НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
PUMP PLANT

Изобретение относится к оборудованию для подъема пластовой жидкости из скважин.
Известна насосная установка, содержащая привод возвратно-поступательного движения в виде электродвигателя вращения с эксцентриком и упругим элементом, установленная над скважиной, подъемные трубопроводы, размещенные в колонне обсадных труб в скважине (Вибрационная техника в сельском хозяйстве. Дубровский А.А. - М.: Машиностроение, 1968. Стр.182).
Недостатком этой установки является низкая надежность привода возвратно-поступательного движения из-за передачи значительных динамических усилий на подшипниковые узлы, сложность регулирования производительности, что ограничивает возможности применения насосной установки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является насосная установка, содержащая привод возвратно-поступательного движения в виде линейного асинхронного электродвигателя со статором и плунжером-ротором, корпус с подключенным к нему трубопроводом для прохода жидкости в скважине, в которой статор жестко связан с корпусом и установлен аксиально на трубопроводе (SU 521396 A, 31.01.1977).
Недостатком известного технического решения является низкая надежность привода из-за возможности попадания скважинной жидкости на обмотки статора двигателя, работа статора постоянно в тяжелых переходных процессах выключения и включения с реверсом фаз, и большая трудоемкость ремонта из-за размещения статора двигателя в корпусе и внутри плунжера-ротора, что ограничивает возможность применения насосной установки.
Технической задачей, поставленной в изобретении является повышение надежности и расширение возможностей применения насосной установки.
Эта задача достигается тем, что в насосной установке, содержащей привод возвратно-поступательного движения в виде линейного асинхронного электродвигателя со статором и плунжером-ротором, корпус с подключенным к нему трубопроводом для прохода жидкости в скважине, статор жестко связан с корпусом и установлен аксиально на трубопроводе, линейный асинхронный электродвигатель снабжен станцией управления с датчиком скорости плунжера-ротора и коммутатором фазы трехфазной системы питания статора, причем работой коммутатора управляет датчик скорости плунжера-ротора так, что при движении плунжера-ротора в скважину коммутатор включен, плунжером-ротором является трубопровод, соединенный с корпусом посредством упругого накопителя механической энергии.
Известно получение возвратно-поступательного движения рабочего органа технологического оборудования посредством применения линейного асинхронного электродвигателя и упругих накопителей энергии. Во всех известных технических решениях присутствует режим выключения и последующего включения электродвигателя. Имеющиеся при этом переходные процессы, сопровождаемые скачком тока, тяжело сказываются на обмотке статора, приводя к интенсивному ее старению и последующему выходу из строя. Только в описываемом техническом решении имеется возможность создания возвратно-поступательного движения рабочего органа технологического оборудования без режима коммутации обмоток линейного асинхронного электродвигателя.
На чертеже показана насосная установка в разрезе.
Насосная установка содержит цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЛАД), статор 1 которого охватывает плунжер-ротор 2.
Плунжер-ротор 2 выполнен в виде ферромагнитной трубы для прохода жидкости. По длине трубы 2 расположены клапаны 3. Труба установлена подвижно в корпусе 4. Жестко в корпусе 4 посредством заглушки 5 установлен статор ЛАД. Корпус 4 и труба 2 взаимосвязаны друг с другом упругим накопителем механической энергии 6, торцы которого жестко связаны через фланец 7 с трубой, а через заглушку 5 - с корпусом 4, например посредством сварки или другим известным способом. Обмотки статора подключены к источнику питания через станцию управления (на чертеже не показана). Станция управления снабжена датчиком скорости плунжера-ротора и коммутатором фазы трехфазной системы питания статора.
д
Насосная установка работает следующим образом. При включении станции управления к статору 1 ЛАД подводится трехфазная система питания. Электрический ток в статоре создает бегущее магнитное поле, направленное вверх из скважины. Магнитное поле, взаимодействуя с током, индуцируемым в замкнутом контуре плунжера-ротора 2, вызывает под действием электромагнитной силы двигателя F аксиальное перемещение плунжера-ротора относительно корпуса и статора ЛАД вверх из скважины.
c
д
с
д
c
д
По мере движения плунжера-ротора 2 пружина 6 будет сжиматься, создавая увеличивающую силу сопротивления F. При достижении равенства сил F=F скорость плунжера-ротора будет равна нулю, и датчик скорости плунжера-ротора включит коммутатор, который обесточивает любую одну фазу статора ЛАД. Бегущее магнитное поле, создаваемое статором, исчезает (F=0). Под действием силы F предварительно сжатой пружины 6, плунжер-ротор начинает движение в обратном направлении (в скважину) с возрастающей скоростью. Этому способствует и появление при движении плунжера-ротора электромагнитной силы F при двухфазном питании статора ЛАД. После прекращения предыдущей деформации пружина 6 начнет под действием инерции движущихся масс и силы F деформироваться в другую сторону. В какой то момент времени кинетическая энергия движущихся масс перейдет в потенциальную энергию деформированной пружины 6. Движение плунжера-ротора прекратится. Датчик скорости отключит коммутатор. Статор ЛАД станцией управления подключится к трехфазной системе питания. Появится сила F в направлении из скважины. Под действием этой силы и потенциальной энергии деформированной пружины 6 начнется движение плунжера-ротора в противоположную сторону в направлении из скважины. Так как в представленном техническом решении плунжер-ротор ЛАД совмещен с трубопроводом для прохода жидкости, последний совершает такое же колебательное движение, как плунжер-ротор. При движении водоподъемной трубы в скважину обратный клапан 3 (шаровой, пластинчатый или другой конструкции) пропускает жидкость. При движении водоподъемной трубы из скважины клапан 3 закрывается. Между нижним клапаном 3 и водой в скважине возникает разреженное пространство, в которое из скважины устремляется жидкостной поток. Далее описанный процесс повторяется. Количество установленных клапанов 3 в водоподъемной трубе 2 определяется глубиной подъема жидкости. Чем больше глубина подъема, тем больше должно быть количество установленных клапанов.
Статор ЛАД должен быть установлен на заглушке 5 жестко любым известным способом, например болтовым соединением, а требуемый зазор между статором и плунжером-ротором, совмещенным с трубопроводом, может быть выдержан путем установки промежуточных подшипников скольжения. При таком решении проблема доступа к статору, например для ремонта, устранена.
В описываемом техническом решении исключено попадание скважинной жидкости на обмотки статора ЛАД, кроме этого обмотки статора в процессе работы не коммутируются, тем самым исключается возможный пробой изоляции обмоток при переходных процессах коммутации, связанных с изменением фазы подключения обмоток и большими пусковыми токами, имеющимися при коммутации обмоток. В описываемом техническом решении только одна фаза двигателя периодически отключается от источника питания, две оставшиеся фазы не коммутируются, двигатель не выключается, а периодически из трехфазного режима переводится в двухфазный, тем самым переходные процессы коммутации в значительной степени ослаблены.
Кроме этого, имеющая место при двухфазном режиме питания ЛАД вибрация плунжера-ротора передается водоподъемной трубе, повышая эффект погружения трубы в скважину с жидкостью, уменьшая сопротивление жидкости о стенки трубы. Тем самым повышается эффективность работы насоса.
Коммутатор фазы может быть выполнен на основе однофазного тиристорного пускателя. В качестве датчика скорости может быть применен, например, оптический датчик скорости.