ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, НАСОСОМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕЁ ЭКСПЛУАТАЦИИ
SUBMERSIBLE PUMP INSTALLATION WITH LINEAR ELECTRIC MOTOR, DOUBLE ACTING PUMP AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к новому типу насосного устройства в области машиностроения, в частности к установкам с насосами объемного действия, приводимыми в движение линейными электродвигателями, для добычи пластовых жидкостей из малодебитного фонда скважин преимущественно в нефтедобыче.
Из предшествующего уровня техники известен скважинный насос двойного действия патент на полезную модель RU 151393, F04B 47/00. Данная установка содержит погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса, рабочий насос, соединенный с приводом штоком. Рабочий насос состоит из двух рабочих цилиндров, последовательно соединенных между собой, и двух полых плунжеров с установленными на них нагнетательными клапанами, соединенных между собой штоком, нижний плунжер соединен посредством гладкого штока с приводом рабочего насоса, полость над верхним плунжером через верхний всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством, полость под нижним плунжером через нижний всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством, полость под верхним плунжером соединена с полостью над нижним плунжером и с перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны охватывающей верхний цилиндр, перепускная магистраль соединена с выкидной линией насоса.
Недостатком данного технического решения является наличие узла уплотнения между двигателем и насосной частью, что увеличивает длину установки. Наличие большого количества клапанных узлов снижает надежностью системы. Внешний корпус установки должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.
Известен скважинный насос двойного действия с приводом от погружного двигателя патент на изобретение US 20150176574 A1, F04B 17/03, F04B 47/06, F04B 49/22. Данная установка содержит погружной скважинный насос, состоящий из неподвижного цилиндра и подвижного плунжера. Погружной двигатель, установленный под насосом и соединенный с плунжером, создает возвратно поступательное движение плунжера. Клапанное устройство, которое установлено нижней части плунжера, производит при движении вверх заполнение скважинной жидкостью цилиндра, а при движении вниз - заполнение полости скважинного насоса ниже плунжера.
Недостатком данного технического решения также является наличие узла уплотнения между двигателем и насосной частью, что увеличивает длину установки, внешний корпус установки также должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.
Известен погружной электронасос патент на изобретение RU 2521534 С2, F04B 47/06, F04B 17/. Данная установка содержит несущий силовой корпус, внутри которого размещены линейный электродвигатель, состоящий из неподвижного статора и расположенного внутри него полого бегуна, полость электродвигателя, образованная статором, корпусом и бегуном, заполнена жидкостью, бегун установлен с возможностью совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль продольной оси статора, совмещенный с бегуном цилиндрический поршень, трубопроводы, впускной и выкидной клапаны. В бегуне выполнена герметичная поперечная перегородка, образуя в осевом направлении две полости, внутри по крайней мере одной полости бегуна размещен неподвижный полый шток с узлом уплотнения на внешней поверхности, внутренняя полость штока связана с внутренней полостью бегуна и с рабочей камерой насоса, рабочая камера насоса связана с перекачиваемой средой и выходным трубопроводом через впускной и выкидной клапаны соответственно.
Недостатком данного технического решения является наличие цилиндров с внутренней и внешней рабочими поверхностями, что требует повышенной точности обработки и увеличивает сложность изготовления и внешний корпус установки так же должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости, что приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра, и повышает требования к материалу и качеству изготовления деталей и узлов, подвергающихся действию высокого давления.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является погружная установка с линейным двигателем и насосом двойного действия патент на изобретение RU 2535900 C1, F04B 47/06. Данная установка содержит линейный электродвигатель, подвижная часть которого (бегун) выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, и насос двойного действия, рабочие органы (поршни) которого механически связаны с бегуном. Поршни, неподвижные элементы и клапанные коробки расположены по обе стороны электродвигателя, образуя нижнюю и верхнюю части насоса, рабочие камеры насоса связаны с внешней средой и выходной магистралью через всасывающие и нагнетательные клапаны соответственно. Бегун выполнен с центральным отверстием, рабочие органы (поршни) насоса выполнены в виде полых цилиндров, неподвижные элементы насоса также выполнены в виде полых цилиндров, рабочие поверхности которых контактируют с рабочими поверхностями поршней. Неподвижные элементы насоса выполнены в виде внутреннего и внешнего по отношению к поршню цилиндров, рабочая камера нижней части насоса связана с выходной магистралью через нагнетательный клапан и центральное отверстие в бегуне.
Недостатком данного технического решения является наличие цилиндров с внутренней и внешней рабочими поверхностями, что требует повышенной точности обработки и увеличивает сложность изготовления. Размещение поршней насоса в полости бегуна электродвигателя приводит к увеличению габаритов установки, в том числе диаметра установки.
