RU2844829C1 - Способ нагнетания жидкостей в скважину и насосная установка для его осуществления - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для проведения работ по обустройству и стимуляции нефтегазодобывающих скважин, например, методом гидроразрыва пластов. Способ заключается в объемном регулировании расхода нагнетаемых в скважину технологических жидкостей по программе, сформированной системой управления насосной установки за счет поочередного или группового исключения подачи жидкости на выходе из многоцилиндрового плунжерного насоса, для чего по команде системы управления установленные в цилиндрах на входе в насос всасывающие клапаны принудительно удерживаются в открытом положении. Техническим результатом является снижение сложности, массогабаритных характеристик оборудования с обеспечением заданного уровня качества проведения работ. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для проведения работ по обустройству и стимуляции нефтегазодобывающих скважин, например, методом гидроразрыва пластов (ГРП), при нагнетании бурового раствора, для промывки, пескоструйной обработки ствола скважины.

Известны способы нагнетания жидкости насосной установкой, по которым необходимый график подачи на выходе из многоцилиндрового плунжерного насоса регулируют изменением частоты циклов всасывания-нагнетания жидкости в рабочем объеме, для чего изменяют скорость вращения вала силового привода [1].

Указанные способы не обеспечивают необходимый диапазон регулирования подачи на выходе из насоса на устойчивых оборотах силового привода.

В качестве прототипа к заявляемому способу нагнетания смеси в скважину принят известный способ при проведении ГРП, по которому в зависимости от дизайна и контролируемых параметров на устье скважины формируется график подачи жидкости от внешнего источника - смесительного агрегата, на входной манифольд низкого давления насосной установки. В системе управления насосной установкой график подачи преобразуют в программу ступенчатого изменения частоты вращения выходного вала многоступенчатой автоматической трансмиссии (автоматической коробки перемены передач - АКПП) силового привода, соединенной с вытесняющим многоцилиндровым плунжерным насосом. В механической части насоса вращательное движение на его входе преобразуется в поступательные движения плунжеров. Таким образом, реализуется наиболее распространенный способ объемного регулирования расхода на выходе плунжерного насоса за счет изменения во времени количества циклов всасывания-нагнетания в цилиндрах насоса [2].

Недостатком этого способа нагнетания является применяемый силовой привод с АКПП, обеспечивающей безразрывную передачу потока мощности на вытесняющий многоцилиндровый плунжерный насос в условиях больших динамических нагрузок при переключении передач в процессе регулирования расхода. Для предотвращения подачи жидкости на скважину при работе силового привода в нейтральном положении дополнительно необходим тормоз для предотвращения поводкового вращения вала насоса. Все это приводит к большой сложности и повышенным массогабаритным характеристикам гидромеханической части, систем управления, охлаждения, подогрева масла АКПП и силового привода. В связи с этим стоимость оборудования АКПП может достигать 25% общей стоимости насосной установки, причем в мире насчитывается всего несколько производителей подобных устройств, являющихся монополистами в данной области техники («Caterpillar», «Allison»).

Известны насосные установки для нагнетания жидкости в скважину, содержащие в качестве силовой установки двигатель внутреннего сгорания, двухвальную, двухпоточную, многоскоростную, высокооборотную коробку переключения передач с дополнительными редукторами, которые соединены с гидронасосом [3].

Недостатком этих насосных установок является применяемый силовой привод с АКПП большой сложности и повышенными массогабаритным характеристиками.

В качестве прототипа насосной установки для реализации способа нагнетания смеси в скважину принята установка, включающая силовой привод с АКПП и поводковым тормозом, обеспечивающий безразрывную передачу мощности на вытесняющий многоцилиндровый плунжерный насос, вход которого соединен манифольдом низкого давления с внешним источником нагнетаемой жидкости. В механической части насоса вращательное движение входного вала преобразуется в поступательные движения плунжеров, а для регулирования расхода жидкости на выходе из насоса за счет изменения во времени количества циклов всасывания-нагнетания в цилиндрах служит система управления режимами работы установки, по командам которой производится переключение передач АКПП [4].

К недостаткам прототипа силовой установки можно отнести замечания, изложенные к способу.

