Сифонный водозабор
SIPHON WATER INTAKE

Предложение относится нефтегазодобывающей промышленности, а именно к системам сбора воды из подземных и надземных источников для поддержания пластового давления через нагнетательные скважины.
Известна скважинная насосная установка (патент RU № 2201534, МПК F04D 13/10, E21B 43/18, опубл. 27.04.2000 в Бюл. № 12), включающая погружной насос, установленный на водоподъемной трубе в обсадной колонне с герметичной крышкой, через которую выведена водоподъемная труба, и устройство для вакуумирования скважины, причем устройство для вакуумирования скважины выполнено в виде воздуходувки, всасывающая линия которой соединена с замкнутым объемом обсадной колонны скважины и снабжена коллектором с вакуумметром и влагопылеотделителем с клапаном предельного вакуума, а нагнетательная линия через глушитель соединена с атмосферой.
Недостатками насосной установки являются узкая область применения, так как предназначена для постоянной работы из-за отсутствия средств запуска после остановки, не рассчитана на длительную эксплуатацию из-за отсутствия средств сбора и несанкционированных сливов воды, нет защиты от температур ниже температуры замерзания воды и большие затраты воды из-за отсутствия систем улавливания капель воды, находящихся в откачиваемых вакуумным насосом воздухе.
Известно также устройство для забора подземных вод из герметичных скважин (патент SU № 1539267, МПК E03B 03/06, опубл. 30.01.1990 в Бюл. № 4), оборудованных фильтрами, содержащее вакуум-котел, сифонный водовод, соединенный со скважинами и с вакуум-котлом в верхней его части, вакуум-насос и насос для подъема воды, соединенные с вакуум-котлом соответственно в верхней и нижней части, и трубопроводную арматуру, причем оно снабжено вакуумным трубопроводом, соединенным с верхней частью каждой скважины и через задвижку с верхней частью вакуум-котла, установленным в каждой скважине сообщенным с атмосферой вертикальным трубопроводом, нижний торец которого выведен за фильтр, трубопроводом подачи сжатого воздуха, соединенным с верхней частью каждой скважины, и вертикальными трубопроводами, а также сбросными патрубками, соединенными с трубопроводом подачи сжатого воздуха и с верхней частью каждой скважины, причем на сбросных патрубках и вертикальных трубопроводах вне скважин, в местах соединения вертикальных трубопроводов с трубопроводом подачи сжатого воздуха, вакуумного трубопровода и трубопровода подачи сжатого воздуха с верхней частью каждой скважины установлены вентили.
Недостатками насосной установки являются узкая область применения, так как предназначена для постоянной работы из-за отсутствия средств запуска после остановки, не рассчитана на длительную эксплуатацию из-за отсутствия средств сбора и несанкционированных сливов воды, нет защиты от температур ниже температуры замерзания воды и большие затраты воды из-за отсутствия систем улавливания капель воды, находящихся в откачиваемых вакуумным насосом воздухе, и необходимости наличия компрессоров и вакуум-насосов высокой производительности, так как вакуумные линии и трубопроводы подачи сжатого воздуха имеют большую протяженность.
Наиболее близким по технической сущности является насосная станция для отбора воды из скважины (патент SU № 565118, МПК F04D 13/10, опубл. 15.07.1977 в Бюл. № 26), содержащая наземный павильон с расположенным в нем вакуумным насосом и подземная часть, в которой размещены подающий насос, например, центробежный, с напорным трубопроводом и вакуумный бак, соединенный с вакуумным насосом и через сифонный коллектор с водозаборными скважинами, причем внутри вакуумного бака установлена разделительная трубка, в которой расположен подающий насос с напорным трубопроводом.
