НАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
PUMPING PLANT WITH ELECTROHYDRAULIC ACTUATOR

Изобретение относится к насосостроению, предназначено для подъема жидких сред различной вязкости и различной степени загрязненности с больших глубин и может использоваться для добычи нефти из малодебитных скважин.
Из существующего уровня техники известна погружная электрогидроприводная установка, содержащая погружной электродвигатель, кинематически связанный с приводным насосом для рабочей жидкости, гидрораспределитель, диафрагменный насос, включающий цилиндрический корпус, всасывающий и нагнетательный клапаны и диафрагму, в ее состав входит второй диафрагменный насос и устройство, которое инициирует переключение гидрораспределителя после завершения процесса нагнетания и всасывания, по крайней мере, в одном диафрагменном насосе по условию, что механическая нагрузка на диафрагму не превышает допустимой величины, изготовленное в виде, по крайней мере, одного клапана, который установлен в корпусе, по крайней мере, одного диафрагменного насоса и в процессе нагнетания или всасывания при возникновении определенного перепада между давлением масла и давлением пластовой жидкости, разделенных диафрагмой, направляет поток масла для переключения гидрораспределителя, в состав установки входит устройство для поддержания постоянного объема масла в диафрагменных насосах, которое состоит из модуля компенсатора, который содержит две области, разделенные подвижным элементом (диафрагмой компенсатора, сильфоном или поршнем), одна из которых соединена с затрубным пространством, и, по крайней мере, одного клапана, который установлен в корпусе диафрагменного насоса и в процессе нагнетания или всасывания при возникновении определенного перепада между давлением масла и давлением пластовой жидкости, которые разделены диафрагмой, направляет масло из диафрагменных насосов в модуль компенсатор или обратно (см. патент на изобретение RU №2504691 С2, кл. F04B 47/08, опубл. 20.01.2014).
Недостатком данного технического решения является наличие механической нагрузки на диафрагму, не превышающей допустимую величину, после нагнетания и всасывания в диафрагменном насосе, что при циклической работе приведет к износу и повреждению диафрагмы. Кроме того, наличие механических примесей в пластовой жидкости приведет к засорению устройства, которое инициирует переключение гидрораспределителя, что приведет к превышению допустимой механической нагрузки на диафрагму и ее повреждению.
Также известен нефтяной диафрагменный насосный агрегат, содержащий гидродвигатель с поршневой полостью, полым штоком и емкостью для масла и диафрагменный насос, включающий цилиндрический корпус с всасывающим и нагнетательным клапанами и выполненную в виде обечайки, размещенную в цилиндрическом корпусе и охватывающую перфорированный цилиндрический каркас эластичную диафрагму с закрепленными на конических втулках концами, при этом цилиндрический корпус снабжен верхней и нижней крышками и внутри него установлены переходники, соединенные между собой трубкой, установленной внутри перфорированного цилиндрического каркаса, причем каждая коническая втулка снабжена, по крайней мере, одним тарельчатым клапаном, всасывающий клапан сообщен со стороны выхода из него через один из переходников с полостью диафрагмы и размещен в нижней крышке и в последней выполнены отверстия для прохода пластовой жидкости, а нагнетательный клапан размещен в верхней крышке и сообщен со стороны входа в него через другой переходник с полостью диафрагмы, гидродвигатель выполнен с подпитывающим клапаном, который соединен с емкостью для масла, и предохранительным клапаном, который соединен с поршневой полостью гидродвигателя через полый шток (см. патент на полезную модель RU №74672, кл. F04B 47/08, опубл. 10.07.2008).
