НАСОС ПРЯМОГО ВЫТЕСНЕНИЯ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DOUBLE-ACTING POSITIVE DISPLACEMENT PUMP FOR FLUID MEDIUM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к насосу прямого вытеснения двойного действия для текучей среды.
2
В целом, настоящее изобретение относится к возвратно-поступательным насосам высокого давления, которые используются, например, в нефтегазовой промышленности для накачивания бурового раствора, цемента для зональной изоляции, растворов для гидроразрыва и химических составов для целей увеличения добычи, а также накачивания криогенных текучих сред, подобных жидкому азоту и жидкому СО. Возвратно-поступательные насосы высокого давления также применяются в области производственно-технических услуг, среди прочего, для целей очистки и промыва струей воды.
Такие возвратно-поступательные насосы могут представлять собой насос поршневого типа или насос плунжерного типа, при этом плунжерный насос определяют как насос прямого вытеснения, в котором уплотнение высокого давления является неподвижным, а гладкий цилиндрический плунжер скользяще перемещается через это уплотнение, и поршневой насос представляет собой насос прямого вытеснения, в котором уплотнение высокого давления выполняет возвратно-поступательное перемещение с поршнем. Для всех намерений и целей настоящего раскрытия термины поршень или плунжер могут быть взаимозаменяемо использованы.
Большинство этих насосов основаны на принципе преобразования вращательного перемещения в линейное перемещение поршня или плунжера посредством коленвала для осуществления возвратно-поступательного перемещения поршня или плунжера.
Один из основных недостатков таких возвратно-поступательных насосов состоит в том, что насосная камера, также называемая "нагнетательной частью", подвергается циклическим изменениям давления, т.е. за ходом всасывания при давлении, близком к атмосферному, следует ход нагнетания при линейном давлении нагнетания. Эти циклы давления вызывают усталость металла в корпусе нагнетательной части, что приводит к сокращению срока службы и последующим отказам с соответствующими риском и высокими затратами. Получающаяся в результате усталость металла зависит от количества циклов давления и перепада давления между циклами. При более высоких перепадах давления усталость развивается экспоненциально. Особенно в современной нефтегазовой промышленности, где работы по стимуляции углеводородных скважин проводятся в режиме 24 часа в сутки и 7 дней в неделю, среднее время работы насоса, работающего при давлениях около 10000 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 69 МПа) или при более высоких давлениях, увеличилось более чем в четыре раза по сравнению с обычными работами по добыче нефти и газа, и усталость нагнетательной части стала основным фактором затрат, риска и времени простоя. Во время таких работ по стимуляции углеводородных скважин текучие среды, содержащие от низких до высоких концентрации частиц, таких как песок или искусственный расклинивающий наполнитель, накачиваются с высокой скоростью (до 100 баррелей в минуту (265 л/с) или более, и высоких давлениях до 10000 фунтов на квадратный дюйм или более). Нагнетательные части, используемые в таких насосах, в основном представляют собой трехплунжерные (3) или пятиплунжерные (5) насосы, имеющие Т-образную конфигурацию с горизонтальным отверстием с камерой всасывания/нагнетания, в которой поршень или плунжер осуществляет возвратно-поступательное перемещение и имеет вертикальное отверстие с узлами всасывающего и нагнетающего клапанов. Циклы давления такой нагнетательной части вызывают усталость металла в основном в тех областях, где вертикальное отверстие пересекается с горизонтальным отверстием. Другие области, в которых внутренняя поверхность нагнетательной части не промывается, такие как канавки тарелки клапана, также подвержены растрескиванию под воздействием напряжения.
При использовании возвратно-поступательного насоса с приводом от коленвала часто виден другой недостаток, состоящий в том, что мгновенный расход может в значительной степени изменяться. Такой изменяющийся расход приводит к появлению нежелательных скачков давления, также называемых "шумом", в накачиваемой текучей среде, что может вызывать образование пустот и преждевременный износ в нагнетательной части или препятствовать скважинной беспроводной передаче данных или другим используемым технологиям, например, при операциях по технологии измерений в процессе бурения (MWD) или каротажа во время бурения (LWD).
Еще один недостаток известных возвратно-поступательных насосов высокого давления состоит в том, что техническое обслуживание часто затруднительно, поскольку, например, к клапанам и седлам клапанов затруднен доступ, и в случае отказа секции насоса требуется отключать весь насос, что приводит к значительной потере в накачиваемом объеме.