Недостатками насосной станции для отбора воды из скважины являются невозможность периодической работы, так как без воды эффективность вакуумного насоса падает, а устройство для удаления воздуха при запуске отсутствует потому, что подача на вход насоса жидкости предусмотрена только перед начальным пуском, малый межремонтный период, так как при конденсации воды в павильоне или протекании жидкости из сальников насосов или напорного трубопровода павильон быстро заполнится водой, а системы сбора и откачки из нее воды не предусмотрено.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание конструкции сифонного водозабора, позволяющего периодически запускать вакуумный насос по необходимости за счет наличия системы заполнения входа насоса и устройства для удаления воздуха из системы, и увеличить период между обслуживаниями за счет наличия сборного колодца, совмещенного с системой откачки.
Техническая задача решается сифонным водозабором, включающим наземный павильон с расположенным в нем вакуумным насосом, сообщенный пневматическими линиями с вакуумным баком, выпаленным в виде вертикальной скважины, подземный сифонный коллектор, сообщенный со скважиной, в которую спущен глубинный насос с напорным трубопроводом.
Новым является то, что в павильоне выполнен герметичный колодец, охватывающий верх скважины, и установлен каплеуловитель, сообщенный через запорный орган с напорным трубопроводом, а верхней частью – с выходом вакуумного насоса, на входе вакуумного насоса установлено устройство для удаления воздуха при запуске, сообщенное с низом каплеуловителя через задвижку, при этом пол в павильоне выполнен с наклоном в сторону колодца, который оснащен донной трубкой, соединенной через вентиль с пневматической линией, причем вакуумный насос оснащен средством пуска и выключения в зависимости от уровня давления в скважине.
Новым также является то, что запорный орган, задвижка и вентиль выполнены управляемыми с возможностью открытия в зависимости от минимального уровня жидкости в каплеуловителе, от минимального уровня жидкости в вакуумном насосе и максимального уровня жидкости в колодце соответственно.
Новым является также то, что дополнительно снабжен откачивающим насосом, сообщенным входом с низом каплеуловителя, а выходом - напорным трубопроводом через обратный клапан, и выполненным с возможностью включения при превышении максимального уровня в каплеуловителе.
На чертеже изображена схема сифонного водозабора.
Сифонный водозабор включает наземный павильон 1 с расположенным в нем вакуумным насосом 2, сообщенный пневматическими линиями 3 с вакуумным баком, выпаленным в виде вертикальной скважины 4, подземный сифонный коллектор 5, сообщенный со скважиной 4, в которую спущен глубинный насос 6 с напорным трубопроводом 7. В павильоне выполнен герметичный колодец 8, охватывающий верх скважины 4, и установлен каплеуловитель 9, сообщенный через запорный орган 10 с напорным трубопроводом 7, а верхней частью – с выходом 11 вакуумного насоса 2. На входе 12 вакуумного насоса 2 установлено устройство для удаления воздуха 13 при запуске, сообщенное с низом каплеуловителя 9 через задвижку 14. Пол 15 в павильоне 1 выполнен с наклоном в сторону колодца 8, который оснащен донной трубкой 16 соединенной через вентиль 17 с пневматической линией 3. Вакуумный насос 2 оснащен средством пуска и выключения 18 в зависимости от уровня давления в скважине 4. Для уменьшения влияния человеческого фактора запорный орган 10, задвижка 14 и вентиль 17 могут открываться или закрываться при помощи блока управления 19 в зависимости от уровня жидкости в каплеуловителе 9, в вакуумном насосе 2 и колодце 8 соответственно. Запорный орган 10 открывается при минимальном уровне жидкости (воды) в каплеуловителе 9, при повышении выбранного уровня - закрывается. Задвижка 14 открывается в при минимальном уровне жидкости в вакуумном насосе 2, при максимальном уровне – закрывается. Вентиль 17 открывается в при максимальном уровне жидкости в колодце 8, при минимальном уровне – закрывается. Все уровни для включения и выключения запорного органа 10, задвижки 14 и вентиля 17 выбираются эмпирически при помощи соответствующих датчиков 20 и 21, 22 и 23, 24 и 25. Сифонный водозабор для исключения перелива жидкости из каплеуловителя 9, оснащенного при этом датчиком 26 максимального уровня (выбирается эмпирическим путем), дополнительно снабжают откачивающим насосом 27, сообщенным входом с низом каплеуловителя 9, а выходом – с напорным трубопроводом 7 через обратный клапан 28 (для исключения обратного тока жидкости), и выполненным с возможностью включения блоком управления 19 при превышении максимального уровня в каплеуловителе 9, определяемым датчиком 26, для перекачки жидкости из каплеуловителя 9 в напорный трубопровод 7. Откачивающий насос 27 отключается при достижении уровня закрытия запорного органа 10 для исключения одновременного заполнения каплеуловителя 9 из напорного трубопровода 7 и откачки насосом 27 из каплеуловителя 9 в напорный трубопровод 7.