Однако в указанном нефтяном диафрагменном насосном агрегате при эксплуатации отсутствие контроля нагрузки на диафрагму в процессе нагнетания приведет к повреждению диафрагмы при облегании перфорированного каркаса и разгерметизации гидропривода.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий гидродвигатель с поршневой полостью, полым штоком, предохранительным клапаном и емкостью для масла и диафрагменный насос, включающий цилиндрический корпус с всасывающим и нагнетательным клапанами золотникового типа и выполненную в виде оболочки и размещенную в цилиндрическом корпусе эластичную диафрагму с закрепленными на конических втулках концами, причем цилиндрический корпус снабжен верхней и нижней крышками и внутри него установлены переходники, соединенные между собой трубкой, установленной внутри эластичной диафрагмы, при этом каждая коническая втулка снабжена, по крайней мере, одним тарельчатым клапаном, всасывающий клапан сообщен со стороны выхода из него через один из переходников с полостью диафрагмы и размещен в нижней крышке и в последней выполнены отверстия для прохода пластовой жидкости, а нагнетательный клапан размещен в верхней крышке и сообщен со стороны входа в него через другой переходник с полостью диафрагмы, гидродвигатель соединен через заполненный маслом цилиндр с нижней крышкой цилиндрического корпуса и выполнен с подпитывающим клапаном, который соединен с емкостью для масла, и предохранительным клапаном, который соединен с поршневой полостью гидродвигателя через полый шток, перед полым штоком в заполненном маслом цилиндре установлен поршень, а между последним и подпитывающим клапаном размещен толкатель для взаимодействия с поршнем, а емкость для масла снабжена поршнем и диафрагмой, полость которой сообщена с емкостью для масла ниже поршня, а указанная диафрагма помещена в перфорированном корпусе, полость которого сообщена с заполненной пластовой жидкостью скважиной (см. патент на полезную модель RU №92918, кл. F04B 47/08, опубл. 10.04.2010).
Однако в указанном скважинном электрогидроприводном насосном агрегате в процессе нагнетания у диафрагмы неизбежно образование складок, которые при циклической работе насоса приведут к разрушению диафрагмы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является исключение образования складок у диафрагмы во время эксплуатации и устранение возможности повреждения диафрагмы, а также обеспечение откачки жидкой среды с содержанием свободного газа.
Данная задача решается за счет того, что заявленная насосная установка с электрогидравлическим приводом содержит погружной электродвигатель с гидрозащитой, гидропривод с приводным насосом для рабочей жидкости, компенсатором, предохранительным клапаном, гидродвигателем и блоком управления возвратно-поступательного перемещения с гидрораспределителем и рабочий насос, включающий цилиндрический корпус, всасывающий и нагнетательный клапаны и диафрагму. Согласно изобретению гидродвигатель состоит из двух гидроцилиндров, расположенных на одной оси, каждый гидроцилиндр разделен поршнем на напорную полость, которая гидравлически связана через гидрораспределитель с приводным насосом, и приводную полость, поршни гидроцилиндров соединены штоком, а в состав установки входит второй рабочий насос, причем диафрагмы компенсатора и рабочих насосов имеют вогнутую форму с плоским фланцем, каждая диафрагма закреплена фланцевой частью между двумя кожухами аналогичной формы, ориентированными в зеркальном отражении относительно друг друга, одна сторона диафрагмы рабочего насоса через отверстия в камерном кожухе сообщена с трубопроводом рабочей жидкости и образует приводную полость, другая сторона диафрагмы рабочего насоса через отверстия в перфорированном кожухе сообщена с внутренней полостью рабочего насоса, приводная полость нижнего гидроцилиндра через трубопровод соединена с приводной полостью нижнего рабочего насоса, а приводная полость верхнего гидроцилиндра через трубопровод соединена с приводной полостью верхнего рабочего насоса, приводные полости рабочих насосов снабжены системой клапанов, которые контролируют нагрузку на диафрагмы и при возникновении перепада давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой, которые разделены диафрагмой, отводят рабочую жидкость во внутреннюю полость гидропривода или подают рабочую жидкость из внутренней полости гидропривода в приводную полость рабочих насосов, в состав установки входит система защиты гидропривода, которая состоит из фильтра рабочей жидкости, клапана защиты при обратном вращении электродвигателя, обратного клапана в напорной линии, внутренняя полость гидропривода связана с компенсатором и заполнена рабочей жидкостью, а в верхней части гидропривода расположен клапан стравливания для отвода из внутренней полости гидропривода в окружающее установку пространство излишков рабочей жидкости при объемном расширении и газа.
При этом согласно изобретению возможно, чтобы выход нижнего рабочего насоса через обратный клапан был соединен с входом верхнего рабочего насоса.
