Способ и система демпфирования погружной насосной установки с линейным вентильным электродвигателем
METHOD AND SYSTEM FOR DAMPING SUBMERSIBLE PUMP PLANT WITH LINEAR INVERTER ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к погружным насосным установкам, возвратно-поступательного действия для добычи пластовых жидкостей, преимущественно в нефтедобыче, в частности к способам и системам защиты от динамических нагрузок, возникающих при внештатных режимах работы.
Особенности работы погружных насосных установок возвратно- поступательного действия предусматривают наличие компенсаторов динамических нагрузок, крайних точек хода подвижных частей.
В технике известны компенсаторы динамических нагрузок, такие как, гидромеханические демпферы которые, как правило, включают в себя емкость с рабочей жидкостью, поршень с поршневым штоком, который перемещается в цилиндрическом корпусе в ответ на силы, возникающие в результате возвратно-поступательного движения, связанных с поршнем подвижных частей, создавая гидравлическое давление, противодействующее движению поршня. Подобного рода технические решения широко применяются в различных областях техники, особенно в машиностроении. Примером такого технического решения можно считать, описанный в патенте США № US9702424 от 11.07.2017, МПК F16F9/00; B60G17/056 гидравлический демпфер который включает корпус с поршнем, поршневым штоком, которые действуют совместно для увеличения гидравлического давления, прилагаемого к поршню, с увеличением сопротивления его движению, на пути к нижней крайней точки своего хода. Также система включает перепускные клапаны и пару кольцевых каналов для пропускания жидкости и дополнительную емкость, с рабочей жидкостью сообщенную с объемом сжатия.
Описанный гидравлический демпферный ограничитель может использоваться для замедления движения поршня в крайних точках хода.
К недостаткам описанного технического решения в контексте применения к конструкции погружных насосных установок можно отнести применение емкости с рабочей жидкостью (аккумулятора), что потребует установки дополнительных уплотнительных элементов и приведет к уменьшению межремонтных сроков.
В погружной технике для добычи пластовой жидкости, также известны различные варианты устройства компенсаторов динамических нагрузок. Так, из патента на изобретение RU 2372472 от 27.02.2007 МПК E21B 43/00, E21B 17/07 известен компенсатор динамических нагрузок глубинно-насосных штанг который содержит размещенный в колонне насосно-компрессорных труб цилиндр с хвостовиком и плунжер со штоком, находящиеся в составе колонны насосных штанг, связанной со штанговым насосом, плунжер размещен в цилиндре с зазором от 7 микрон до 2 мм, а шток размещен в хвостовике с зазором от 3 микрон до 0,5 мм. Величины зазоров подбираются в зависимости от вязкости и степени загрязненности жидкости. На концах рабочего цилиндра выполнены радиальные отверстия, выполняющие роль каналов для перетока жидкостей.
К недостаткам описанного технического решения, можно отнести то, что для обеспечения оптимальной работы компенсатора необходимо выполнять подбор диаметров отверстий в зависимости от вязкости жидкости в каждой конкретной скважине, что сужает возможности применения устройства, так как требует индивидуального подхода в каждом отдельном случае.
Также из патента на изобретение RU 2549381 от 27.04.2015 МПК F04B47/06; H02K 41/02, известна система демпфирования погружной насосной установки, с линейным вентильным электродвигателем, выполненная с возможностью компенсации динамической нагрузки, в по меньшей мере, одной из крайних точек хода его подвижной части. Указанная система демпфирования содержит отбойники верхнего и нижнего положения подвижной части линейного вентильного электродвигателя, причем, при движении вниз ударные нагрузки на корпус двигателя в нижнем положении штока уменьшаются путем замедления истечения пластовой жидкости посредством отверстий в основании корпуса. Отбойник верхней крайней точки закреплен на соединительной муфте штанги плунжерного насоса и штока подвижной части линейного двигателя (слайдера), а отбойник нижней крайней точки, закреплен болтом на концевом элементе корпуса электродвигателя.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести применение в качестве компенсирующих элементов - отбойников жестко закрепленных на элементах конструкции электродвигателя, что не является эффективным способом компенсации динамических нагрузок. Также замедление хода слайдера, посредством устройства отверстий в основании, корпуса создает значительное сопротивление оттоку жидкости и как следствие, поступательному движению слайдера вниз, при каждом ходе.
Указанное техническое решение принимаем за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлено, заявляемое техническое решение, является реализация эффективной системы демпфирования погружной насосной установки и обеспечение защиты элементов конструкции от динамических воздействий при возвратно-поступательном движении подвижной части линейного вентильного электродвигателя (слайдера).