Кроме того, в некоторых насосах двойного действия для текучей среды предшествующего уровня техники, таких как, например, описанный в US-B-8,550,794, один ход нагнетания зависит от силы пружины для преодоления давления, в то время как ход соленоида должен преодолевать силу пружины, а также силу, оказываемую давлением. Поскольку расход и давление на выходе заранее заданы и определены силой соленоида и силой пружины в течение работы насоса, то расходом и давлением на выходе нельзя управлять, как требуется сегодня во многих применениях насосов прямого вытеснения для текучей среды. Еще один недостаток зависимых от силы пружины насосов двойного действия для текучей среды состоит в том, что сила пружин не является линейной, и, следовательно, расход и давление на выходе также не являются линейными. Другие отличительные признаки таких насосов двойного действия состоят в том, что они имеют один корпус, который разделен одним поршнем с поршневыми уплотнениями, действующий в обоих направлениях. Для обеспечения работоспособности такие внутренние уплотнения требуют наличия гладких внутренних стенок камеры давления. Абразивные и/или коррозийные текучие среды и/или буровые растворы быстро повредят внутреннюю поверхность стенки и уплотнения. Еще один недостаток поршней с внутренним уплотнением состоит в том, что отказы уплотнений поршня происходят внутри и могут оставаться незамеченными, быстро разъедая внутренние стенки и поршень до прихода в состояние, в котором ремонт невозможен, особенно в случае многих насосов, работающих на линии одновременно, как это происходит при работах по стимуляции скважин, будет трудно обнаруживать, у какого насоса произошел отказ уплотнения. Благодаря форме этих камер давления, также будут существовать мертвые зоны, где могут накапливаться твердые частицы и блокировать пружину или поршень, снижая эффективность насоса, поскольку он зависим от силы пружины.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в предложении альтернативного насоса двойного действия для текучей среды. Еще одна задача настоящего изобретения состоит в предложении насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, который может обрабатывать обычные текучие среды и газы, а также текучие среды, газы и буровые растворы с уровнем содержания твердых частиц с абразивной и/или коррозийной природой в диапазоне от низкого до высокого в широком диапазоне давлений, причем насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды проявляет один или более из следующих признаков: намного менее чувствителен к усталости металла, имеет только один ход всасывания, может иметь намного больший ход поршня насоса по сравнению с обычными насосами, имеет улучшенные уплотнение и срок службы клапанов и обеспечивает удвоенный выход обычного возвратно-поступательного насоса с существенно меньшими пульсациями давления, прост в обслуживании, а также выходом которого также можно легко управлять во время работы насоса.
В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере одна из задач, описанных выше, решается посредством предложения насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды по пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с настоящим изобретением насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды имеет первый корпус, содержащий входную насосную камеру текучей среды, и второй отдельный корпус, содержащий выходную насосную камеру текучей среды. Входная насосная камера текучей среды сообщается по текучей среде через канал с выходной насосной камерой текучей среды. Указанный проходной канал дополнительно снабжен по меньшей мере одним объединенным всасывающе-нагнетающим клапаном, расположенным в нем, и имеет вход, расположенный во входной насосной камере текучей среды, и выход, расположенный в выходной насосной камере текучей среды, выполненный с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение плунжер имеет одну сторону, расположенную с возможностью возвратно-поступательного перемещения во входной насосной камере текучей среды, здесь и далее именуемую входной частью, и другую сторону, расположенную с возможностью возвратно-поступательного перемещения в выходной насосной камере текучей среды, здесь и далее именуемую выходной частью, входная часть плунжера имеет эффективную площадь вытеснения, которая больше, чем эффективная площадь вытеснения выходной части, причем входная насосная камера текучей среды и входная часть содержат центральную ось входной насосной камеры текучей среды и вход для текучей среды, имеющий узел входного всасывающего клапана, выходная насосная камера текучей среды и выходная часть содержат центральную ось выходной насосной камеры текучей среды, и приводной вал содержит ось приводного вала, причем центральная ось входной насосной камеры текучей среды, центральная ось выходной насосной камеры текучей среды и ось приводного вала являются соосными и образуют центральную ось насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды. Эффективная площадь вытеснения входной части плунжера больше, чем эффективная площадь вытеснения выходной части плунжера, объем вытеснения входной части плунжера предпочтительно в два раза больше объема вытеснения выходной части плунжера, благодаря чему размеры соответствующих камер таковы, что мертвые объемы во входной и выходной камерах минимизированы для того, чтобы предотвращать оседание частиц и обеспечивать максимальную скорость текучей среды. Каждая из входной и выходной камер имеет отдельные уплотняющие конструкции, где уплотнение между камерой и ее возвратно-поступательным плунжером осуществляется посредством уплотняющей конструкции плунжера, выдерживающей внутреннее давление в соответствующей камере к наружной части корпуса насоса. Следует отметить, что хотя описаны первый и второй корпусы, настоящее изобретение не ограничивается насосом прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, имеющим только два корпуса, и что этот насос может содержать также более двух корпусов.