Диафрагма, изменяя форму и положение между внутренней поверхностью камерного кожуха и внутренней поверхностью перфорированного кожуха, не образует складок. Объем рабочей жидкости, подаваемый гидродвигателем, рассчитан таким образом, чтобы не приводил к прилеганию диафрагм к внутренней поверхности кожухов. Кожухи ограничивают перемещение диафрагмы в случае изменения объема рабочей жидкости в приводной полости, препятствуя растяжению диафрагмы. А система клапанов не допускает возникновения перепада давления больше допустимого между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой, которые разделены диафрагмой, предотвращая выдавливание диафрагмы в отверстия кожухов.
Рабочие насосы при последовательном соединении, то есть выход нижнего рабочего насоса через обратный клапан соединен с входом верхнего рабочего насоса, обеспечивают откачку жидкой среды с содержанием свободного газа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение надежности работы установки, стабильная работа при содержании свободного газа в перекачиваемой жидкой среде и увеличение сроков эксплуатации установки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - общий вид насосной установки с электрогидравлическим приводом;
На фиг. 2 - принципиальная схема насосной установки с электрогидравлическим приводом.
Насосная установка с электрогидравлическим приводом содержит погружной электродвигатель 1 с гидрозащитой 2, гидропривод 3 с приводным насосом 4 для рабочей жидкости, компенсатором 5, предохранительным клапаном 6, гидродвигателем 7 и блоком управления 8 возвратно-поступательного перемещения с гидрораспределителем 9 и рабочие насосы 10 и 11, включающие цилиндрические корпусы 12 и 13, всасывающий клапан 14, обратный клапан 15, нагнетательный клапан 16 и диафрагмы 17 и 18. Диафрагма 19 компенсатора 5 и диафрагмы 17 и 18 рабочих насосов 10 и 11 имеют вогнутую форму с плоским фланцем, каждая диафрагма закреплена фланцевой частью между двумя кожухами 20 и 21 аналогичной формы, ориентированными в зеркальном отражении относительно друг друга. Одна сторона диафрагмы 17 или 18 рабочего насоса 10 или 11 через отверстия 22 в камерном кожухе 20 сообщена с трубопроводом 23 или 24 рабочей жидкости и образует приводную полость 25 или 26, другая сторона диафрагмы рабочего насоса через отверстия 27 в перфорированном кожухе 21 сообщена с внутренней полостью 28 или 29 рабочего насоса 10 или 11. Гидродвигатель 7 состоит из двух гидроцилиндров 30 и 31, расположенных на одной оси, каждый гидроцилиндр разделен поршнем 32 или 33 на напорную полость 34 или 35, которая гидравлически связана через гидрораспределитель 9 с приводным насосом 4, и приводную полость 36 или 37, поршни гидроцилиндров соединены штоком 38. Приводная полость 36 нижнего гидроцилиндра 30 через трубопровод 39 и 23 соединена с приводной полостью 25 нижнего рабочего насоса 10, а приводная полость 37 верхнего гидроцилиндра 31 через трубопровод 40 и 24 соединена с приводной полостью 26 верхнего рабочего насоса 11. Приводные полости 25 и 26 рабочих насосов 10 и 11 снабжены системой клапанов 41, 42 и 43, которые контролируют нагрузку на диафрагмы 17 и 18 и при возникновении перепада давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой, которые разделены диафрагмой, отводят рабочую жидкость во внутреннюю полость 44 гидропривода 3 или подают рабочую жидкость из внутренней полости 44 гидропривода 3 в приводную полость 25 или 26 рабочих насосов 10 или 11. В состав установки входит система защиты гидропривода 3, которая состоит из фильтра 45 рабочей жидкости, клапана 46 защиты при обратном вращении электродвигателя, обратного клапана 47 в напорной линии 48. Внутренняя полость 44 гидропривода 3 связана с компенсатором 5 и заполнена рабочей жидкостью, а в верхней части гидропривода расположен клапан стравливания 49 для отвода из внутренней полости 44 гидропривода 3 в окружающее установку пространство излишков рабочей жидкости при объемном расширении и газа.
Насосная установка с электрогидравлическим приводом работает следующим образом.
Насосную установку с электрогидравлическим приводом спускают в скважину на колонне насосно-компрессорных труб 50. При погружении установки в жидкую среду корпус 51 компенсатора 5 через отверстия 52 заполняется данной средой, открываются всасывающий клапан 14, обратный клапан 15 и нагнетательный клапан 16 и жидкая среда заполняет внутреннюю полость 28 нижнего рабочего насоса 10, внутреннюю полость 29 верхнего рабочего насоса 11 и поступает в колонну насосно-компрессорных труб 50.