Технической задачей, заявленного изобретения является создание погружной насосной установки с линейным электродвигателем и насосом двойного действия и способа ее эксплуатации, уменьшенных габаритов с повышенной производительностью, надежностью, увеличенным ресурсом работы и сниженной себестоимостью.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключается в уменьшении габаритов насосной установки, снижении себестоимости, повышении надежности и ресурса работы с повышением производительности, а также в повышении эффективности охлаждения электродвигателя и газосепарации.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том что, что насосная установка с насосом объемного действия, приводимая в действие линейным электродвигателем, включает в себя, установленные в едином корпусе линейный электродвигатель, состоящий из неподвижной части в виде герметичного статора, заполненного диэлектрической жидкостью, имеющего в своем составе трехфазную обмотку с установленными датчиками температуры, и подвижной части - слайдера, выполненного с возможностью возвратно-поступательного движения относительно статора и имеющего механическую связь с плунжерами насоса. Подвижная часть линейного двигателя - слайдер состоит из нескольких секций, которые разнесены по окружности статора, одна из плунжерных пар насоса расположена во внутренней полости статора, а вторая - в нижней части установки во внутренней полости гидропротектора, цилиндры плунжерных пар насоса имеют гидродемпферы крайних точек хода, рабочие камеры насоса связаны между собой и с внешней средой через всасывающий клапан и фильтры, расположенные по обе стороны статора, а также с выходной магистралью - через обратный клапан и узел крепления скважинной насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб, по обе стороны статора установлены направляющие слайдеров, изготовленные из антифрикционного материала и датчики положения, при этом телеметрическая система, установленная в нижней части насосной установки, включает датчики давления и температуры скважинной жидкости, датчик вибрации, инклинометр, блок измерения связанный с датчиками температуры, установленными в статоре электродвигателя, также телеметрическая система связанна с управляющим наземным блоком управления через нулевую точку обмоток электродвигателя.
Статор выполнен из набора тороидальных катушек в зазоре которых расположены секции слайдера с постоянными магнитами, формируя магнитную систему линейного электродвигателя насосной установки.
Трехфазные обмотки статора выполнены секционированными катушками с тороидальной намоткой, а сердечник, расположенный внутри катушек, выполнен из шихтованного железа.
Направляющие слайдера, изготовленны из антифрикционного материала, из смазывающими свойствами, и выполнены с возможностью постоянного прижатия к секциям слайдера, и обеспечения переноса антифрикционного слоя на рабочие поверхности секций слайдера, с обеспечением минимального износа трущихся поверхностей.
По обе стороны статора установлены датчики положения слайдера, имеющие электрическую связь с наземным блоком управления через нулевую точку обмоток электродвигателя, изолированный трехпроводный кабель и нулевую точку вторичной обмотки выходного трансформатора.
Установленные на концах цилиндров плунжерных пар гидродемпферы снабжены клапанно-дроссельным устройством, которые позволяют обеспечить защиту от ударов плунжера насосов при достижении крайних точек хода вверх и хода вниз.
Внешняя труба корпуса установки имеет заборные отверстия в верхней части и формирует полость с наружной поверхностью трубы статора для протекания скважинной жидкости.
В полости, которая ограничена внешней трубой корпуса насосной установки и наружной трубой статора с фильтрами очистки, размещенными по обе стороны статора, выполнен газосепаратор.
Такое выполнение установки позволяет значительно уменьшить ее длину, а также обеспечить эффективное принудительное охлаждение установки и активную газосепарацию. Насос двойного действия, состоящий из двух плунжерных пар, при двойном ходе плунжеров производит переменное перекачивание объема жидкости, тем самым повышая производительность насоса при уменьшении необходимой мощности приводного линейного электродвигателя.
Согласно второму аспекту заявляемого изобретения, его сущность заключается в том, что способ эксплуатации погружной насосной установки включает этапы, согласно которым погружную часть насосной установки устанавливают в ствол скважины, после чего, посредством возвратно-поступательно перемещения плунжеров насоса, выполняемого за счет передаваемого усилия слайдера линейного двигателя, выполняют забор скважинного флюида из затрубного пространства насосной установки через газосепаратор и выталкивают скважинный флюид через клапаны двойного действия в колонну насосно-компрессорных труб;
управляющий наземный блок подает трехфазное переменное питание на электродвигатель, создавая бегущее магнитное поле в статоре, обеспечивая плавное синхронное возвратно-поступательно движение слайдера,
в процессе рабочего хода вверх, происходит забор скважинного флюида из затрубного пространства через всасывающий клапан, расположенный в нижней части установки, и выполняют выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером верхней плунжерной пары при закрытом нагнетательном клапане,
в процессе рабочего хода вниз, происходит выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером нижней плунжерной пары и заполнение рабочего объема цилиндра верхней плунжерной пары через нагнетательный клапан верхней плунжерной пары при закрытом всасывающем клапане нижней плунжерной пары.
