ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
BOREHOLE PUMP UNIT

Изобретение относится к области насосного оборудования и может быть использовано для подъема жидкости с большой глубины.
Известен наземный привод штангового насоса, содержащий электродвигатель, кинематически связанный с двухходовым винтом передачи винт-гайка. При вращении винта гайка, соединенная со штангами, совершает возвратно-поступательные движения в осевом направлении по вертикальной направляющей [Патент РФ №2133875 от 1999.07.27]. Недостатком привода является невозможность использования его в погружном варианте, что обуславливает его быстрый износ и небольшой срок службы передачи винт-гайка скольжения и низкий КПД вследствие наличия дополнительных нагрузок из-за веса подвески штанг и высоких потерь на трение.
Известен также наземный привод скважинного плунжерного насоса, содержащий по меньшей мере два установленных параллельно шарико-винтовых привода штанг от реверсивного электродвигателя. Гайки привода, соединенные траверсой с полированным штоком, совершают возвратно-поступательное движение. Винты соединены с электродвигателем и защищены от окружающей среды гофрированными эластичными оболочками. В верхней и нижней точках корпуса установлены концевые выключатели для переключения реверса электродвигателя, а также выключатели аварийного снятия напряжения [Патент США №5404767 от 1995.01.05]. Недостатком привода является то, что габариты привода, состоящего из двух и более параллельных шарико-винтовых передач и траверсы, не позволяют его использовать в погружном варианте, что приводит к использованию дополнительной энергии для подъема подвески штанг и уменьшению КПД установки.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является погружной насосный агрегат, включающий корпус, эластичную оболочку, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, оба конца которого установлены в подшипниках, гайка, имеющая подвижное соединение с корпусом (посредством антиротатора), соединена через полый шток, охватывающий винт, со штангой, уплотненной в корпусе, привода насоса, а внутренние полости корпуса и эластичной оболочки заполнены маслом, причем наружная поверхность оболочки сообщается с полостью скважины, а на винте и полом штоке установлены демпферы, при этом полый шток располагается в маслозаполненной эластичной оболочке [Заявка 2013127083 от 2013.06.13]. Недостатки привода следующие.
1. Необходимость использования упорного или радиально-упорного подшипника со сроком долговечности, равным или более срока долговечности привода винт-гайка качения.
2. Необходимость использования эластичной оболочки прежде всего для полной компенсации изменения объема металла в объеме корпуса агрегата за счет линейного перемещения в нем через уплотнение штанги привода насоса, что уменьшает срок службы агрегата.
Техническим эффектом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы погружного насосного агрегата, увеличение его ресурса и технических добычных характеристик за счет:
- уменьшения или полного отсутствия нагрузок на опорный подшипник передачи винт-гайка качения;
- уменьшения или полного отсутствия изменения объема металла в объеме корпуса агрегата при перемещении в нем привода насоса;
- уменьшения или полного отсутствия крутящего момента на корпус агрегата, создаваемого гайками передач;
- использования новой конструкции плунжерного насоса, имеющего двойной разнонаправленный привод для перемещения как минимум двух плунжеров в его цилиндрах (цилиндре).
Заявленный технический эффект достигается решением технической задачи, направленной на увеличение межремонтного периода погружного насосного агрегата.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что насосный агрегат, включающий заполненный маслом корпус, эластичную оболочку, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с передачей винт-гайка качения (первая передача), подшипники, установленные на передаче винт-гайка качения, полый шток, соединяющий гайку со штангой, уплотненной в корпусе, являющейся приводом плунжерного насоса, антиротационный механизм, исключающий вращение гайки относительно корпуса, демпферы, предотвращающие ударные нагрузки, при этом агрегат снабжен двумя последовательно соединенными между собой передачами винт-гайка качения, имеющими противоположные направления движения винтовой поверхности, при этом гайка передачи, винт которой связан непосредственно с валом электродвигателя (первая передача), соединена с внешним полым штоком и далее внешней полой штангой, охватывающими соответственно гайку качения второй передачи, соединенную с внутренним полым штоком, и связанную с ним внутреннюю штангу, образуя при этом разнонаправленный привод для плунжерного насоса, снабженного всасывающими и нагнетательными клапанами, в цилиндрах которого расположены плунжеры, выполненные с возможностью движения в противоположных направлениях.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
1. При обеспечении в конструкции разнонаправленного привода для плунжерного насоса снижается нагрузка на упорный или радиально-упорный подшипник привода за счет возникновения различных по направлению и при этом компенсирующих друг друга нагрузок, возникающих при работе плунжерного насоса, в котором плунжеры при разнонаправленном движении одновременно выполняют функции подъема добываемой жидкости. При необходимости, это снижение нагрузки на подшипник регулируется или нагрузка полностью убирается расчетными геометрическими параметрами цилиндров и поршней плунжерного насоса.