При работе в удаленных районах рекомендуется дублирование всех конструктивных элементов сифонного водозабора, например, использовать две или более скважин 4 с соответствующими глубинными насосами 6 и с одним колодцем 8, двух вакуумных насосов 2, работающих попеременно, и т.д. На дублирование конструктивных элементов для повышения надежности авторы не претендуют, так как это известно из открытых источников.
Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность водозабора, на чертеже не показаны или показаны условно.
Сифонный водозабор работает следующим образом.
Сифонный водозабор для снижения воздействия внешней среды (осадков, ветра, перепадов температур и т.п.) располагают в наземном павильоне 1. Вода по сифонному коллектору 5 поступает в скважину 4, откуда глубинным насосом 6 откачивается в напорный трубопровод 7 и далее потребителю (не показан). Для интенсификации притока в скважину 4 в ее верхней части создают разряжение при помощи вакуумного насоса 2 через пневматические линии 3, давление внутри которых контролируют манометром 29. При снижении давления ниже допустимого (обычно 0,07 МПа) включают средством пуска и выключения 18 электродвигатель 30, который запускает вакуумный насос 2 для обора газа с парами воды из скважины 4, которые с входа 12 поступают на выход 11 и далее в верхнюю часть каплеуловителя 7, где капли воды из газа осаждаются, а газ (не агрессивный и не ядовитый) свободно выходит наружу. После снижения давления (обычно до 0,03 МПа) электродвигатель 30 с вакуумным насосом 2 останавливают. Для улучшения работы вакуумного насоса 2 при запуске на его входе устанавливают устройство для удаления воздуха 13 (например, ав. св. SU № 731062, патент RU № 2674297 или т.п.), в который перед пуском через выход 11 из каплеуловителя 9 заливают воду до максимального уровня, открывая задвижку 14. Также контролируют уровень жидкости (воды) в каплеуловитель 9, при снижении уровня ниже допустимого открывают запорный орган 10 и жидкость из напорного трубопровода 7 поступает в каплеуловитель 9. По достижении необходимого уровня в каплеуловителе 9 запорный орган 10 перекрывают.
В ходе работы сифонного водозабора жидкость, поступающая в каплеуловитель 9, по объему превосходит объем жидкости, отбираемой из каплеуловитель 9 на запуск вакуумного насоса 2 и испаряющейся из нее, тогда каплеуловитель 9 начинает переполняться. Для исключения переполнения каплеуловитель 9 при достижении максимально допустимого уровня жидкость из него откачивают насосом в мобильную емкость (не показаны). При этом из-за конденсата внутри наземного павильона 1, негерметичности соединений напорного трубопровода 7 или других гидравлических систем на пол 15 под действием гравитации стекает выделившаяся жидкость. Благодаря наклону пола 15 жидкость стекает в колодец 8, который оснащен донной трубкой 16 соединенной через вентиль 17 с пневматической линией 3. При достижении максимально допустимого уровня жидкости при работе вакуумного насоса 2 открывают вентиль 17 и жидкость высасывается из колодца в каплеуловитель 9.