В соответствии с настоящим изобретением при ходе нагнетания входной части плунжера (т.е. ходе, уменьшающем объем входной насосной камеры текучей среды) узел входного всасывающего клапана закрывается, текучая среда, газ или буровой раствор вытесняются из входной камеры через проходной канал, открывая объединенный всасывающий/нагнетающий клапан, в выходную насосную камеру текучей среды. Ход нагнетания входной части обеспечивает увеличение емкости выходной насосной камеры текучей среды при ходе нагнетания входной части. В то время как входная часть плунжера вытесняет предпочтительно в два раза больше объема выходной части, одновременно происходит заполнение под давлением выходной насосной камеры текучей среды одной половиной текучей среды, вытесненной входной частью, и вытеснение другой половины текучей среды наружу выходной насосной камеры текучей среды для его предполагаемого использования. Давление текучей среды, которой заполнена выходная насосная камера текучей среды, таким образом, равно линейному давлению (линейное давление представляет собой давление на нагнетательной линии от насоса двойного действия, например, к устью скважины или любому другому телу, требующему накачивания в него текучей среды или прокачивания через него), тем самым препятствуя появлению циклов давления, в результате чего усталость металла в выходной насосной камере текучей среды значительно снижается. С помощью объединенного всасывающего/нагнетающего клапана в открытом положении во время хода сжатия входной части одна половина текучей среды, обеспечивающее сжатое заполнение для выходной камеры, (по существу) сбалансирована по давлению по областям относительного вытеснения входной и выходной частей, и поэтому для передачи этой части текучей среды из входной камеры в выходную камеру требуется ограниченная мощность. Выходная насосная камера текучей среды всегда находится под давлением, когда насос находится в работе, либо посредством аккумулятора давления, например, для одной секции насоса, либо посредством хода нагнетания выходной части соседней секции, т.е. трехплунжерного или пятиплунжерного насоса, в результате чего давление в выходной камере либо равно давлению во входной камере, либо больше него, что является преимущественным в силу того, что в начале хода сжатия входной части с объединенным всасывающим/нагнетающим клапаном все еще в закрытом положении, давление, действующее в выходной насосной камере и, таким образом, по всей эффективной площади выходной части, будет противодействовать половине эффективной площади входной части до тех пор, пока давление во входной камере не будет равно давлению в выходной камере, и объединенный всасывающий/нагнетающий клапан не откроется. В этот момент эффективная площадь выходной части сбалансирована с половиной эффективной площади входной части. Это приводит к тому, что сила, требуемая для хода сжатия входной части, равна силе для хода сжатия выходной части, которая является только половиной силы на приводном механизме для одинакового выходного объема по сравнению с возвратно-поступательным насосом одинарного действия.
Для учета ситуации, когда на стороне входной насосной камеры текучей среды может быть потеряна затравка, или учета возможного отказа уплотнения, является преимущественным иметь обратный клапан либо на конце выхода текучей среды множественных насосных секций, т.е. трехплунжерного или пятиплунжерного насоса, либо расположенным на входной точке общего коллектора, куда выходят множество насосных модулей.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением входная насосная камера текучей среды сообщается по текучей среде с выходной насосной камерой текучей среды посредством выполненного с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение полого плунжера, имеющего проходной канал, указанный полый плунжер имеет входную часть, расположенную с возможностью возвратно-поступательного перемещения во входной насосной камере текучей среды, и выходную часть, расположенную с возможностью возвратно-поступательного перемещения в выходной насосной камере текучей среды, входная часть полого плунжера имеет эффективную площадь вытеснения, которая больше, чем эффективная площадь вытеснения выходной части полого плунжера, причем полый плунжер дополнительно снабжен по меньшей мере одним объединенным всасывающе-нагнетающим клапаном, расположенным в проходном канале, причем входная насосная камера текучей среды и входная часть содержат центральную ось входной насосной камеры текучей среды и вход для текучей среды, имеющий узел входного всасывающего клапана, выходная насосная камера текучей среды содержит центральную ось выходной насосной камеры текучей среды и выходной части, и проходной канал содержит ось проходного канала, причем центральная ось входной насосной камеры текучей среды, центральная ось выходной насосной камеры текучей среды и ось проходного канала являются соосными и образуют центральную ось насоса двойного действия для текучей среды.
Еще в одном дополнительном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением выходная насосная камера текучей среды содержит аккумулятор давления и обратный клапан, при этом аккумулятор давления обеспечивает содействие давлению для инициации хода нагнетания входной части.
В варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением входная насосная камера текучей среды содержит вход для текучей среды, имеющий ось входа для текучей среды, которая соосна центральной оси насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, в результате чего секции конца текучей среды, которые повергаются флуктуациям давления во время ходов всасывания и нагнетания и, тем самым, подвержены растрескиванию под воздействием усталостного напряжения, внутри являются цилиндрическими и ровными по форме с отсутствием перпендикулярных углублений, канавок или других поперечных отверстий, тем самым обеспечивая более равный характер распределения напряжений и в значительной степени снижая усталость.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды содержит полый плунжер с коническим отверстием, действующий в качестве диффузора для уменьшения турбулентности текучей среды и уменьшения износа и эрозии насосной камеры и внутреннего полого отверстия плунжера. Это дополнительно обеспечивает уменьшение веса входной и выходной частей, что является преимуществом.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением полый плунжер содержит скошенные концы плунжера, в которых выполнены отверстия плунжера. Благодаря полому плунжеру с открытыми скошенными концами проблема уплотнения осажденных твердых частиц перед концами плунжера по меньшей мере уменьшается, поскольку на концах плунжера не образованы плоские поверхности, на которых могут застревать осажденные твердые частицы между внутренними концевыми поверхностями камер текучей среды и полым плунжером, как это может быть в случае с обычными возвратно-поступательными плунжерными насосами.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением корпус состоит из первого корпуса, содержащего входную насосную камеру текучей среды, и второго отдельного корпуса, содержащего выходную насосную камеру текучей среды.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением входная насосная камера текучей среды первого корпуса и выходная насосная камера текучей среды второго корпуса имеют цилиндрическую форму.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды входная камера первого корпуса, кроме того, имеет головной конец входной камеры, выходная камера второго корпуса имеет один или более головных концов корпуса, и приводной механизм имеет головной конец корпуса, причем в указанных головных концах или между ними расположено уплотнение и гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство, указанное гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство содержит по меньшей мере один гидравлический цилиндр, расположенный параллельно плунжеру. Гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство может обеспечивать постоянное, но удаленно регулируемое усилие на уплотнительные кольца, что приводит к увеличению срока службы уплотнения насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды и уменьшению времени простоя для технического обслуживания. Гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство предпочтительно дополнительно содержит уплотнительный узел уплотнительной конструкции, содержащий сальниковую коробку, изнашиваемую втулку, уплотнительные кольца и смазочное устройство. Кроме того, поскольку гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство расположено между корпусами и, тем самым, выполнено с возможностью внешнего доступа, оно может быть легко вставлено и убрано целиком, тем самым уменьшая время простоя для ремонта и технического обслуживания.