После спуска установки включается погружной электродвигатель 1, вращение вала электродвигателя через гидрозащиту 2 передается на приводной насос 4. Рабочая жидкость из внутренней полости 44 гидропривода 3, проходя через фильтр 45, всасывается приводным насосом 4 и по напорной линии 48 подается на гидрораспределитель 9.
В зависимости от положения гидрораспределителя 9 рабочая жидкость по каналу 53 поступает в напорную полость 34 нижнего гидроцилиндра 30 гидродвигателя 3 или по каналу 54 поступает в напорную полость 35 верхнего гидроцилиндра 31.
Пусть гидрораспределитель 9 находится в положении, при котором рабочая жидкость из напорной линии 48 подается по каналу 53 в напорную полость 34 нижнего гидроцилиндра 30. Поршень 32 нижнего гидроцилиндра 30 и соединенный с ним штоком 38 поршень 33 верхнего гидроцилиндра 31 перемещаются вниз, вытесняя рабочую жидкость из напорной полости 35 верхнего гидроцилиндра 31 по каналу 54 через гидрораспределитель 9 во внутреннюю полость 44 гидропривода 3. Поршень 32 нижнего гидроцилиндра 30 вытесняет рабочую жидкость из приводной полости 36 нижнего гидроцилиндра 30 через трубопровод 39 и 23 в приводную полость 25 нижнего рабочего насоса 10, а поршень 33 верхнего гидроцилиндра 31 всасывает рабочую жидкость из приводной полости 26 верхнего рабочего насоса 11 через трубопровод 24 и 40 в приводную полость 37 верхнего гидроцилиндра 31. Рабочая жидкость, поступая в приводную полость 25 нижнего рабочего насоса 10, изменяет положение диафрагмы 17 от внутренней поверхности камерного кожуха 20 до внутренней поверхности перфорированного кожуха 21 и приводит к закрытию всасывающего клапана 14, открытию обратного клапана 15 и вытеснению из внутренней полости 28 нижнего рабочего насоса 10 порции перекачиваемой жидкой среды по каналу 55 во внутреннюю полость 29 верхнего рабочего насоса 11. Поступая во внутреннюю полость 29 верхнего рабочего насоса 11, перекачиваемая жидкая среда изменяет положение диафрагмы 18 верхнего рабочего насоса 11 от внутренней поверхности перфорированного кожуха 21 до внутренней поверхности камерного кожуха 20, рабочая жидкость из приводной полости 26 верхнего рабочего насоса 11 вытесняется в приводную полость 37 верхнего гидроцилиндра 31, при этом нагнетательный клапан 16 давлением столба жидкой среды в колонне насосно-компрессорных труб удерживается закрытым.
В конце хода поршня 33 верхнего гидроцилиндра 31 блок управления 8 возвратно-поступательного перемещения переключает гидрораспределитель 9 и рабочая жидкость из напорной линии 48 начнет поступать по каналу 54 в напорную полость 35 верхнего гидроцилиндра 31. Поршни 32 и 33 гидроцилиндров 30 и 31 перемещаются вверх, вытесняя рабочую жидкость из напорной полости 34 нижнего гидроцилиндра 30 по каналу 53 через гидрораспределитель 9 во внутреннюю полость 44 гидропривода 3. Поршень 33 верхнего гидроцилиндра 31 вытесняет рабочую жидкость из приводной полости 37 верхнего гидроцилиндра 31 через трубопровод 40 и 24 в приводную полость 26 верхнего рабочего насоса 11, а поршень 32 нижнего гидроцилиндра 30 всасывает рабочую жидкость из приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10 через трубопровод 23 и 39 в приводную полость 36 нижнего гидроцилиндра 30. Рабочая жидкость, поступая в приводную полость 26 верхнего рабочего насоса 11, изменяет положение диафрагмы 18 от внутренней поверхности камерного кожуха 20 до внутренней поверхности перфорированного кожуха 21 и приводит к закрытию обратного клапана 15, открытию нагнетательного клапана 16 и вытеснению из внутренней полости 29 верхнего рабочего насоса 11 порции перекачиваемой жидкой среды в колонну насосно-компрессорных труб 50. Поршень 32 нижнего гидроцилиндра 30, отводя рабочую жидкость из приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10, создает перепад давления между окружающим установку пространством и внутренней полостью 28 нижнего рабочего насоса 10. Давлением жидкой среды всасывающий клапан 14 открывается и перекачиваемая жидкая среда по каналу 56 поступает во внутреннюю полость 28 нижнего рабочего насоса 10, изменяя положение диафрагмы 17 от внутренней поверхности перфорированного кожуха 21 до внутренней поверхности камерного кожуха 20.