Для автоматизации процессов регулирования поддержания уровня жидкости каплеуловителе 9, вакуумном насосе 2 и колодце 8 могут использовать автоматизированный пульт управления 19, связанный с датчиками 20 – 25, которые контролируют уровни жидкости соответственно в каплеуловителе 9, вакуумном насосе 2 и колодце 8. При этом информация с манометра 29 оцифровывается и подается напрямую в средство пуска и выключения 18 вакуумного насоса 2. При снижении уровня в каплеуловителе 9 ниже датчика 21 с первого выхода пульта управления 19 подается сигнал на открытие запорного органа 10, и жидкость из напорного трубопровода 7 поступает в каплеуловителе 9. По достижении уровнем жидкости в каплеуловителе 9 датчика 20 с первого выхода пульта управления 19 подается сигнал на закрытие запорного органа 10, и жидкость из напорного трубопровода 7 перестает поступать в каплеуловителе 9. При необходимости цикл закачки каплеуловителя 9 повторяют. При повышении давления выше допустимого (обычно 0,07 МПа) сигнал на включение электродвигателя 30 с насосом 2 подается с манометра 29 на средство пуска и выключения 18, который срабатывает с задержкой (1 – 3 с). При этом пультом управления 19 проверяется уровень жидкости в вакуумном насосе 2, если уровень ниже датчика 23, со второго выхода пульта управления 19 подается сигнал на открытие задвижки 14, и жидкость из каплеуловителя 9 поступает в вакуумный насос 2. По достижении уровнем жидкости в вакуумном насосе 2 датчика 22 со второго выхода пульта управления 19 подается сигнал на закрытие задвижки 14, и жидкость из каплеуловителя 9 перестает поступать в вакуумный насос 2. После чего происходит запуск вакуумного насоса 2. После снижения давления (обычно до 0,03 МПа) в пневматические линии 3 и скважине 4 электродвигатель 30 с вакуумным насосом 2 останавливают при помощи средства пуска и выключения 18, получающего соответствующий сигнал с манометра 29. Циклы откачки газа из скважины 4 повторяются при необходимости. При достижении уровнем жидкости датчика 24 в колодце 8 во время работы вакуумного насоса 2 с третьего выхода пульта управления 19 подается сигнал на открытие вентиля 17, и жидкость из колодца 8 с газом из скважины 4 поступает в вакуумный насос 2 и далее в каплеуловитель 9. После снижения уровня жидкости до датчика 25 в колодце 8 с третьего выхода пульта управления 19 подается сигнал на закрытие вентиля 17, и жидкость из колодца 8 перестает отбираться. Циклы отбора жидкости из колодца 8 при необходимости повторяют.
Для достижения полной автономности работы и снижения зависимости от наличия свободной мобильной емкости сифонный водозабор могут снабдить откачивающим насосом 27, сообщенным входом с низом каплеуловителя 9, а выходом – с напорным трубопроводом 7 через обратный клапан 28. При достижении уровнем жидкости в каплеуловителе 9 датчика 26 с четвертого выхода пульта управления 19 подается сигнал на включение откачивающего насоса 27, и жидкость из каплеуловителя 9 поступает через клапан 28 в напорный трубопровод 7. При снижении уровня жидкости до датчика 20 с четвертого выхода пульта управления 19 подается сигнал на выключение откачивающего насоса 27. Клапан 28 исключает несанкционированный обратный ток жидкости из напорного трубопровода 7 через насос 27 в каплеуловитель 9. Циклы отбора жидкости откачивающим насосом 27 из каплеуловителя 9 периодически повторяют при необходимости.
Наличие на входе устройства для удаления воздуха 13, позволяет работать вакуумному насосу 2 периодически. А периодическая работа вакуумного насоса 2 позволяет ему работать при отсосе газа в оптимальном режиме, что в совокупности значительно экономит электроэнергию, потребляемую электродвигателем 30.
Предлагаемый сифонный водозабор позволяет периодически запускать вакуумный насос по необходимости за счет наличия системы заполнения входа насоса и устройства для удаления воздуха из системы, и увеличить период между обслуживаниями за счет наличия сборного колодца, совмещенного с системой откачки. А автоматизация всех процессов откачки жидкости и газа обслуживание сифонного водозабора сводит вообще к минимуму.