НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ЗАКАЧКИ ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНУ
PUMP UNIT FOR LIQUID PUMPING TO WELL

Изобретение относится к насосным установкам для закачки жидкости в скважину и, в особенности, к плунжерным насосным установкам.
Известен установленный горизонтально или под небольшим углом к горизонту в трубе насосный агрегат, состоящий из электродвигателя с гидрозащитой и центробежного насоса. В верхней части трубы, противоположной входному патрубку, установлен клапан для сброса газа, содержащегося в нагнетаемой жидкости. Выходной патрубок соединен с насосно-компрессорными трубами [Патент США №5203682].
Недостатком насосного агрегата является низкий коэффициент полезного действия центробежного насоса и взаимозависимость давления нагнетания и расхода.
Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является насос с приводом типа винт-гайка качения от реверсивного электродвигателя, вал которого соединен 61 винтом привода. Гайка привода находится в шпоночном соединении с корпусом и соединена посредством полого штока, охватывающего винт, и штанги с плунжером насоса. Для обеспечения реверса электродвигателя и возвратно-поступательного движения гайки и соединенного с ней плунжера насоса привод содержит демпферы, установленные по концам хода гайки, при взаимодействии которых происходит увеличение силы тока, что служит сигналом к реверсу электродвигателя. В качестве насоса используется плунжерный насос с шариковыми клапанами. Насос производит откачку жидкости из затрубного пространства скважины в полость насосно-компрессорных труб [Патент РФ №2347947].
Недостатком насоса является отсутствие охлаждения двигателя при установке агрегата на поверхности. При этом для замены наименее надежных элементов насоса - клапанов требуется остановка агрегата и разборка насоса, что в условиях низких температур может привести к замерзанию воды. Только один конец винта зафиксирован, а другой - не зафиксирован относительно корпуса, что не позволяет применять насос в горизонтальном положении и приводит к существенному снижению допустимой нагрузки и частоты вращения привода, и, как следствие, снижению напора, производительности и ресурса насосного агрегата. Система управления электродвигателем не обеспечивает надежного реверса. Кроме того, насос одностороннего действия не обеспечивает значительную по объему и непрерывную подачу жидкости.
Задачей изобретения является устранение этих недостатков.
Для успешного решения поставленной задачи в известном насосном агрегате, включающем насос, сообщающийся с линиями низкого и высокого давления, привод винт-гайка качения, установленный в маслозаполенном корпусе, содержащем эластичную оболочку, демпферы, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом привода, один конец которого установлен в подшипнике, а гайка, находящаяся в подвижном соединении с корпусом, соединена с уплотненной штангой привода насоса посредством охватывающего винт полого штока, другой конец винта установлен в подшипнике, соединенном с корпусом при помощи кронштейнов, проходящих через прорези в полом штоке, который входит в подвижное соединение с корпусом, и его ход ограничен по меньшей мере одним датчиком перемещения, а внешняя поверхность эластичной оболочки сообщается с соседней с приводом рабочей камерой насоса двойного действия, рабочие камеры которого соединены двумя патрубками с линиями низкого и высокого давления через блок клапанов; электродвигатель, привод и насос установлены в кожухе, соединенном с линией низкого давления; блок клапанов содержит соединенные с патрубками две пары клапанов, причем в каждой паре вход одного клапана соединен с полостью кожуха агрегата, а выход соединен с соответствующей рабочей камерой насоса и входом другого клапана пары, выход которого соединен с линией высокого давления.
Указанные признаки позволяют устранить недостатки, присущие прототипу, за счет фиксации обеих концов винта привода в подшипниках, использования датчиков перемещения для управления реверсом электродвигателя, охлаждения двигателя жидкостью, протекающей в кожухе, а также использования насоса двойного действия. Система клапанов, вынесенных за пределы насоса, обеспечивает быструю замену вышедшего из строя клапана и позволяет производить его замену с падением производительности, но без остановки закачки.
На фиг.1 схематично приведена конструкция насосного агрегата. На фиг.2 - схема соединения клапанов в клапанном блоке, на фиг.3 представлена схематично конструкция привода насоса, а на фиг.4 - узел крепления подшипника винта.
Насосный агрегат содержит реверсивный электродвигатель 1, привод 2 типа винт-гайка качения и насос 3 двойного действия, установленные в кожухе 4. Насос 3 имеет две рабочие камеры 5 и 6 по обе стороны поршня 7, соединенного с приводом 2 полированной штангой 8. Линия 9 низкого давления соединена с полостью кожуха 4. Блок 10 клапанов соединен патрубками 11 и 12 с рабочими камерами 5 и 6, соответственно и сообщается с полостью кожуха 4 патрубком 13. На выходе блока 10 клапанов имеется линия 14 высокого давления, сообщающаяся с насосно-компрессорными трубами скважины. Для сброса свободного газа при установке кожуха под углом к горизонту имеется отводная линия 15, снабженная клапаном (не показан). В кожухе 1 имеется также кабельный ввод электродвигателя (не показан).
