Погружной насосный агрегат

Изобретение относится к нефтепогружному оборудованию, а именно к погружным насосным агрегатам, спускаемым на грузонесущем кабеле в скважины, осложненные высоким газовым фактором, в том числе в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с малым диаметром проходного сечения. Агрегат содержит маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежный насос и хвостовик, вокруг которого размещен герметизирующий узел. Между электроцентробежным насосом и хвостовиком дополнительно установлен мультифазный насос, имеющий на входе насаженные на конец вала осевые ступени с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса. Осевое входное отверстие мультифазного насоса не перекрыто валом. Изобретение направлено на обеспечение надежной работы и повышение износостойкости погружного агрегата на грузонесущем кабеле в условиях повышенного содержания свободного газа на входе. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к нефтепогружному оборудованию, а именно к погружным насосным агрегатам, спускаемым на грузонесущем кабеле в скважины, осложненные высоким газовым фактором, в том числе в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с малым диаметром проходного сечения.

Известен погружной насосный агрегат с пакером [патент РФ 2620667, опубликовано 29.05.2017], содержащий последовательно установленные сверху вниз электроцентробежный насос, входной модуль, секцию мультифазного насоса, погружной электродвигатель с гидрозащитой, окруженный наружным герметизирующим кожухом и хвостовик. Агрегат спускается на колоне НКТ и предназначен для добычи пластового флюида из скважин с негерметичной эксплуатационной колонной, либо эксплуатационной колонной с многочисленными нарушениями. Секция мультифазного насоса установлена между электроцентробежным насосом и входным модулем. Герметизирующий кожух служит для дополнительного охлаждения погружного электродвигателя перекачиваемой жидкостью во время эксплуатации. Агрегат спускают до глубины установки верхнего пакера или двухпакерной компоновки, далее в результате разгрузки производят герметичную стыковку хвостовика с пакером. Жидкость из-под пакера поступает через хвостовик во внутреннюю полость герметизирующего кожуха и через входной модуль и секцию мультифазного насоса попадает в электроцентробежный насос.

Недостатком агрегата является то, что из-за наличия герметизирующего кожуха увеличивается диаметр агрегата, что делает невозможным его спуск в колонну малого диаметра, например НКТ, ограничивая тем самым область применения данного агрегата. Помимо этого, осуществление спуско-подъемных операций для данного агрегата является дорогостоящим и характеризуется низкой скоростью монтажа и демонтажа погружного оборудования.

Наиболее близким к заявляемому является погружной насосный агрегат на грузонесущем кабеле, спускаемый в дополнительную колонну НКТ, расположенную внутри обсадной колонны [патент РФ 2613542, опубликовано 17.03.2017] и содержащий маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежной насос, всасывающий канал и уплотнитель между электроцентробежным насосом и дополнительной колонной.

Недостатком принятого за прототип погружного насосного агрегата является то, что он не может применяться в скважинах с высоким газовым фактором, в которых увеличивается вероятность возникновения локального перегрева и клина рабочих органов, а также возможен чрезмерный износ рабочих органов электроцентробежного насоса, расположенных у входа в насос из-за возникновения сухого трения в рабочих органах.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение надежной работы и повышение износостойкости погружного агрегата на грузонесущем кабеле при добыче скважинной жидкости с высоким газовым фактором, например, при газопроявлениях, возникающих во время освоения или эксплуатации скважин, которые могут привести к срыву подачи пластовой жидкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в погружном насосном агрегате на грузонесущем кабеле, спускаемом в НКТ, содержащим маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежный насос и герметизирующий узел вокруг хвостовика, согласно изобретению, между электроцентробежным насосом и хвостовиком дополнительно установлен мультифазный насос, имеющий на входе насаженные на конец вала осевые ступени с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса, при этом осевое входное отверстие мультифазного насоса не перекрыто валом.

В некоторых вариантах исполнения мультифазный насос наряду с осевыми может дополнительно содержать пакеты напорно-диспергирующих или диагонального типа ступеней, либо последовательно соединенные пакеты осевых, диагональных и радиальных ступеней.

Применение мультифазного насоса повышает давление на входе в электроцентробежный насос при различном газосодержании пластовой жидкости, обеспечивает стабильную работу насоса в широком диапазоне подач, а также увеличивает величину предельного газосодержания добываемой смеси.