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого технического решения, заключается в снижение динамических нагрузок на элементы конструкции линейного вентильного электродвигателя, увеличении межремонтных сроков и общего срока службы погружной насосной установки.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что согласно описанному способу, в по меньшей мере, одной из крайних точек хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя устанавливают, по меньшей мере, одно гидромеханическое устройство компенсации динамической нагрузки, в качестве рабочей жидкости для которого, используют жидкость из окружающей среды насосной установки. При этом давление, создаваемое рабочей жидкостью в цилиндрической полости гидромеханического устройства устанавливают с учетом расчетного ограничения хода пружинного элемента.
При ходе подвижной части линейного вентильного электродвигателя вниз, выполняют сброс столба жидкости, находящейся в полости направляющей трубы, через отверстия в ее нижней части.
Согласно описанному способу система демпфирования погружной насосной установки с линейным вентильным электродвигателем, включает, по меньшей мере, одно гидромеханическое устройство компенсации динамической нагрузки, установленное, в по меньшей мере, одной из крайних точек хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя. Указанное гидромеханическое устройство состоит из заполняемой рабочей жидкостью цилиндрической полости с перепускными отверстиями, а также подвижного полого поршня и ответного опорного элемента с установленным между ними упругим элементом, причем указанная цилиндрическая полость, выполнена с возможностью заполнения рабочей жидкостью из окружающей среды насосной установки.  Перепускные отверстия разнесены по длине цилиндрической полости гидромеханического устройства и выполнены с возможностью замедления хода поршня, по мере их поочередного перекрытия телом поршня и увеличения сопротивления оттоку рабочей жидкости. Указанное гидромеханическое устройство выполнено с возможностью заполнения цилиндрической полости рабочей жидкостью, посредством перепускных отверстий, при этом, гидромеханическое устройство, по меньшей мере, одной из крайних точек хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя оснащено дополнительным перепускным клапаном, установленным в ответном опорном элементе. Также, гидромеханическое устройство, установленное, в по меньшей мере, одной из крайних точек хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя выполнено с возможностью обеспечения связи указанной подвижной части с плунжером насосной установки, посредством соединительного элемента установленного в полости поршня.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается следующим комплектом изображений:
фиг.1 – система демпфирования погружной насосной установки, общий вид;
фиг.2 – устройством компенсации динамической нагрузки верхней крайней точки, в разрезе;
фиг.3 – устройством компенсации динамической нагрузки нижней крайней точки, в разрезе.
Заявляемое техническое решение, предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления раскрыт в описании и показан посредством, приведенных графических материалов. Описанный вариант реализации изобретения, не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле.
Согласно заявляемому изобретению, способ демпфирования погружной насосной установки с линейным вентильным электродвигателем заключается в том, что выполняют компенсацию динамических нагрузок, в по меньшей мере одной из крайних точек хода его подвижной части. В по меньшей мере, одной из крайних точек хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя устанавливают, по меньшей мере, одно гидромеханическое устройство компенсации динамической нагрузки, в качестве рабочей жидкости для которого, используют жидкость из окружающей среды насосной установки, при этом, давление, создаваемое рабочей жидкостью в цилиндрической полости, гидромеханического устройства, устанавливают с учетом расчетного ограничения хода пружинного элемента. При ходе подвижной части линейного вентильного электродвигателя вниз, выполняют сброс столба жидкости, находящейся в полости направляющей трубы подвижной части, через отверстия в ее нижней части.
Система демпфирования погружной насосной установки в целях реализации описанного способа, включает, линейный вентильный электродвигатель 1 (фиг.1) с подвижной частью 2 в виде слайдера, связанного с плунжером 3 погружного насоса 4, а также устройства компенсации динамических нагрузок нижней 5 и верхней 6, крайних точках хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя.
Описанный вариант исполнения предусматривает наличие гидромеханических устройств компенсации динамической нагрузки, установленных в двух крайних точках хода подвижной части линейного вентильного электродвигателя, но также возможны и другие варианты реализации, например, с применение иных демпфирующих устройств аналогичного назначения.
1
1
1
1
1
В общем варианте исполнения гидромеханическое устройство, окружено корпусной трубой 7 погружной насосной установки и включает в себя, заполняемую рабочей жидкостью цилиндрическую полость 8; 8(фиг.2;3)с перепускными отверстиями 9; 9, а также подвижный полый поршень 10; 10 и ответный опорный элемент 11; 11, с установленным между ними упругим элементом 12; 12. Элементы конструкции гидромеханического устройства, образующие пары трения, защищены от износа, посредством повышения твердости соприкасающихся поверхностей.