2. За счет разнонаправленного привода штанг уменьшается изменение объема металла в объеме корпуса агрегата, а значит уменьшаются геометрические параметры растяжения и сжатия эластичной оболочки, являющейся компенсатором для данного изменения объема, что, в свою очередь, приводит к увеличению срока службы эластичной оболочки. При необходимости, это уменьшение изменения объема регулируется или оно полностью убирается расчетными геометрическими параметрами поперечных сечений штанг разнонаправленного привода плунжерного насоса.
3. Наличие разнонаправленной передачи «винт-гайка качения» обеспечивает применение плунжерного насоса новой конструкции, в которой размещены в цилиндрах как минимум два поршня (плунжера) и которая, с одной стороны, позволяет повысить добычные характеристики насосного агрегата, а с другой - увеличивает, при прочих равных условиях, надежность плунжерного насоса за счет уменьшения хода его поршней (плунжеров). Изменение геометрических характеристик каждого из винтов передачи, таких как шаг резьбы и длина каждого из них, позволит регулировать технические характеристики насосного агрегата.
4. Наличие у плунжерного насоса дополнительных всасывающих и нагнетательных клапанов позволит увеличить добычные характеристики насосного агрегата, в котором каждый из плунжеров будет качать из скважины жидкость при движении его в цилиндре как в одну, так и в другую сторону.
5. Наличие антиротационного устройства, предотвращающего вращение одной из гаек привода относительно полого штока, соединенного с другой гайкой привода, позволит взаимно исключить часть нагрузок, возникающих от появления моментов сил от вращения привода, тем самым разгрузить момент сил, действующий на второе антиротационное устройство, предотвращающее вращение гаек относительно корпуса агрегата, что, в свою очередь, обеспечит надежность агрегата от раскручивания его составных узлов.
На фиг.1 схематично изображен погружной насосный агрегат.
Насосный агрегат содержит маслозаполненный корпус 1, соединенный с реверсивным электродвигателем 2, снабженным гидрозащитой 3. Электродвигатель 2 соединен кабелем со станцией управления, установленной на поверхности (не показаны). Вал 4 электродвигателя 2 через промежуточный вал 5 соединен соосно с винтом 6 и гайкой 7 (первая передача), далее с винтом 8, имеющим противоположное направление движения винтовой поверхности, и соответствующей гайкой 9 (вторая передача).
Промежуточный вал 5 установлен внутри маслозаполненной эластичной оболочки 10, полость которой сообщается с полостью корпуса 1, а внешняя поверхность - с полостью скважины. Нижняя часть промежуточного вала 5 герметизирована кольцевым уплотнением 11.
Промежуточный вал 5 установлен в подшипниках 12, 13. Нижний конец винта 6 установлен в радиально-упорном подшипнике 14 и упорном подшипнике 15. Верхний конец винта 8 установлен в подшипнике 16, находящемся внутри вставки 17, отцентрированной внутри полого штока 18 и прикрепленной через продольные пазы полых штоков 18 и 19 к корпусу 1 и в которой установлены шпонки или опорные подшипники 20 и 21, опирающиеся на стенки продольных пазов полых штоков 18 и 19.
Внутренний полый шток 18 (с продольным пазом), связанный с гайкой 9, через внутреннюю штангу 22 соединен с плунжером 23, перемещающимся в цилиндре 24 насоса 25.
Внешний полый шток 19 (с продольным пазом), соединенный с гайкой 7 и охватывающий внутренний полый шток 18, через внешнюю полую штангу 26, охватывающую внутреннюю штангу 22, соединен с полым плунжером 27, также охватывающим штангу 22, перемещающимся в цилиндре 28 насоса 25.