Технической задачей изобретения является снижение сложности, массогабаритных характеристик и стоимости оборудования насосной установки с обеспечением заданного уровня качества проведения работ при нагнетании жидкостей в скважину по заданной системой управления программе регулирования расхода.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе нагнетания жидкости в скважину, по которому системой управления формируют программу подачи жидкостей от внешнего источника через вход вытесняющего многоцилиндрового плунжерного насоса в скважину и регулируют расход на выходе из насоса по этой программе поочередно или группами исключая подачу жидкости на выходе из цилиндров насоса, для чего принудительно фиксируют вход в цилиндры в открытом положении.

Указанная техническая задача решается тем, что для реализации способа нагнетания жидкости в скважину известная насосная установка, включающая силовой привод, обеспечивающий безразрывную передачу мощности на вытесняющий многоцилиндровый плунжерный насос, вход которого соединен манифольдом низкого давления с внешним источником нагнетаемой жидкости, а для регулирования расхода жидкости на выходе из насоса служит система управления режимами работы установки. В соответствии с изобретением на входе в каждый цилиндр из манифольда низкого давления установлен клапан с устройством принудительной фиксации в открытом положении, исполнительный привод которого связан с системой управления для получения команд на открытие клапана согласно программы закачки.

Сопоставительный анализ заявляемого способа нагнетания жидкостей в скважину в сравнении с прототипом показывает его отличие в том, что при ступенчатом регулировании режимов работы насосной установки вместо переключения передач АКПП поочередно или группами исключают подачу жидкости на выходе из цилиндров насоса, для чего принудительно фиксируют вход в цилиндры в открытом положении. Таким образом в цикле возвратно поступательного движения плунжера насоса происходит исключение фазы вытеснения жидкости под давлением, необходимым для открывания выхода из цилиндра. Комбинацией числа одновременно принудительно открытых входов из манифольда в цилиндры достигается ступенчатое изменение расхода на выходе насоса с обеспечением безразрывной передачи потока мощности от силового привода. При всех открытых входах жидкость в скважину не поступает на всех режимах работы силового привода.

Сущность изобретения заключается в конструкции насосной установки, где для реализации предложенного способа нагнетания подаваемой от внешнего источника жидкости в скважину без разрыва потока мощности от силового привода к входному валу вытесняющего многоцилиндрового плунжерного насоса обеспечивается ступенчатое регулирование подачи на выходе насоса за счет вновь введенных устройств принудительной фиксации в открытом положении входов из манифольда низкого давления в каждый цилиндр. Устройство принудительной фиксации выполнено в виде клапана, взаимодействующего с исполнительным приводом, который связан с системой управления для получения команд на открытие и фиксацию клапана по сформированной программе закачки. Изменение количества одновременно открытых входов в цилиндры насоса по функции аналогично переключению передач АКПП.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются на фиг.1-3, где

на фиг.1 представлены графики зависимости расхода жидкости Q от давления Р для насосной установки при регулировании пятиплунжерного насоса переключением передач семиступенчатой АКПП и при регулировании предложенным способом, здесь i - номер передачи, a n - число цилиндров насоса с фиксацией входов в открытом положении;

на фиг.2 представлен чертеж насосной установки в соответствии с формулой изобретения;

на фиг.3 приведен чертеж гидравлической части пятиплунжерного насоса с разрезом по клапанной коробке и детализацией входов из манифольда в рабочий объем насоса.

Приведенные графики зависимости расхода жидкости Q от давления Р на фиг.1 показывают, что при нагнетании в скважину жидкости предложенным способом представленной на фиг.2 насосной установкой 1 с силовым приводом 2 мощностью 3000 л.с. и пятиплунжерным насосом 3 (диаметр плунжера 100 мм и ход 200 мм), регулирование подачи за счет принудительной поочередной или групповой фиксации входов в цилиндры с плунжерами 10 (фиг.3) в открытом положении аналогично по качеству и результатам регулированию переключением передач семиступенчатой АКПП такой же насосной установки по прототипу.