В конце хода поршня 32 нижнего гидроцилиндра 30 блок управления 8 возвратно-поступательного перемещения переключает гидрораспределитель 9 и цикл повторяется.
Во время эксплуатации установки объем рабочей жидкости в приводных полостях 25 и 26 рабочих насосов 10 и 11 и во внутренней полости 44 гидропривода 3 может меняться в зависимости от температуры, от утечек через поршневые уплотнения и от газа, диффундирующего через диафрагмы.
В случае увеличения объема рабочей жидкости в приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10 диафрагма 17 в конце стадии нагнетания прижимается к внутренней поверхности перфорированного кожуха 21, создается перепад давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой во внутренней полости 28 нижнего рабочего насоса 10, открывается клапан 42 и излишки рабочей жидкости из приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10 вытесняются в приводную полость 26 верхнего рабочего насоса 11.
При уменьшении объема рабочей жидкости в приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10 диафрагма 17 в конце стадии всасывания прижимается к внутренней поверхности камерного кожуха 20, создается перепад давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой во внутренней полости 28 нижнего рабочего насоса 10, открывается клапан 41 и рабочая жидкость из внутренней полости 44 гидропривода 3 поступает в приводную полость 25 нижнего рабочего насоса 10.
При уменьшении объема рабочей жидкости в приводной полости 26 верхнего рабочего насоса 11 диафрагма 18 в конце стадии всасывания прижимается к внутренней поверхности камерного кожуха 20, создается перепад давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой во внутренней полости 29 верхнего рабочего насоса 11, открывается клапан 42 и рабочая жидкость из приводной полости 25 нижнего рабочего насоса 10 поступает в приводную полость 26 верхнего рабочего насоса 11.
При увеличении объема рабочей жидкости в приводной полости 26 верхнего рабочего насоса 11 диафрагма 18 в конце стадии нагнетания прижимается к внутренней поверхности перфорированного кожуха 21, создается перепад давления между рабочей жидкостью и перекачиваемой жидкой средой во внутренней полости 29 верхнего рабочего насоса 11, открывается клапан 43 и излишки рабочей жидкости из приводной полости 26 верхнего рабочего насоса 11 вытесняются во внутреннюю полость 44 гидропривода 3.
В случае увеличения объема рабочей жидкости во внутренней полости 44 гидропривода 3 диафрагма 19 компенсатора 5 прижимается к внутренней поверхности перфорированного кожуха 21, создается перепад давления между окружающим установку пространством и внутренней полостью 44 гидропривода 3, открывается клапан стравливания 49 и скопившийся в верхней части газ, а также излишки рабочей жидкости из внутренней полости 44 гидропривода 3 отводятся в окружающее установку пространство. Уменьшение объема рабочей жидкости во внутренней полости 44 гидропривода 3 компенсируется положением диафрагмы 19 компенсатора 5 между перфорированным кожухом 21 и камерным кожухом 20.
Если давление в напорной линии 48 превысит предельно-допустимое значение, сработает предохранительный клапан 6 и произойдет слив рабочей жидкости во внутреннюю полость 44 гидропривода 3.
При обратном вращении вала электродвигателя 1 открывается клапан 46, соединяя внутреннюю полость 44 гидропривода 3 с напорной линией 48 и позволяя приводному насосу 4 перекачивать рабочую жидкость в обратном направлении.
Обратный клапан 47 в напорной линии 48 перекрывает обратный поток рабочей жидкости к приводному насосу 4 при отключении установки и возможной утечке жидкой среды из колонны насосно-компрессорных труб 50 через нагнетательный клапан 16.