Еще в одном варианте осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, в котором насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды содержит привод плунжера для осуществления возвратно-поступательного перемещения плунжера, обеспечивается преимущество, когда насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды содержит контроллер для управления и отслеживания работы привода плунжера и работы и отслеживания по меньшей мере одного гидравлического цилиндра. Благодаря использованию контроллера сила, прилагаемая гидравлическим цилиндром, может быть легко и, что более важно из соображений безопасности, удаленно отрегулирована, например, для соответствия силе, оказываемой давлением нагнетания перекачиваемой текучей среды. Кроме того, когда насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды не находится в использовании, уплотнительный узел может быть установлен в ослабленное положение посредством удаления гидравлического давления от цилиндра (цилиндров), тем самым обеспечивая более продолжительный срок службы уплотнения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На ФИГ. 1А в разрезе схематически показан первый вариант осуществления насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, приводимый моментным электродвигателем с полым валом.
На ФИГ. 1В показан его узел входного всасывающего клапана в увеличенном виде,
на ФИГ. 1С показан его объединенный всасывающе-нагнетающий клапан в увеличенном виде, и
на ФИГ. 1D показан его узел выходного нагнетающего клапана в увеличенном виде.
На ФИГ. 1Е показана его гидравлическая уплотнительная конструкция в увеличенном виде.
На ФИГ. 1F показан второй трубопровод для текучей среды внутри отверстия ходового винта.
На ФИГ. 2 в разрезе схематически показан второй вариант осуществления насоса двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, приводимый механизмом коленвала, и
На ФИГ. 3 в разрезе схематически показан вариант осуществления насоса двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, выполненный в виде забойного насоса.
Насос I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, показанный на ФИГ. 1А, имеет первый корпус 3А, содержащий цилиндрическую входную насосную камеру 3 текучей среды, и второй корпус 20А, выполненный отдельно от первого корпуса 3А и содержащий цилиндрическую выходную насосную камеру 20 текучей среды.
Входная насосная камера 3 текучей среды сообщается по текучей среде с выходной насосной камерой 20 текучей среды посредством выполненного с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение полого плунжера 6, 15, 21, имеющего проходной канал 6А, 15А, 21А. Полый плунжер имеет входную часть 6, расположенную во входной насосной камере 3 текучей среды, и выходную часть 21, расположенную в выходной насосной камере 20 текучей среды. Входная часть 6 и выходная часть 21 полого плунжера соединены друг с другом через полый ходовой винт 15. Входная часть 6 полого плунжера имеет наружный диаметр, который больше, чем наружный диаметр выходной части 21 полого плунжера.
Полый плунжер 6, 15, 21 дополнительно снабжен объединенным всасывающе-нагнетающим клапаном и уплотнительным узлом 9, расположенным в проходном канале, в показанном варианте осуществления в месте соединения входной части 6 и полого ходового винта 15 (см. также ФИГ. 1С).
Входная насосная камера 3 текучей среды содержит центральную ось 3В входной насосной камеры текучей среды и вход 1 для текучей среды, имеющий узел входного всасывающего клапана и уплотнительный узел 2 (более подробно показано на ФИГ. 1В). Выходная насосная камера 20 текучей среды содержит центральную ось 20В выходной насосной камеры текучей среды, и проходной канал 6А, 15А, 21А содержит ось 6В, 15В, 21В проходного канала. Насос I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды сконструирован таким образом, что центральная ось 3В входной насосной камеры текучей среды, центральная ось 20В выходной насосной камеры текучей среды и ось 6В, 15В, 21В проходного канала являются соосными и вместе образуют центральную ось IB насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды.
В показанном варианте осуществления диаметр входной насосной камеры 3 текучей среды больше, чем диаметр выходной насосной камеры 20 текучей среды на такую величину, что в комбинации с размерами входной части 6 и выходной части 21 полого плунжера объем вытеснения входной части 6 полого плунжера в два раза больше объема вытеснения выходной части 21 полого плунжера.
В показанном варианте осуществления вход 1 для текучей среды входной насосной камеры 3 текучей среды имеет ось 1В входа для текучей среды, которая является соосной с центральной осью IB насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды (см. ФИГ. 1В), а также выход 23 для текучей среды выходной насосной камеры 20 текучей среды имеет ось 23В выхода для текучей среды, которая является соосной с центральной осью IB насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды (см. ФИГ. 1D). В выходе для текучей среды расположены аккумулятор 25 давления достаточной емкости и нагнетающий клапан и уплотнительный узел 22.