Благодаря тому, что осевая ступень на входе в мультифазный насос закреплена на нижнем конце вала, вал находится за пределами сечения входного осевого отверстия, поэтому входящая в насос пластовая жидкость поступает непосредственно в лопасти рабочего колеса, что снижает вероятность возникновения газовых пробок, уменьшает гидравлические сопротивления потока на входе мультифазного насоса и, в конечном итоге, позволяет создать больший напор жидкости при меньших значениях входного давления.

Использование осевых ступеней с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса, снижает вероятность срыва подачи из-за возникновения газовых пробок благодаря более широким проточным каналам.

Применение напорно-диспергирующих ступеней оптимально при низких и средних подачах. Напорно-диспергирующие ступени обеспечивают более интенсивное измельчение пузырьков газа в газожидкостной смеси (ГЖС) за счет полукруглой формы винтовых проточных канавок, что уменьшает объемное содержание газа в смеси, поступающей в электроцентробежный насос, и, как следствие, повышает надежность его работы в условиях высокого газосодержания добываемой жидкости.

Проточные каналы, образованные диагональными и радиальными ступенями, имеют меньшее поперечное сечение, по сравнению с осевыми ступенями. Существует закономерность между уровнем дисперсности ГЖС и шириной проточного канала - чем уже канал, тем интенсивнее будет происходить процесс дробления пузырьков газа в ГЖС. Поэтому использование пакетов осевых ступеней перед диагональными или использование пакета осевых ступеней вместе с диагональными и радиальными, размещенных в указанном порядке, обеспечивающих последовательное уменьшение ширины проточных каналов (максимально широкие каналы в ступенях осевого типа переходят в узкие каналы ступеней диагональных и радиальных), способствует постепенному в каждом последующем пакете увеличению степени диспергации ГЖС. За счет достигаемой степени дисперсности ГЖС обеспечивается устойчивая работа мультифазного насоса, при этом в каждом пакете ступеней дополнительно происходит увеличение давления, что приводит к возрастанию напора, создаваемого насосом при прокачке ГЖС. Использование мультифазного насоса, состоящего из последовательно соединенных осевых, диагональных и радиальных ступеней позволяет перекачивать ГЖС с большей подачей, чем насосом только с осевыми ступенями.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен заявляемый погружной насосный агрегат, фиг. 2 - мультифазный насос с осевыми ступенями; на фиг. 3 - вариант исполнения насоса со ступенями осевого и напорно-диспергирующего типов, на фиг. 4 - вариант исполнения мультифазного насоса с осевыми и диагональными ступенями, на фиг. 5 - вариант исполнения мультифазного насоса с осевыми, радиальными и диагональными ступенями.

Погружной насосный агрегат (см. фиг. 1) содержит последовательно расположенные сверху вниз компоненты: грузонесущий кабель 1, грузонесущую муфту 2, верхнюю гидрозащиту 3, измерительный блок 4, маслозаполненный ПЭД 5, нижнюю гидрозащиту 6, выкидной модуль 7, погружной электроцентробежный насос 8, мультифазный насос 9, хвостовик с всасывающим каналом 11, вокруг которого размещен герметизирующий узел 10. Герметизирующий узел 10 перекрывает кольцевое пространство между хвостовиком 11 и НКТ 13 и может быть выполнен, например, в виде пакера. На входе в хвостовик может быть установлен скважинный фильтр 12.

Мультифазный насос 9, установленный между электроцентробежным насосом 8 и хвостовиком 11, имеет множество последовательно размещенных на валу 19 ступеней осевого типа (фиг. 2), аналогичных описанным в патенте РФ №2428588. Каждая ступень состоит из рабочего колеса 14, установленного с возможностью вращения вокруг своей оси и выполненного в виде втулки 16 со спиральными лопастями 17, и неподвижного направляющего аппарата 15 с неподвижными лопастями 19. На входных кромках лопасти 17 рабочего колеса 14 могут быть выполнены сквозные отверстия, которые обеспечивают предварительную диспергацию смеси. Осевая ступень на входе в насос 9 насажена на конец вала 19, который не выступает за пределы рабочего колеса 14 и не перекрывает осевое входное отверстие мультифазного насоса.