При наполнении рабочего объема нижней плунжерной пары, скважинный флюид проходит через заборные отверстия в верхней части наружной трубы установки и протекает в полости вдоль наружной трубы статора, охлаждая электродвигатель.
Забор скважинного флюида выполняют с газосепарацией, при протекании скважинного флюида в полости вдоль наружной трубы статора, за счет нагрева жидкости и разрежения, происходит выделения газа, который отсекается фильтром установленным в нижней части статора на заборе насоса.
В процессе рабочего хода вниз, скважинный флюид выталкивают через фильтр в полость газосепаратора, обеспечивая само очистку фильтра.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приведенного в качестве объяснения, в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
фиг. 1 - конструкция установки и показан принцип работы насоса;
фиг. 2 - конструкция приводного электродвигателя;
фиг. 3 - магнитная система приводного электродвигателя;
фиг. 4 - конструкция антифрикционной системы установки.
Более детально суть предлагаемого изобретения раскрыта в описании.
Погружная насосная установка состоит из объединенных в едином корпусе 1, выполненном в виде устройства, снабженного системой фильтрации 2, для входа скважинного флюида, гравитационным газосепаратором и узел крепления скважинной насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб, выполненные в виде головкой крепления 3 к насосно-компрессорным трубам, насоса двойного действия 4, приводного электродвигателя 5, гидропротектора 6 и телеметрической системы 7.
Насос двойного действия 4 представляет собой две плунжерные пары разного типоразмера верхнюю 8 и нижнюю 9, и систему клапанов двойного действия 10 и 11. Плунжеры разных типоразмеров соединены между собой последовательно при помощи муфты 12 и имеют связь рабочих объемов через внутреннюю полость плунжеров. Также на цилиндрах плунжерных пар расположены гидродемпферы 13 и 14 крайних точек хода, снабжены клапанно-дроссельным устройством, которые позволяют обеспечить защиту от ударов плунжера насосов при достижении крайних точек хода вверх и хода вниз.
Кроме того, в погружную часть установки входит приводной электродвигатель 5, состоящий из неподвижной части - статора 15 и подвижной части - слайдера 16.
Статор 15 выполнен герметичным и имеет в своем составе трехфазную распределенной обмотку, соединенной таким образом, что имеет нулевую точку. Как вариант исполнения статор может быть установлен в герметичной полости, образованной двумя коаксиально расположенными трубами 18 и 19, которая заполнена диэлектрической жидкостью.
Трехфазная обмотка распределена в поперечном сечении на несколько частей по диаметру установки, между которыми установлены несколько профильных труб 20 из твердого немагнитного антифрикционного материала. Каждая часть трехфазной обмотки состоит из нескольких катушечных групп, которые выполнены секционированными катушками 17 с тороидальной намоткой, а сердечник, расположенный внутри катушек, выполнен из шихтованного железа. Тороидальные катушки статора в зазоре которых расположены секции слайдера с постоянными магнитами, формируют магнитную систему линейного электродвигателя насосной установки.
Также в герметичной полости статора расположен датчик измерения температуры (на рисунке не показан). В полости, образованной внутренней трубой 19 статора расположена одна из плунжерных пар 8.
Слайдер 16 конструктивно выполнен секционированным, с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения относительно статора 15 и механически связан с плунжерами объемного насоса двунаправленного дейсвия. Слайдер состоит из нескольких секций 29, которые разнесены по окружности статора в полостях, образованных профильными трубами 20 статора.
Каждая из секций слайдера представляет собой корпус 20, внутри которого расположены магниты 21. Секции слайдера соединены между собой муфтой 12.
Кроме того, погружная часть установки содержит гидропротектор 6, выполненный в виде трубы 22, на которой установлена как минимум одна диафрагма 23 из эластичного материала, трубчатых полостей 24, 25, 26, соединяющих полость гидропротектора, образованную между диафрагмой и трубой, с герметичной полостью статора, а также всасывающий 27 и обратный 28 клапаны, посредством которых внутренняя полость гидропротектора сообщается с внешней средой. Внутренняя полость гидропротектора также, как и внутренняя полость статора, заполнена диэлектрической жидкостью.