1
1
Гидромеханическое устройство, выполнено с возможностью заполнения цилиндрической полости рабочей жидкостью, посредством перепускных отверстий 9, 9. Перепускные отверстия разнесены по длине цилиндрической полости гидромеханического устройства и выполнены с возможностью замедления хода поршня 10, 10, по мере их поочередного перекрытия телом поршня и увеличения сопротивления оттоку рабочей жидкости.
Исходя из расположения, и соответственно, выполняемых функций, компенсирующие устройства верхней и нижней крайних точек имеют конструктивные особенности. В связи с чем, гидромеханическое устройство, по меньшей мере, одной из крайних точек хода слайдера, в частности нижней крайней точки (фиг. 2), оснащено дополнительным перепускным клапаном 13, установленным в ответном опорном элементе 11. Также, наличие в теле поршня, полости 14 переменного диаметра с его уменьшением по отношению к отверстию направляющей трубы 15 подвижной части линейного электродвигателя 2, способствует замедлению хода слайдара, перед соударением с упомянутым поршнем 10.
При этом, гидромеханическое устройство 6, установленное в по меньшей мере, одной из крайних точек хода слайдера, в частности верхней крайне точке (фиг.3), выполнено с возможностью обеспечения связи, указанного слайдера 2 с плунжером 3 насосной установки, посредством соединительного элемента 16 (фиг.1).
Заявляемое техническое решение работает следующим образом. В штатном режиме работы погружной насосной установки, указанные гидромеханические компенсирующие устройства - не задействованы.
В случае возникновения внештатных ситуаций, и выходе подвижной части линейного вентильного электродвигателя за заданные пределы перемещений, система демпфирования позволяет скомпенсировать динамические нагрузки, возникающие при достижении крайних точек хода.
При ходе подвижной части 2 вниз, к нижней крайней точке происходит сброс столба жидкости находящейся в полости направляющей трубы 15 (фиг.2), установленной в полости 14 поршня 10, через отверстия 17 в нижней части, указанной направляющей трубы, при этом, сужение полости 14 поршня 10 по отношению к диаметру направляющей трубы 15 слайдера, замедляет ход подвижной части 2, перед соударением с упомянутым поршнем 10. После контакта слайдера 2 с поршнем 10 и передачи поступательного движения, поршень выполняет движение в продольном правлении, создавая давление на рабочую жидкость в цилиндрической полости 8, постепенно замедляясь по мере поочередного перекрытия перепускных отверстий 9 и увеличения сопротивления оттоку рабочей жидкости, при этом препускные отверстия, выполнены непосредственно в корпусе указанного гидромехнического устройства 5. В свою очередь, дополнительное сдерживающее усилие создает упругий элемент 12, служащий, также, в качестве возвратного механизма поршня 10. При обратном ходе подвижной части 2 линейного электродвигателя 1 к верхней крайней точке и возврате поршня 10 в исходное положение, под воздействием разряжения открывается заправочный клапан 13, расположенный в опорном элементе 11 для повторного заполнения цилиндрической полости 8 рабочей жидкостью, также жидкость может поступать по мере открывания перепускных отверстий 9.
1
1
1
1
1.
1
1
1
1
1
1
1
При достижении подвижной частью верхней крайне точки и контакте с поршнем 10(фиг.3) гидромеханического устройства 6, поршень выполняет поступательное движение, создавая давление на рабочую жидкость в цилиндрической полости 8, постепенно замедляясь по мере поочередного перекрытия перепускных отверстий 9 и увеличения сопротивления оттоку рабочей жидкости. При этом, перепускные отверстия выполнены в ответном опорном элементе 11, который также является полым и находится в постоянном контакте с поршнем 10 Полости поршня 10 и ответного опорного элемента 11 сопряжены с образованием полости в которой, установлен соединительный элемент 16 подвижной части 2 линейного электродвигателя 1 с плунжером 3 насоса. Дополнительное сдерживающее усилие создает упругий элемент 12, служащий также, в качестве возвратного механизма поршня 10. Повторное заполнение цилиндрической полости 8, указанного гидромеханического устройства 6 происходить при обратном поступательном движении поршня 10, через перепускные отверстия 9.
Ход пружинного элемента, ограничивают с целью увеличения ресурса его работы, при этом диаметры перепускных отверстий устанавливают с учетом обеспечения давления, создаваемое рабочей жидкостью в цилиндрической полости гидромеханического компенсирующего устройства, по мере перекрытия перепускных отверстий, телом поршня, достаточного для его замедления.
Реализация заявляемого изобретения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая снижение динамических нагрузок на элементы конструкции электродвигателя, посредством применения эффективной системы демпфирования, интегрированной в конструкцию погружной насосной установки без существенного увеличения ее габаритов, а также способствует увеличению ресурса работы гидромеханических компенсирующих устройств.