Внешняя полая штанга 26 уплотнена в корпусе привода 1 кольцевым уплотнением 29, а в корпусе насоса 25 кольцевым уплотнением 30. Внутренняя штанга 22 уплотнена посредством уплотнения, находящегося в полом плунжере 27.
Между внешним полым штоком 19 и корпусом 1, а также между внешним 19 и внутренним 18 полыми штоками размещены линейные подшипники 31 и 32.
Между поперечными поверхностями деталей, сближающимися при возвратно-поступательном движении во время работы узлов в корпусе 1, установлены демпферы 33, 34, 35, 36, 37, 38
Насос снабжен всасывающими клапанами 39, 40, 41 и нагнетательными клапанами 42, 43, 44.
На поверхностях узлов, совершающих возвратно-поступательное движение друг относительно друга, установлены датчики линейной ориентации для подачи сигнала на станцию управления 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52.
Агрегат работает следующим образом.
Вращение вала 4 реверсивного электродвигателя 2 передается промежуточным валом 5 на винт 6 и далее на жестко связанный с ним винт 8, имеющий противоположное направление движения винтовой поверхности. Гайки 7 и 9 совместно с полыми штоками 18 и 19 совершают поступательные движения в противоположных направлениях. При этом роль антиротаторов (механизмов, исключающих вращение гаек и полых штоков относительно корпуса 1) выполняют шпонки или опорные подшипники 20 и 21, установленные на вставке 17, на которые опираются стенки продольных пазов, имеющихся на полых штоках 18 и 19, тем самым предотвращая их вращение вокруг оси. Эти же продольные пазы служат для размещения вставки 17 внутри штоков 18 и 19 посредством ее жесткого отцентрированного соединения с корпусом 1 и создают возможность линейного перемещения полых штоков 18 и 19 вдоль корпуса.
Далее соединенные с полыми штоками 18 и 19 штанга 22 и полая штанга 26 передают поступательное движение на плунжеры 23 и 27 насоса 25, которые также движутся в противоположных направлениях. При этом система всасывающих клапанов 39, 40, 41 и нагнетательных клапанов 42, 43, 44 позволяет устройству выполнять функции насоса (подачу добываемой жидкости) как при встречном направлении движения плунжеров 23 и 27, так и при их движении в разные стороны.
При достижении заданного количества оборотов двигателя 2 в одном из направлений вращения, которое соответствует длине хода перемещений плунжеров 23 и 27 насоса 25, станцией управления меняется направление вращения двигателя 2, тем самым создавая возвратно-поступательное движение штанг 22 и 26, которые, в свою очередь, являются возвратно-поступательным приводом для насоса 25. Изменение направления вращения вала электродвигателя, а также аварийная остановка агрегата могут быть осуществлены при помощи подачи сигнала на станцию управления от датчиков линейной ориентации 45-52 или от повышения нагрузок, связанных с работой демпферов 33-38, которые одновременно являются защитой от ударных нагрузок, могущих возникнуть от сбоев в системе управления агрегатом.
В случае если площади поперечных сечений штанг 22 и 26 не равны, то при возвратно-поступательном их перемещении будет меняться объем металла, находящегося внутри корпуса 1, который будет компенсироваться эластичной оболочкой 10. При этом движение в противоположных направлениях гаек 7 и 9, полых штоков 18 и 19, штанг 22 и 26, а также вращение винтов 6 и 8 будут обеспечивать циркуляцию масла в корпусе 1 в достаточной степени, требующейся для охлаждения всех узлов и источников трения, находящихся в корпусе агрегата.
На фиг.2 представлена схема агрегата, отличающаяся тем, что основное антиротационное устройство 53 размещено таким образом, чтобы исключить взаимное вращение между гайками приводов, а вспомогательное антиротационное устройство 21 размещено на вставке 17. При этом моменты сил, возникающие на гайках при их вращении в разных направлениях, частично гасятся основным антиротационным устройством 53, а оставшийся момент передается на антиротатор 21, который исключает вращение обеих гаек 7 и 9 с прикрепленными к ним полыми штоками 18 и 19 относительно корпуса 1.