Кроме того, в области между гидропротектором и статором, а также в области между статором и узлом крепления, расположены направляющие слайдера 30 из антифрикционного материала, из смазывающими свойствами, и выполнены с возможностью постоянного прижатия к секциям слайдера, и обеспечения переноса антифрикционного слоя на рабочие поверхности секций слайдера, с обеспечением минимального износа трущихся поверхностей.
Также по обе стороны статора в верхней части гидропротектора и в области головки крепления установлены как минимум по одному датчику положения (на рисунке не показаны) слайдера. Упомянутые датчики имеют электрическую связь с наземным блоком управления через нулевую точку обмоток электродвигателя, изолированный трехпроводный кабель и нулевую точку вторичной обмотки выходного трансформатора.
Также согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения, внешняя труба насосной установки имеет заборные отверстия в верхней части и формирует полость с наружной поверхностью трубы статора для протекания скважинной жидкости. В указанной полости, которая ограничена внешней трубой корпуса насосной установки и наружной трубой статора с фильтрами очистки, размещенными по обе стороны статора, выполнен газосепаратор.
Кроме того, погружная часть установки содержит телеметрическую систему 7, расположенную в нижней части установки под одной из плунжерных пар и гидропротектором. Конструктивно телеметрическая система состоит из герметичного корпуса и размещенных в нем блоков электроники и включает в себя датчики давления и температуры скважинной жидкости, датчик вибрации, инклинометр, блок измерения связанный с датчиками температуры, установленными в статоре электродвигателя. Телеметрическая система соединена электрически с управляющим наземным блоком управления через нулевую точкой обмоток статора электродвигателя и с датчиком измерения температуры.
Способ эксплуатации погружной насосной установки согласно заявляемому изобретению заключается в том что.
Насосная установка крепится к насосно-компрессорным трубам через головку крепления 3, электрическое подключение установки к станции управления производится посредством изолированного трехпроводного кабеля через колодку токоввода.
При подаче наземным блоком управления питающего трехфазного переменного напряжения на электродвигатель в секционированных катушках 17 статора протекает ток, который создает бегущее магнитное поле. Под воздействием бегущего магнитного поля, секционированный слайдер 16 линейного двигателя производит плавное синхронное возвратно-поступательно движение, приводя в движение плунжеры 8 и 9 насоса двойного действия, при достижении одной из двух крайних рабочих точек плунжера насоса, станция управления получает сигнал от соответствующего датчика положения и меняет чередование фаз подаваемого питающего трехфазного переменного напряжения, в результате секционированный слайдер линейного двигателя меняет направление движения.
В процессе рабочего хода насоса вверх, выполняют забор скважинного флюида из затрубного пространства скважины через всасывающий клапан, расположенный в нижней части установки, и выполняют выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером верхней плунжерной пары при закрытом нагнетательном клапане, при наполнении рабочего объема нижней плунжерной пары, скважинный флюид проходит через заборные отверстия системы фильтрации 2 в верхней части наружной трубы установки.
Скважинный флюид, протекает в полости вдоль наружной трубы статора, образованной корпусом установки 1 и корпусной трубой статора 18 линейного двигателя, нагревается и в результате происходит принудительное охлаждении статора линейного электродвигателя. Забор скважинного флюида происходит с газосепарацией, при протекании скважинного флюида в полости вдоль наружной трубы статора, за счет нагрева жидкости и разрежения, происходит выделение газа, который отсекается фильтром установленным в нижней части статора на заборе насосов.
При прохождении через фильтр флюида, который далее поступает в рабочую область нижнего цилиндра через клапан двойного действия 11, происходит выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером верхней плунжерной пары 8 при закрытом клапане двойного действия 10.
В процессе рабочего хода плунжеров насоса вниз происходит выталкивание скважинного флюида в колонну насосно-компрессорных труб плунжером нижней плунжерной пары 9 при закрытом клапане двойного действия 11 и заполнение рабочего объема цилиндра верхней плунжерной пары через клапан двойного действия 10, при этом происходит выталкивание скважинного флюида через фильтр системы фильтрации 2, установленный в верхней части статора, в полость газосепаратора, обеспечивая само очистку фильтра системы фильтрации.
При возвратно-поступательном перемещении секционированного слайдера вдоль направляющих слайдера 30, установленных по обе стороны статора линейного двигателя, которые выполнены из твердого антифрикционного материала, обладающего смазывающими свойствами, и находятся в постоянном прижиме к секциям слайдера, происходит перенос смазывающего слоя на рабочие поверхности секций слайдера, тем самым обеспечивая минимальный износ трущихся поверхностей.
Реализация описанного технического решения и способа, согласно заявленного изобретения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая уменьшение габаритов установки, снижение ее себестоимости, повышение надежности и ресурса работы с повышением производительности.