, и выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером верхней плунжерной пары при закрытом нагнетательном клапане; (г)

выталкивание, в процессе рабочего хода вниз, скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером нижней плунжерной пары и заполнение рабочего объема цилиндра верхней плунжерной пары через нагнетательный клапан второго насоса при закрытом всасывающем клапане нижней плунжерной пары.

[Пункт 12] Способ по п. 11, отличающийся тем, что на этапе (а), при наполнении рабочего объема нижней плунжерной пары, скважинный флюид проходит через заборные отверстия в верхней части наружной трубы установки и протекает в полости вдоль наружной трубы статора, охлаждая электродвигатель.

[Пункт 13] Способ по п. 11, отличающийся тем, что на этапе (а) забор скважинного флюида осуществляют с газосепарацией, при этом при протекании скважинного флюида в полости вдоль наружной трубы статора, за счет нагрева жидкости и разрежения, происходит выделение газа, который отсекается фильтром, установленным в нижней части статора на заборе насосов.

[Пункт 14] Способ по п. 11, отличающийся тем, что на этапе (г) в

процессе рабочего хода вниз выполняют выталкивание скважинного флюида через фильтр в полость газосепаратора, обеспечивая самоочистку фильтра.

Description:
С

Описание

Название изобретения : ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА с

ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И НАСОСОМ ДВОЙНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Техническая область

[1] Изобретение относится к новому типу насосного устройства в области

машиностроения, в частности к установкам с насосами объемного действия, приводимыми в движение линейными электродвигателями, для добычи пластовых жидкостей из малодебитного фонда скважин преимущественно в нефтедобыче.

Предшествующий уровень техники

[2] Из предшествующего уровня техники известен скважинный насос двойного действия— патент на полезную модель RU 151393, F04B 47/00. Данная установка содержит погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса, рабочий насос, соединенный с приводом штоком. Рабочий насос состоит из двух рабочих цилиндров, последовательно соединенных между собой, и двух полых плунжеров с установленными на них

нагнетательными клапанами, соединенных между собой штоком; нижний плунжер соединен с помощью гладкого штока с приводом рабочего насоса; полость над верхним плунжером через верхний всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством; полость под нижним плунжером через нижний всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством; полость под верхним плунжером соединена с полостью над нижним плунжером и с перепускной магистралью,

образованной с помощью оболочки, которая с внешней стороны охватывает верхний цилиндр, перепускная магистраль соединена с выкидной линией насоса. С

[3] Недостатком данного технического решения является наличие узла

уплотнения между двигателем и насосной частью, что увеличивает длину установки. Наличие большого количества клапанных узлов снижает

надежность системы. Внешний корпус установки должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.

[4] Известен скважинный насос двойного действия с приводом от погружного двигателя— патент на изобретение US 20150176574 А 1, F04B 17/03, F04B 47/06, F04B 49/22. Данная установка содержит погружной скважинный насос, состоящий из неподвижного цилиндра и подвижного плунжера. Погружной двигатель, установленный под насосом и соединённый с плунжером, создает возвратно-поступательное движение плунжера. Клапанное устройство, которое установлено в нижней части плунжера, производит при движении вверх заполнение скважинной жидкостью цилиндра, а при движении вниз - заполнение полости скважинного насоса ниже плунжера.

[5] Недостатком данного технического решения также является наличие узла уплотнения между двигателем и насосной частью, что увеличивает длину установки; внешний корпус установки также должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.

[6] Известен погружной электронасос— патент на изобретение RU 2521534 С2, F04B 47/06, F04B 17/. Данная установка содержит несущий силовой корпус, внутри которого размещен линейный электродвигатель, состоящий из неподвижного статора и расположенного внутри него полого бегуна; полость С

электродвигателя, образованная статором, корпусом и бегуном, заполнена жидкостью; бегун установлен с возможностью совершать возвратно- поступательные перемещения вдоль продольной оси статора; совмещенный с бегуном цилиндрический поршень, трубопроводы, впускной и выкидной клапаны. В бегуне выполнена герметичная поперечная перегородка, образуя в осевом направлении две полости; внутри по меньшей мере одной полости бегуна размещен неподвижный полый шток с узлом уплотнения на внешней поверхности; внутренняя полость штока связана с внутренней полостью бегуна и с рабочей камерой насоса; рабочая камера насоса связана с перекачиваемой средой и выходным трубопроводом через впускной и выкидной клапаны соответственно.