После пакета осевых ступеней возможна дополнительная установка пакета напорно-диспергирующих ступеней (см. фиг. 3), которые состоят из закрепленного на валу 19 ротора-винта 20 и неподвижного статора-втулки 21, которые имеют на поверхностях сопряжения выступы и впадины.

В некоторых вариантах исполнения мультифазный насос 9 наряду с пакетом осевых ступеней может дополнительно содержать пакеты диагональных ступеней (см. фиг. 4), состоящих из рабочих колес 22 с диспергирующими отверстиями на кромках лопастей и направляющих аппаратов 23 диагонального типа, или последовательно установленные в указанном порядке ступени осевого типа, ступени диагонального типа и радиальные ступени (см. фиг. 5), в состав которых входят рабочие колеса 24 и направляющие аппараты 25 радиального типа.

Погружной насосный агрегат работает следующим образом.

Агрегат спускают на грузонесущем кабеле 1 в колонну НКТ 13, размещенную внутри эксплуатационной колонны.

Питающее напряжение подается через грузонесущий кабель 1 (фиг. 1) с грузонесущей муфтой 2 к обмоткам маслозаполненного ПЭД 5, приводя его в работу. Вращение от вала ПЭД 5 передается через нижнюю гидрозащиту 6, выкидной модуль 7 к электроцентробежному насосу 8 и мультифазному насосу 9. Пластовая жидкость всасывается через скважинный фильтр 12, освобождается от механических примесей и через внутренний канал хвостовика 11 поступает в осевом направлении в мультифазный насос 9. Попадая в мультифазный насос 9, газожидкостная смесь поступает в рабочее колесо 14 (см. фиг. 2), где приобретает энергию за счет закрутки вращающимися лопастями 17, далее закрученный поток поступает в направляющий аппарат 15, протекает через его неподвижные лопасти 19, чтобы максимально погасить закрутку потока перед входом в следующую ступень. В случае прохождения ступени напорно-диспергирующего типа, газожидкостная смесь подвергается более интенсивному измельчению. За счет полукруглой формы винтовых канавок, образованных выступами и впадинами статоров-втулок 21 и роторов-винтов 20 происходит дополнительное повышение давления в газожидкостной смеси, что приводит к еще более сильному уменьшению размера газовых пузырьков, а также уменьшает объемное содержание газа в смеси.

Таким образом, мультифазный насос 9 (фиг. 1) гомогенизирует и частично сжимает газожидкостную смесь, обеспечивая устойчивую работу электроцентробежного насоса 8 в широком диапазоне подач, а также повышает величину напора, развиваемого насосным агрегатом. Далее жидкость поступает в электроцентробежный насос 8, пройдя который приобретает необходимый напор и через выкидной модуль 7 попадает в кольцевое пространство между эксплуатационной колонной 13 и погружным насосным агрегатом, откуда поднимается на поверхность.

Предлагаемый насосный агрегат может монтироваться в скважины с высоким газовым фактором, а также найти применение в качестве резервного агрегата для добычи скважинной жидкости и монтироваться в колонну НКТ, запускаясь в работу только в момент отказа основной установки, что позволит значительно снизить время простоя скважины, и это, в свою очередь, является особенно актуальным в условиях удаленных и труднодоступных месторождений.

1. Погружной насосный агрегат, спускаемый на грузонесущем кабеле в НКТ, содержащий маслозаполненный погружной электродвигатель, гидрозащиту, выкидной модуль, электроцентробежный насос и герметизирующий узел вокруг хвостовика, отличающийся тем, что между электроцентробежным насосом и хвостовиком дополнительно установлен мультифазный насос, имеющий на входе насаженные на конец вала осевые ступени с номинальной подачей, превышающей подачу электроцентробежного насоса, при этом осевое входное отверстие мультифазного насоса не перекрыто валом.

2. Погружной насосный агрегат по п. 1, отличающийся тем, что мультифазный насос дополнительно снабжен пакетом напорно-диспергирующих ступеней.

3. Погружной насосный агрегат по п. 1, отличающийся тем, что мультифазный насос дополнительно снабжен пакетом диагональных ступеней.

4. Погружной насосный агрегат по п. 1, отличающийся тем, что в мультифазном насосе после пакета осевых ступеней последовательно установлены пакеты диагональных и радиальных ступеней в указанном порядке.