Как показано на ФИГ. 1А, между головным концом 3С первого корпуса и головным концом 20С второго корпуса расположено гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство 24А, 24В, содержащее по меньшей мере один гидравлический цилиндр или исполнительный механизм 4, 19. Гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство 24А, 24В дополнительно содержит компоновочный модуль 5 сальниковой коробки для входной части 6 плунжера и уплотнительный компоновочный модуль 18 для выходной части 21 плунжера.
Насос I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды содержит привод 11, 12, 13 и 14 полого плунжера для осуществления возвратно-поступательного перемещения полого плунжера 6, 15, 21. В показанном варианте осуществления привод полого плунжера содержит статор 11 электрического двигателя, ротор 12 электрического двигателя, систему 13 опор и винтовой роликовый механизм 14 для взаимодействия с полым ходовым винтом 15. Насос I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды дополнительно содержит контроллер 25 (показан схематически) для управления работой привода полого плунжера и работой гидравлических цилиндров или исполнительных механизмов.
В первом варианте осуществления возвратно-поступательное или поступательное перемещение полого плунжера достигается посредством планетарного роликового винтового приводного механизма 11-14. Ходовой винт 15 с конфигурацией, соответствующей конфигурации приводного механизма 14, может являться одной цельной частью, однако для компенсации расширения полого вала 15 посредством внутреннего давления проходного канала 15А, которое может препятствовать точности зазоров и надлежащему функционированию роликового винтового механизма 14, второй трубопровод 15С для текучей среды может быть смонтирован внутри отверстия ходового винта 15 с большим зазором 15D между ходовым винтом 15 и трубопроводом 15С для текучей среды для обеспечения возможности расширения трубопровода 15С, который уплотнен на обоих концах для препятствования входа давления в зазор 15D (см. ФИГ. 1F).
Проходной канал 6А, 15А, 21А от входной части 6 плунжера к выходной части 21 плунжера обеспечивает сообщение или соединение по текучей среде через внутренний канал 15А полого ходового винта 15. Кроме того, накачиваемая среда, проходящая через проходной канал, в частности канал 15А, обеспечивает охлаждение для приводного механизма 11-14.
Когда привод 11-14 выполнен с правосторонним вращением для правостороннего роликового винтового механизма 14, если смотреть со стороны 1 входа текучей среды, полый плунжер 6, 15, 21 будет перемещаться к стороне 1 входа текучей среды насоса и вытеснять текучую среду наружу входной камеры 3, где половина этой текучей среды вытесняется при линейном давлении нагнетания в выходную насосную камеру 20, а другая половина выходит из насоса I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды для его предполагаемого использования. При достижении конца нормального хода направление привода изменяется на левостороннее вращение, и полый плунжер 6, 15, 21 будет перемещаться к стороне 23 выхода насоса I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, одновременно закрывая всасывающий/нагнетающий клапан 9 и обеспечивая ход всасывания для входной части 6 плунжера и ход нагнетания выходной части 21 плунжера. В конце хода нагнетания выходной части 21 плунжера вращение снова реверсируется и цикл повторяется. В этот момент давление в выходной камере 20 и аккумулятор 25 способствуют инициации хода нагнетания входной части 6.
Полый плунжер 6, 15, 21 и ходовой винт 15 поддерживаются держателями 8, 10 и 17, которые подвешены на направляющих валах 7 и 16, благодаря чему держатели 10 и 17 также обеспечивают отсутствие вращения ходового винта 15.
Контроллер 25 управляет работой привода 11-14, т.е. управляет скоростью, вращающим моментом и изменением направления привода. В частности, контроллер 25 управляет скоростью для следующих этапов в течение цикла: ход предварительного сжатия входной части 6, время ускорения оборотов, ход нагнетания входной части 6, время замедления оборотов, остановка привода и изменение направления, время ускорения оборотоввыходной части 21, ход нагнетания выходной части 21. В частности, контроллер 25 может отслеживать параметры насоса и двигателя, например, положение ходового винта 15 и количество оборотов приводного механизма 14 для достижения полного предварительного сжатия, и регулировать количество оборотов предварительного сжатия, как и когда потребуется. Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения насос I прямого вытеснения двойного действия для текучей среды может содержать датчики для измерения давления текучей среды и (резервные) датчики и кодирующие устройства для управления концевыми положениями ходового винта 15, например, для обычных операций и положениями для технического обслуживания.
Эти датчики и кодирующие устройства присоединены к контроллеру 25, который принимает результаты измерений и может инициировать надлежащие действия, как и когда потребуется, например, вращение в обратном направлении, остановку, когда происходит падение измеренного давления ниже заданного порогового значения на входе 1, что потенциально может означать потерю затравки в насосе, или остановку, когда измеренное давление превышает заданное пороговое значение (так называемый ограничитель давления).
Контроллер также будет регистрировать некоторые параметры насоса и двигателя, такие как, среди прочего, давление и количество циклов, для того, чтобы прогнозировать профилактическое обслуживание винтового приводного механизма и уплотнения.
Длина хода приводного ходового винта 15 дополнительно может быть такой, что после нормального рабочего цикла насоса он имеет дополнительный ход в каждом направлении таким образом, что плунжер может быть отведен от нагнетательной части и уплотнительной конструкции 24А, 24В, а эта уплотнительная конструкция может быть заменена без дополнительного демонтажа нагнетательной части, тем самым значительно уменьшая усилия, время простоя и человеко-часы на техническое обслуживание.