[7] Недостатком данного технического решения является наличие цилиндров с внутренней и внешней рабочими поверхностями, что требует повышенной точности обработки и увеличивает сложность изготовления, и внешний корпус установки так же должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.

[8] Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является погружная установка с линейным двигателем и насосом двойного действия— патент на изобретение RU 2535900 CI, F04B 47/06. Данная установка содержит линейный электродвигатель, подвижная часть которого (бегун) выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, и насос двойного действия, рабочие органы (поршни) которого механически связаны с бегуном. Поршни, неподвижные элементы и клапанные коробки расположены по обе стороны электродвигателя, образуя нижнюю и верхнюю части насоса; рабочие камеры насоса связаны с внешней средой и выходной магистралью через всасывающие и нагнетательные клапаны соответственно. Бегун выполнен с центральным отверстием; С

рабочие органы (поршни) насоса выполнены в виде полых цилиндров;

неподвижные элементы насоса также выполнены в виде полых цилиндров, рабочие поверхности которых контактируют с рабочими поверхностями поршней. Неподвижные элементы насоса выполнены в виде внутреннего и внешнего по отношению к поршню цилиндров; рабочая камера нижней части насоса связана с выходной магистралью через нагнетательный клапан и центральное отверстие в бегуне.

[9] Недостатком данного технического решения является наличие цилиндров с внутренней и внешней рабочими поверхностями, что требует повышенной точности обработки и увеличивает сложность изготовления. Размещение поршней насоса в полости бегуна электродвигателя приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра установки.

Техническая задача

[10] Целью заявленного изобретения являются уменьшение габаритов

установки при повышении производительности, надежности, увеличение ресурса и снижение себестоимости.

Решение задачи

[11] Указанные цели достигаются за счет того, что подвижная часть

линейного двигателя - слайдер - состоит из нескольких секций, разнесенных от центральной оси корпуса статора по диаметру, а в центральной части статора расположена плунжерная пара насоса двойного действия; вторая плунжерная пара расположена во внутренней части гидропротектора.

Система фильтрации и газосепарации организована в полости, образованной внешним корпусом установки и корпусом статора линейного двигателя. Такое выполнение установки обеспечивает значительное уменьшение ее длины, а также эффективное принудительное охлаждение установки и активную газосепарацию. Насос двойного действия, состоящий из двух плунжерных пар, при двойном ходе плунжеров осуществляет переменное С

перекачивание объема жидкости, тем самым повышая производительность насоса при уменьшении необходимой мощности приводного линейного электродвигателя.

[12] Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приведенного в качестве объяснения, в сочетании с прилагаемыми графическими материалами.

Краткое описание чертежей

[13] На фиг. 1 представлена конструкция установки и показан принцип работы насоса; на фиг. 2 представлена конструкция приводного электродвигателя; на фиг. 3 представлена магнитная система приводного электродвигателя; на фиг. 4 - конструкция антифрикционной системы установки.

Описание вариантов осуществления

[14] Погружная насосная установка состоит из объединенных в едином

корпусе 1, который конструктивно представляет собой устройство,

снабженное системой 2 фильтрации, для входа скважинного флюида, гравитационным газосепаратором и головкой 3 крепления к насосно- компрессорным трубам, насоса 4 двойного действия, приводного

электродвигателя 5, гидропротектора 6 и телеметрической системы 7.

[15] Насос 4 двойного действия представляет собой две плунжерные пары 8 и 9 разного типоразмера и систему клапанов 10 и 11 двойного действия.

Плунжеры разных типоразмеров соединены между собой последовательно при помощи муфты 12. Также на цилиндрах плунжерных пар расположены гидродемпферы 13 и 14, снабженные клапанно-дросселирующей системой.

[16] Кроме того, в погружную часть установки входит приводной

электродвигатель 5, состоящий из неподвижной части - статора 15— и подвижной части - слайдера 16. С

[17] Статор 15 выполнен в виде трехфазной распределенной обмотки,

соединенной таким образом, что имеет нулевую точку, установленной в герметичной полости, образованной двумя коаксиально расположенными трубами 18 и 19, которая заполнена диэлектрической жидкостью. Трехфазная обмотка распределена в поперечном сечении на несколько частей по диаметру установки, между которыми установлено несколько профильных труб 20 из твердого немагнитного антифрикционного материала. Каждая часть трехфазной обмотки состоит из нескольких катушечных групп, которые выполнены в виде последовательно, параллельно и смешанно соединенных тороидально намотанных катушек 17, установленных на сердечнике. Сердечник же представляет собой шихтованный магнитопровод из магнитомягкого материала. Также в герметичной полости статора расположен датчик измерения температуры (на фигуре не показан). В полости, образованной внутренней трубой 19 статора, расположена одна из плунжерных пар 8.