Блок 10 содержит две пары 16 и 17 клапанов 18, 19 и 20, 21, соединенных патрубками 11 и 12 с соответствующими камерами 5 и 6 насоса 3. В каждой паре 16 или 17 вход 22 или 23 одного клапана 18 или 20 соединен с патрубком 13, а выход 24 или 25 соединен с одним из патрубков 11 или 12. Вход 26 или 27 другого клапана 19 или 21 пары соединен с патрубком 11 или 12, а выход 28 или 29 соединен с линией 14 высокого давления.
Привод 2 содержит маслозаполненный корпус 30, в котором ведущий вал 31 электродвигателя 1 через промежуточный вал 32 соединен соосно с передачей 33 винт 34 - гайка 35 качения. Гайка 35 посредством выступов 36 входит в подвижное соединение с пазами 37, выполненными в корпусе 30, обеспечивая продольное перемещение гайки 35 и соединенного с ней соосного полого штока 38, перемещающегося снаружи винта 34. Полый шток 38 соединен со штангой 8, уплотненной в корпусе 30 кольцевым уплотнением 39. Промежуточный вал 32 установлен внутри маслозаполненной эластичной оболочки 40, полость которой сообщается с полостью корпуса 30, а внешняя поверхность посредством патрубка 41 - с полостью камеры 5 насоса 3, обеспечивая равенство давлений внутри и снаружи штанги 8. Один конец 42 винта 34 установлен в подшипнике 43, а другой конец 44 винта - в подшипнике 45. Подшипник 45 соединен с корпусом 30 при помощи кронштейнов 46, проходящих через прорези 47 в полом штоке 38 (фиг.5), обеспечивая фиксировано-фиксированный способ монтажа привода 2 винт-гайка качения. Полый шток 38 снабжен выступами 48, которые входят в подвижное соединение с пазами 37 в корпусе 30.
В корпусе 30 установлены датчики 49 и 50 перемещения и демпферы 51 и 52.
Насосный агрегат работает следующим образом.
При реверсивном вращении электродвигателя 1 привод 2 винт-гайка качения преобразует вращение в возвратно-поступательное перемещение поршня 7 насоса 3. При движении поршня 7, например, слева направо жидкость из линии 9 низкого давления по кожуху 4 и патрубку 13 подается на входы 22 и 23 клапанов 18 и 20 блока 10 клапанов. Клапан 18 открывается и по патрубку 11 заполняет камеру 5 насоса 3. Одновременно происходит сжатие жидкости и увеличение давления в камере 6, которое по патрубку 12 подается на выход 25 клапана 20 и запирает его. Избыточное давление подается на вход 27 клапана 21, открывая его, и передается в выходную линию 14 высокого давления. При движении плунжера в противоположном направлении давление нагнетания передается из камеры 5 в линию 14 через патрубок 11, далее - на выход 24 клапана 18, запирая его, и на вход 26 клапана 19, открывая его. С выхода 28 жидкость под давлением подается в линию 14. Жидкость поступает на вход 23 клапана 20 и по патрубку 12 - в камеру 6. При этом клапан 21 закрыт давлением, подаваемым на выход 29. Таким образом производится непрерывная закачка жидкости. При этом свободный газ при достижении определенного давления сбрасывается по отводной линии 15.
В случае выхода из строя одного из клапанов пары 16, 17 она отключается при помощи задвижек (не показаны) и производят ремонт или замену вышедших из строя элементов, а другая пара клапанов обеспечивает закачку жидкости.
Привод работает следующим образом. Вращение вала 31 реверсивного электродвигателя 1 передается промежуточным валом 32 на винт 34 передачи 33 винт-гайка качения. Винт 34 вращается в подшипниках 43 и 45, установленных на его концах 42 и 44. Так как гайка 35 передачи 33 входит в подвижное соединение с пазами 37 корпуса 30 посредством выступов 36, происходит продольное перемещение гайки 35 и соединенного с ней полого штока 38. При этом шток 38 перемещается относительно удерживающих верхний подшипник 45 кронштейнов 46, проходящих через прорези 47 (фиг.5) полого штока 38. Шток 38 перемещает штангой 8 поршень 7 насоса 3, причем длина хода поршня 7 соответствует числу оборотов двигателя 1 в одном направлении.
При приближении гайки 35 к крайним точкам перемещения срабатывают один из датчиков 49 или 50, дающие команду на снижение оборотов двигателя 1, который останавливается, сжимая демпфер 51 или 52. Происходит реверсирование электродвигателя 1 и его вращение в противоположном направлении и цикл повторяется.
Полый шток 38 перемещается в корпусе 30, входя в подвижное соединение с пазами 37 посредством выступов 48. При возвратно-поступательном перемещении штока 38 происходит свободное перетекание масла в замкнутой системе из эластичной оболочки 40 в корпус 30 и обратно, обеспечивая смазку передачи 33. Так как внешняя поверхность эластичной оболочки 40 соединена с камерой 5 насоса 3 патрубком 41, давление в корпусе 30 и камере 5 насоса 3 равны. Эластичная оболочка 40 и уплотнение 39 ненагружены.
В качестве передачи 33 винт-гайка качения может использоваться шариковинтовая или роликовинтовая передача.