Следует отметить, что привод полого плунжера насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды не ограничен приводом, показанным в первом варианте осуществления. Следует понимать, что приводной механизм может быть любого известного типа, такой как винтовая передача шарикового типа, привод с шариковым ходовым винтом, роликовый винтовой привод или планетарный роликовый винтовой привод, привод с роликовым ходовым винтом, самореверсивный шариковый винт или любой другой тип винтового приводного механизма, как прямо приводимый электрическим двигателем с полым валом, так и непрямо посредством коробки передач с полым валом (множество) и связанным приводом (приводами). Размеры диаметров входной и выходной частей плунжера и шарикового винтового привода, роликового винтового привода или планетарного роликового винта (шаг или ход, число пусков, внутренний и наружный диаметры и длина) или тип и соотношения коробки передач являются функцией требуемых ходов в минуту, доступного вращающего момента и оборотов приводного двигателя, а также требуемого максимального давления нагнетания насоса и выходного объема.
Кроме того, полый приводной вал может приводиться посредством одного или более гидравлических или пневматических цилиндров двойного действия.
Специалистам в данной области техники может быть понятно, что очень длинные ходы насоса могут быть достигнуты с таким типом приводного механизма, который в значительной степени уменьшает количество циклов, следовательно, уменьшает усталость, и является преимущественным для срока службы уплотнения, клапанов и корпуса нагнетательной части.
На ФИГ. 2 в разрезе схематически показан второй вариант осуществления насоса II прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением. В этом втором варианте осуществления насоса II прямого вытеснения двойного действия для текучей среды указанный насос II приводится механизмом 31, 32, 33 коленвала, имеющим силовой конец 31, коленвал 32 и приводной стержень 33 коленвала. Приводной стержень 33 коленвала присоединен к направляющему блоку 34, смонтированному на направляющей втулке 34А и присоединенному к тяге 35 толкающе-тянущего типа.
Насос II прямого вытеснения двойного действия для текучей среды имеет первый корпус 36, содержащий цилиндрическую входную насосную камеру 36А текучей среды, и второй корпус 39, отдельный от первого корпуса 36 и содержащий цилиндрическую выходную насосную камеру 39А текучей среды. Цилиндрическая насосная камера 39А текучей среды содержит выход 39Е для текучей среды, следует понимать, что несколько насосных секций могут быть смонтированы вместе в качестве трехплунжерного или пятиплунжерного насоса, как сконструированного в виде моноблока, так и индивидуальных насосных секций, как это общепринято в случае обычных возвратно-поступательных насосов. Поток множественных насосных секций объединен с помощью канала 39G, который находится под постоянным давлением текучей среды. Это давление будет способствовать инициации ходов нагнетания входных частей 43 плунжера множественных насосных секций, как предписывается соответствующими положениями коленвала.
Входная насосная камера 36А текучей среды сообщается по текучей среде с выходной насосной камерой 39А текучей среды посредством выполненного с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение полого плунжера 40, имеющего проходной канал 40А. Полый плунжер 40 имеет входную часть 43, расположенную во входной насосной камере 36А текучей среды, и выходную часть 44, расположенную в выходной насосной камере 39А текучей среды. Входная часть 43 полого плунжера имеет наружный диаметр, эффективная площадь которого больше, чем эффективная площадь наружного диаметра выходной части 44.
Полый плунжер 40 дополнительно снабжен объединенным всасывающе-нагнетающим клапаном 45, расположенным в проходном канале 40А. Входная насосная камера 36А текучей среды содержит вход 38 для текучей среды, имеющий узел 37 входного всасывающего клапана. В этом варианте осуществления также центральная ось 36В входной насосной камеры текучей среды, центральная ось 39В выходной насосной камеры текучей среды, ось 40В проходного канала и ось 38В входа для текучей среды являются соосными и образуют центральную ось IIB насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды.
В этом варианте осуществления внутренний диаметр входной насосной камеры 36А текучей среды больше, чем внутренний диаметр выходной насосной камеры 2039А текучей среды на такую величину, что в комбинации с расположением/размерами входной части 43 и выходной части 44 полого плунжера объем вытеснения входной части 43 полого плунжера в два раза больше объема вытеснения выходной части 44 полого плунжера. Полый плунжер 40 имеет скошенные концы 41А, 42А, в которых выполнены отверстия 41В, 42В плунжера.
Тяга 35 толкающе-тянущего типа прикреплена к полому плунжеру 40 и проходит через масляное уплотнение 46 силового конца, расположенное в насосном конце механизма коленвала, и сальниковую коробку и корпус сальника 48, который взаимодействует со вторым головным концом 39С второго корпуса 39. По меньшей мере один гидравлический цилиндр (или исполнительный механизм) 47 расположен между насосным концом механизма коленвала и сальниковой коробкой 48 для выдерживания постоянной но регулируемой силы между этими двумя компонентами.