Насосная установка 1 (фиг.2) снабжена силовым приводом в виде дизельного двигателя 2, соединенного при помощи карданного вала 3 с механической частью вытесняющего пятиплунжерного насоса 4, манифольд низкого давления 5 которого соединен с внешним источником, например, со смесителем флота ГРП, а гидравлическая часть 6 насоса своим выходом соединена через манифольд высокого давления 7 со с устьем скважины. Процесс закачки проводится по программе, сформированной в аппаратуре системы управления 8 насосной установки 1. Гидравлическая часть 6 (фиг.3) содержит пять клапанных коробок 9 с плунжерами в цилиндрах 10, на входе каждого из которых установлен всасывающий клапан 11, отсекающий манифольд низкого давления 5 от рабочего объема насоса в фазе нагнетающего хода плунжера в цилиндре 10. На выходе из клапанной коробки установлен клапан 12, отсекающий рабочий объем насоса 4 от манифольда высокого давления 7 в фазе всасывающего хода плунжера в цилиндре 10. Всасывающий клапан 11 взаимодействует с толкателем 13 устройства принудительной фиксации входа в цилиндр в открытом положении, исполнительный привод 14 которого соединен линиями передачи команд 15 с аппаратурой системы управления 8 насосной установки 1.

При нагнетании жидкости в скважину насосная установка 1 работает следующим образом. В исходном положении манифольд высокого давления 7 предварительно заполнен жидкостью, а все всасывающие клапаны 11 под действием толкателей 13 находятся в открытом положении. При работе силового привода 2 вращающий момент через карданный вал 3 передается на механическую часть насоса 4, где происходит его преобразование в возвратно поступательное движение плунжеров в цилиндрах 11, при этом подаваемая от внешнего источника жидкость в манифольд низкого давления 5 поступает в рабочий объем клапанных коробок 9 в фазе всасывающего хода плунжера 11 и возвращается назад в фазе нагнетающего хода плунжера, так как давление на выходе из насоса больше давления в его рабочем объеме, клапан 12 закрыт. При поступлении сообщения о величине необходимого расхода нагнетания в скважину от системы управления высшего уровня на насосную установку 1 система управления 8 в соответствии с графиком регулирования (фиг.1) формирует и передает по линиям связи 15 команды на необходимые исполнительные приводы 14, которые выводят толкатели 13 из контакта с клапанами 10, с обеспечением гарантированного зазора h в положении «клапан закрыт».

Таким образом все перечисленные отличительные признаки способа нагнетания жидкости в скважину и насосной установки для его реализации позволяют снизить сложность и массогабаритные характеристики насосных установок за счет исключения автоматической трансмиссии с поводковым тормозом и системами их охлаждения, предпускового подогрева и смазки, упростить программное обеспечение системы управления насосной установки. При этом обеспечить заданный уровень качества проведения работ при значительном снижении стоимости как оборудования так и его эксплуатации и ремонта.

Источники информации

1. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам: под ред. Б.Б. Некрасова. Минск: Высшая школа. 1976. - с. 236-239, 348-350.

2. Экономидес М., Олини Р., Валько П. Унифицированный дизайн гидроразрыва пласта: от теории к практике. Москва - Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2007. - 236 с.

3. Силовой агрегат насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов. Патент RU 2788355, 05.08.2022.

4. Стандарт ИНТИ S. 100.5-2021. К установкам флота для гидравлического разрыва пласта (ГРП). Типовые технические требования. АНО Институт нефтегазовых технологических инициатив, inti.expert. (ИС «Техэксперт: 6 поколение». Интернет).

Claims (2)

1. Способ нагнетания жидкостей в скважину, в котором с помощью системы управления режимами работы насосной установки формируют программу подачи жидкостей от внешнего источника через вход в рабочую камеру вытесняющего многоцилиндрового плунжерного насоса в скважину и регулируют расход на выходе из насоса согласно этой программе, отличающийся тем, что регулирование расхода обеспечивают путем исключения подачи жидкости на выходе из цилиндров насосной установки, для чего поочередно или группами принудительно фиксируют всасывающие клапаны, установленные на входе каждого из цилиндров насосной установки, в открытом положении.

2. Насосная установка для нагнетания жидкостей в скважину, включающая силовой привод, обеспечивающий безразрывную передачу мощности на вытесняющий многоцилиндровый плунжерный насос, вход в рабочую камеру которого соединен с внешним источником нагнетаемой жидкости через манифольд низкого давления, и систему управления режимами работы установки, выполненную с возможностью регулирования расхода жидкости на выходе из насосной установки, отличающаяся тем, что на входе в каждый цилиндр из манифольда низкого давления установлен всасывающий клапан с устройством принудительной фиксации в открытом положении, исполнительный привод которого связан с системой управления для получения команд на его открытие.