На фиг.3 представлена конструкция агрегата, отличающаяся тем от конструкции, представленной на фиг.2, что вставка 54, в которой размещен верхний подшипник 16 верхнего винта, установлена в линейном подшипнике 55, размещенном во внутреннем полом штоке 18, а антиротационное устройство 56, предотвращающее вращение гайки, соединенной с внешним полым штоком, взаимодействует через продольный паз корпуса агрегата. Антиротатор 53 установлен таким образом, чтобы исключить вращение друг относительно друга гаек или полых штоков. В этом случае моменты сил, возникающие при вращении в противоположных направлениях гаек, будут полностью компенсировать друг друга и не будут передаваться на корпус 1 агрегата. Учитывая то, что при работе агрегата моменты сил, образующиеся при вращении гаек, могут при каких-то обстоятельствах отличаться друг от друга, между полым штоком и корпусом 1 установлен дополнительный страховочный антиротатор 56.
Из каждой конструкции, представленной на фиг.1-3, можно выполнить множество частных видов агрегатов, отличающихся тем, что:
- каждый из винтов передачи 6 и 8 имеет расчетную длину и расчетный шаг резьбы, которые определяют длину хода каждой из штанг в отдельности;
- каждый из винтов передачи 6 и 8, полых штоков 18 и 19, штанг 22 и 26 имеют расчетные геометрические характеристики, которые определяют их осевую устойчивость при заданных нагрузках, возникающих при работе плунжерного насоса;
- полезные площади поперечных сечений плунжеров 23, 27 и цилиндров 24, 28 имеют расчетные значения, которые определяют подачу насоса, а также нагрузку на упорный подшипник 15 и упорно-радиальный подшипник 14;
- площади поперечных сечений штанг 22 и 26, выполняющих роль разнонаправленного привода, имеют расчетные значения, которые определяют изменение объема металла в корпусе, компенсируемое растяжением или сжатием эластичной оболочки.
На фиг.4 и фиг.5 представлены схемы агрегатов, являющихся одними из множества частных случаев, показанных на фиг.1-3, в которых расчетные значения геометрических размеров узлов конструкции соответствуют наиболее сбалансированной работе агрегата.
Это выражается в том, что:
- в данных агрегатах площади поперечных сечений плунжеров 23 и 27 насоса 25 равны и в этой связи противоположные нагрузки, действующие на гайки 7 и 9 винтовых приводов через штанги 22, 26 и полые штоки 18, 19, полностью компенсируют друг друга. При этом отпадает необходимость использования упорного подшипника 15 (фиг.1), а радиально-упорный подшипник 14 (фиг.1) можно заменить на радиальный 57 (фиг.4, фиг.5);
- в агрегатах площади поперечных сечений штанг 22 и 26 также равны, что обеспечивает сохранение объема металла в корпусе 1 при движении штанг в противоположном направлении, что, в свою очередь, исключает деформации эластичной оболочки 10 (фиг.1, фиг.2) из-за изменения этого объема, которая в данном случае будет компенсировать изменение давления между внутренней и наружной средой корпуса 1, связанное с изменением температуры и давления внешней среды (например, при спуске в скважину или при изменении динамического уровня добываемой жидкости;
- винтовые передачи выполнены с одинаковым диаметром валов винтов 6 и 8, имеющих одинаковый шаг резьбы и одинаковую длину, и, как следствие, ход плунжеров насоса 23 и 27 будет одинаков, что значительно упрощает конструкцию агрегата, а также является необходимым условием сохранения объема металла в корпусе 1 при выполнении предыдущего условия равенства площадей поперечных сечений штанг 22 и 26;
Кроме этого перечисленные выше особенности частного случая обеспечивают одинаковые моменты сил, действующие на обе гайки приводов, вращающихся в противоположных направлениях, что, в свою очередь, приводит к обнулению общего момента сил, и в этом случае вспомогательное антиротационное устройство 21 (фиг.4) или 56 (фиг.5) будет выполнять роль страховочного.
Таким образом, показанные на фиг.4 и фиг.5 частные случаи конструкции насосного агрегата, будем называть их сбалансированными конструкциями, имеют несомненные преимущества перед теми конструкциями, у которых не выполняются описанные выше расчетные условия. Однако в реальных условиях применения описанных выше конструкций последние, с целью достижения необходимых технических характеристик агрегатов, могут иметь различные расчетные геометрические параметры основных узлов.