Первый корпус 36 имеет первый головной конец 36С корпуса, а второй корпус 39 имеет второй головной конец 39D корпуса, между которыми расположено гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство 50, 51, 52. Это гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство содержит по меньшей мере один гидравлический цилиндр 51, который расположен параллельно полому плунжеру 40, сальниковую коробку и корпус сальника 50 выходной части плунжера и сальниковую коробку и корпус сальника 52 входной части плунжера. Насос II прямого вытеснения двойного действия для текучей среды дополнительно содержит контроллер 53 для управления работой привода 31, 32, 33 полого плунжера и работой указанного по меньшей мере одного гидравлического цилиндра 51 аналогично контроллеру первого варианта осуществления, показанного на ФИГ. 1.
Следует понимать, что в указанном варианте осуществления, как показан на ФИГ. 2, при использовании в качестве модернизации для существующих обычных силовых концов коленвала размеры тяги 35, выходного плунжера 40 и входного плунжера 43 и их соответствующих корпусов могут иметь такие размеры и быть адаптированы для того, чтобы удовлетворять механическим свойствам силового конца для приводного стержня и максимальным толкающим и тянущим нагрузкам подшипников, в то же время все еще обеспечивая принцип двойного действия насоса.
В варианте осуществления, раскрытом на ФИГ. 2, размеры плунжера основаны на диаметре тяги и диаметре входной части, что дает две переменные для размеров насоса, т.е. размер тяги толкающе-тянущего типа для обеспечения требуемой прочности для толкающих и тянущих сил и меньшего плунжера по сравнению с тягой для требуемой производительности.
По сравнению с предыдущим уровнем техники, как в US-B-8,550,794, где один диаметр диктует размер противоположного диаметра, и эти размеры всегда основываются либо на √ (меньший поршень ^2*2), либо на √ (больший поршень ^2*2) (в случае, когда должны быть равны выходы обоих полостей), в варианте осуществления, раскрытом на ФИГ. 2, размеры плунжера основаны на диаметре тяги и диаметре входной части или диаметре выходной части, что дает две переменные для размеров насоса, где может быть достигнут существенно больший выходной объем с тем же диаметром тяги.
На ФИГ. 3 схематически показан дополнительный вариант осуществления насоса III прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением, выполненный в виде забойного насоса. Этот забойный насос содержит корпус 71А нижней части насоса и входную камеру 71 текучей среды и корпус 64А верхней части насоса и выходную камеру 64 текучей среды. Внутренний диаметр корпуса 71А нижней части насоса больше, чем внутренний диаметр корпуса 64А верхней части насоса. Входная насосная камера 71 текучей среды сообщается по текучей среде с выходной насосной камерой 64 текучей среды посредством выполненного с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение полого плунжера 60, имеющего проходной канал. Полый плунжер 60 имеет входную часть 73, расположенную в корпусе 71А нижней части насоса, и выходную часть 69, расположенную в корпусе 64А верхней части насоса. Входная часть 73 полого плунжера имеет наружный диаметр, который больше, чем наружный диаметр выходной части 69 полого плунжера. Полый плунжер 60 дополнительно снабжен объединенным всасывающе-нагнетающим клапаном 66, также называемым подвижным клапаном глубинного насоса и расположенным в проходном канале. Центральная ось входной насосной камеры текучей среды, центральная ось входа 80 для текучей среды, центральная ось выходной насосной камеры текучей среды и ось проходного канала являются соосными и образуют центральную ось IIIB насоса прямого вытеснения двойного действия для текучей среды. Внутренний диаметр корпуса 71А насоса больше, чем внутренний диаметр корпуса 64А насоса на такую величину, что в комбинации с расположением/размерами входной части 73 и уплотнения 74 и выходной части 69 и уплотнения 65 полого плунжера объем вытеснения входной части 73 полого плунжера предпочтительно в два раза больше объема вытеснения выходной части 69 полого плунжера, в результате чего половина текучей среды вытесняется вверх и из скважины, а другая половина обеспечивает заполнение для выходной камеры 64 текучей среды. Ход вверх обеспечивает вытеснение текучей среды из выходной камеры 54, одновременно обеспечивая ход всасывания для входной камеры 71 текучей среды. Забойный насос III дополнительно содержит насосную штангу 61, направленную к поверхности земли, направляющую 62, полированный шток 63, уплотнение 65 для меньшей выходной части 69, клапан 67 сброса давления, отверстие 68 давления/вакуума, камера 70 давления/вакуума, уплотнение 74 для входной части 73 плунжера, всасывающий или входной клапан 75, якорь 76 насосно-компрессорной колонны и объемную трубу 81 для увеличения скорости через полый плунжер.