[18] Слайдер 16 конструктивно выполнен секционированным, с

возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения относительно статора 15. Слайдер состоит из нескольких секций 29, которые разнесены в полостях, образованных профильными трубами 20 статора.

[19] Каждая из секций слайдера представляет собой корпус 20, внутри

которого расположены магниты 21. Секции слайдера соединены между собой муфтой 12.

[20] Кроме того, погружная часть установки содержит гидропротектор 6,

выполненный в виде трубы 22, на которой установлена по меньшей мере одна диафрагма 23 из эластичного материала, трубчатых полостей 24, 25, 26, соединяющих полость гидропротектора, образованную между диафрагмой и трубой, с герметичной полостью статора, а также заправочный 27 и предохранительный 28 клапаны, посредством которых внутренняя полость С

гидропротектора сообщается с внешней средой. Внутренняя полость гидропротектора так же, как и внутренняя полость статора, заполнена диэлектрической жидкостью.

[21 ] Кроме того, в области между гидропротектором и статором, а также в области между статором и головкой крепления, расположены направляющие 30 слайдера, выполненные в виде полос из твердого материала, обладающего смазывающими свойствами. Также в верхней части гидропротектора и в области головки крепления установлено по меньшей мере по одному датчику положения (на фигуре не показаны) слайдера.

[22] Кроме того, погружная часть установки содержит телеметрическую

систему 7, расположенную в нижней части установки под одной из плунжерных пар и гидропротектором. Конструктивно телеметрическая система состоит из герметичного корпуса и размещенных в нем блоков электроники. Телеметрическая система соединена электрически с нулевой точкой обмоток статора и с датчиком измерения температуры.

Промышленная применимость

[23] Погружная насосная установка работает следующим образом.

[24] Насосная установка крепится к насосно-компрессорным трубам через головку 3 крепления; электрическое подключение установки к станции управления производится посредством изолированного трехпроводного кабеля через колодку токоввода.

[25] При подаче станцией управления питающего трехфазного переменного напряжения на погружную установку в секционированных катушках 17 статора протекает ток, который создает бегущее магнитное поле. Под воздействием бегущего магнитного поля секционированный слайдер 16 линейного двигателя производит поступательное перемещение, приводя в движение плунжеры 8 и 9 насоса двойного действия; при достижении одной С из двух крайних рабочих точек плунжера насоса станция управления получает сигнал от соответствующего датчика положения и меняет чередование фаз подаваемого питающего трехфазного переменного напряжения, в результате секционированный слайдер линейного двигателя меняет направление движения.

[26] При перемещении плунжеров насоса вверх происходит забор

скважинного флюида из затрубного пространства скважины через заборные отверстия в системе 2 фильтрации, расположенные в верхней части корпуса установки. Скважинный флюид, проходя в полости, образованные корпусом

1 установки и корпусной трубой 18 статора линейного двигателя,

нагревается, и в результате происходит принудительное охлаждение статора линейного двигателя, а за счет нагрева и разрежения скважинного флюида происходит выделение газа, который отсекается нижним фильтром системы

2 фильтрации, установленным в нижней части статора, при прохождении через него флюида, который далее поступает в рабочую область нижнего цилиндра через клапан 11 двойного действия, при этом происходит выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером верхней плунжерной пары 8 при закрытом клапане 10 двойного действия. При перемещении плунжеров насоса вниз происходит

выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером нижней плунжерной пары 9 при закрытом клапане 11 двойного действия и заполнение рабочего объема цилиндра верхней плунжерной пары через клапан 10 двойного действия, при этом происходит выталкивание скважинного флюида через систему фильтрации в полость газосепаратора, обеспечивая самоочистку системы 2 фильтрации.

[27] При возвратно-поступательном перемещении секционированного

слайдера вдоль направляющих 30 слайдера, установленных по обе стороны статора линейного двигателя, которые выполнены из твердого материала, обладающего смазывающими свойствами, и находятся в постоянном С прижиме к секциям слайдера, происходит перенос смазывающего слоя на рабочие поверхности секций слайдера, тем самым обеспечивая минимальный износ трущихся поверхностей.