Камера 70 цилиндровой втулки поршня уплотнена и закрыта наружу для того, чтобы предотвращать противодействие гидростатического давления скважины давлению эффективных площадей наружной части входной части 73, тем самым увеличивая тянущую силу хода вверх. Может быть преимущественным наличие камеры 70 цилиндровой втулки, предварительно заряженной давлением воздуха или азота, или создание определенного процента вакуума внутри камеры 70. В течение хода вверх в камере 70 давления/вакуума будет происходить увеличение давления. Это увеличение давления может способствовать инициации хода вниз, если так потребуется, или в случае вакуума, уменьшение величины увеличения давления в течение хода вверх. При ходе вверх необходимо учитывать и добавлять к общей силе, направленной вверх, силу, требуемую для создания этого давления. Поскольку насос в соответствии с настоящим изобретением представляет собой тип насоса прямого вытеснения двойного действия, ход вниз требует силу для вытеснения текучей среды из скважины, по сравнению с забойными насосами предыдущего уровня техники, где ход вниз не вытесняет какую-либо текучую среду из скважины. Такая требуемая направленная вниз сила получается посредством веса насосной штанги, которая может иметь такие размеры и быть адаптирована таким образом, как потребуется для получения указанной требуемой направленной вниз силы. Инициации направленной вниз силы будет способствовать гидростатическое давление столба текучей среды над выходной частью 69, действующее по эффективной площади выходной части 69 в течение предварительного сжатия входной камеры 71 до тех пор, пока не будут сбалансированы давления над подвижным клапаном 66 глубинного насоса и под ним. Кроме того, полученное давление в камере 70 во время хода вверх добавит дополнительную силу ходу вниз. Длина полой поршневой части 60 и корпуса 71А относительно длины корпуса 64А насоса следует определять при помощи объема большей камеры 70 цилиндровой втулки поршня и желаемого увеличения давления в течение хода вверх. Длина корпуса 71А и относящейся к нему камеры 70 цилиндровой втулки относительно хода насоса вместе с предварительно заряженным давлением или вакуумом камеры 70 будет определять общее давление, полученное в камере 70 в конце хода вверх. Поскольку ход вниз является ходом прямого вытеснения, и объем сжатия между всасывающим клапаном и подвижным клапаном минимален, газовая пробка в насосе минимальна.
Насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в обширной области, например, для накачивания текучих сред для стимуляции скважины при по гидроразрыве скважины и увеличению добычи в нефтегазовой промышленности, для накачивания текучих сред для струи воды под высоким давлением, для накачивания криогенных текучих сред, для накачивания буровых растворов во время буровых работ, особенно во время измерений во время бурения и каротажа во время буровых работ, для накачивания цемента во время цементирования и тампонирования для прекращения работ, ликвидации скважин, накачивания раствора для заканчивания скважин, для применений от низкого до (экстремального) высокого давления в дозирующих и нагнетающих насосах, для нагнетания высокого давления и очень низкого объема химических веществ в скважинных производственных потоках (таких как ингибиторы образования отложений и тому подобное), сжатия газа, для накачивания бетона и в качестве погружных скважинных насосов для подъема углеводородов.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, который основан на понимании, что вместо использования полого плунжера с проходным каналом для обеспечения сообщения по текучей среде между входной насосной камерой текучей среды и выходной насосной камерой текучей среды может быть использован внешний канал с интегрированным клапаном одностороннего действия, предложен насос прямого вытеснения двойного действия для текучей среды, имеющий два или более корпусов, содержащих входную насосную камеру текучей среды, и отдельный корпус, содержащий выходную насосную камеру текучей среды, выполненный с возможностью приведения в возвратно-поступательное движение плунжер, причем входная насосная камера текучей среды сообщается по текучей среде с выходной насосной камерой текучей среды посредством внешнего канала с интегрированным клапаном одностороннего действия, указанный плунжер имеет входную часть, расположенную во входной насосной камере текучей среды, и выходную часть, расположенную в выходной насосной камере текучей среды, входная часть плунжера имеет эффективную площадь вытеснения, которая больше, чем эффективная площадь вытеснения выходной части плунжера, причем входная насосная камера текучей среды содержит центральную ось входной насосной камеры текучей среды и вход для текучей среды, имеющий узел входного всасывающего клапана, выходная насосная камера текучей среды содержит центральную ось выходной насосной камеры текучей среды, и плунжер содержит ось плунжера, причем центральная ось входной насосной камеры текучей среды, центральная ось выходной насосной камеры текучей среды и ось плунжера являются по меньшей мере по существу соосными и образуют центральную ось насоса двойного действия для текучей среды. Затем предпочтительно, что размеры входной части и выходной части плунжера таковы, что объем вытеснения входной части плунжера по существу в два раза больше объема вытеснения выходной части плунжера. Дополнительно предпочтительно, что вход для текучей среды входной насосной камеры текучей среды имеет ось входа для текучей среды, которая соосна с центральной осью насоса двойного действия для текучей среды. Преимущественно, когда выходная насосная камера текучей среды содержит аккумулятор давления и обратный клапан. Предпочтительно, плунжер имеет скошенные концы. В варианте осуществления корпус состоит из первого корпуса, содержащего входную насосную камеру текучей среды, и второго корпуса, отдельного от первого корпуса и содержащего выходную насосную камеру текучей среды, предпочтительно, входная насосная камера текучей среды первого корпуса и выходная насосная камера текучей среды второго корпуса являются цилиндрическими. Еще в одном варианте осуществления этого аспекта настоящего изобретения первый корпус имеет головной конец первого корпуса, второй корпус имеет головной конец второго корпуса, между головным концом первого корпуса и головным концом второго корпуса расположено гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство, указанное гидравлическое уплотнительное регулирующее устройство содержит по меньшей мере один гидравлический цилиндр, расположенный параллельно плунжеру, или между головным концом первого корпуса и головным концом второго корпуса расположено уплотнительное регулирующее устройство типа, имеющего механическую гайку. Предпочтительно, насос двойного действия для текучей среды содержит привод плунжера для осуществления возвратно-поступательного перемещения плунжера, причем насос двойного действия для текучей среды содержит контроллер для управления работой привода плунжера и работой по меньшей мере одного гидравлического цилиндра.