УСТАНОВКА НАСОСНАЯ ПЛУНЖЕРНАЯ ДИАФРАГМЕННАЯ ПОГРУЖНАЯ
DOWNHOLE PLUNGER-TYPE DIAPHRAGM PUMP UNIT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию, применяемому в ограниченном пространстве, например, к подземному оборудованию для подъема нефти из скважин, и может быть использовано для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, в том числе агрессивных, находящихся под землей в жидком состоянии, содержащих твердые включения: песок, буровой фильтрат и др.
Известна кратковременная эксплуатация скважины (КЭС) погружной установкой (Патент RU №2293176) лопастного насоса с электрическим приводом производительностью более 80 м/сут., состоящая из регулировки давления при откачке жидкости из скважины, из изменения скорости вращения насоса таким образом, что КПД насоса во всем диапазоне регулирования составлял не менее 0,9 максимального значения КПД для данной скорости вращения, чередования накопления жидкости в скважине при выключенной установке, при этом продолжительность периода эксплуатации скважины, равная сумме продолжительности откачки жидкости из скважины и продолжительности накопления жидкости в скважине, соответствует коэффициенту снижения дебита не более 0,95, а продолжительность работы установки равна отношению продолжительности откачки жидкости из скважины к продолжительности периода эксплуатации скважины менее 50%.
Недостатком известной установки при кратковременной эксплуатации низкодебитных скважин является большой диапазон изменения динамического уровня жидкости в скважине, и периодически создаваемая депрессия отрицательно влияет на работу нефтеносного пласта, подтягивает воду и тяжелые примеси в призабойную зону. Кратковременная эксплуатация скважины положительно влияет только при частичной очистке призабойной зоны при освоении скважины, а не для регулярной промышленной эксплуатации. Окупается известная установка на низкодебитных долго эксплуатируемых скважинах через продолжительное время, так как больше простаивает, чем работает, при этом потребляет большую мощность, при кратковременном включении возникает неравномерность нагрузки на электрическую сеть.
Известна установка насосная винтовая штанговая (выпускаемая ОАО «Ижевским заводом нефтяного машиностроения»), содержащая наземный электропривод, колонну штанг, соединенную с винтом, расположенным эксцентрично относительно оси вращения внутри другого эластичного винта с внутренней канавкой с шагом, в два раза большим, чем у первого винта, соединенными через подшипники с корпусом, закрепленным на конце колонны насосно-компрессорных труб с выходным клапаном.
Недостатком известной установки является небольшой межремонтный период из-за износа эластичного винта при наличии в перекачиваемой жидкости твердых частиц: песка, бурового фильтрата и т.д., а также наличие подшипников. Вращающаяся изогнутая колонна штанг вызывает осложнения в наклонных и горизонтальных скважинах и снижает КПД установки.
Известна установка насосная поршневая (Патент RU №2387876), содержащая погружной электродвигатель, соединенный через пусковую муфту с редуктором, выполненным в виде планетарной передачи, содержащей ведущую шестерню, закрепленную на валу, сателлиты, установленные на водиле, и ведомое колесо, при этом водило имеет два фиксированных переключаемых положения со свободным ходом относительно неподвижного корпуса и вращающегося ведущего вала, а ведомое колесо жестко соединено с внешней обоймой винтового подшипника качания преобразователя вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, выполненного в виде винтовой пары, между витками которой расположены ролики или шарики, а шток выполнен в виде внутренней обоймы этого подшипника и имеет направляющие для подшипника поступательного движения, который соединен с поршнем, содержащим демпфер, при этом шток соединен с тягой, пружиной растяжения-сжатия, упорным двухсторонним подшипником, соединенным с направляющими, расположенными в водиле, соединенными концами с двумя торцевыми зубчатыми колесами, входящими в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми зубчатыми колесами, каждое из которых расположено на упругих муфтах, закрепленных одна в корпусе для рабочего хода, а другая на ведущем валу для холостого хода, при этом поршень перемещается в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами.
Недостатком известной установки является наличие механической передачи, зацеплений, подшипников качания, что уменьшает надежность, срок службы, т.е. межремонтный период (МРП), наличие свободного хода плунжера, от чего снижается КПД установки, а также невозможность регулировать производительность установки в широком диапазоне.
Известна диафрагменная плунжерная погружная насосная установка (ЭДН-5, выпускаемая ОАО «Ижевский электромеханический завод», ЗАО «Потек»), содержащая погружной электродвигатель, соединенный с конусным редуктором, диафрагмой, плунжером с возвратной пружиной, расположенными в камере, заполненной маслом, корпус со спускным электромагнитным клапаном и входным и выходным клапанами соединенными с насосно-компрессорными трубами.
Недостатком известной установки является наличие механической передачи, зацепления, подшипников качения, что уменьшает надежность, срок службы, т.е. межремонтный период (МРП), наличие свободного хода плунжера, от чего снижается КПД установки, а также невозможность регулировать производительность установки в широком диапазоне, из-за чего увеличивается номенклатура насосов (ЭДН-5-4-200, ЭДН-5-6,3-1500, ЭДН-5-8-1300, ЭДН-5-10-1200, ЭДН-5-12,5-900, ЗДН-5-16-750, ЭДН-5-20-600), и при изменении притока жидкости в скважине возникает необходимость производить спускоподьемные работы по замене насоса, невозможность добычи вязких нефтей, на месторождениях Приволжского региона не используется ни одной установки (статистика ОАО «Удмуртнефть»)
Известна установка насосная плунжерная погружная и ее линейный электродвигатель (Патент RU №2422676), состоящая из корпуса, погружного линейного электродвигателя, содержащего корпус, статор и вторичный элемент, выполняющий роль штока, соединенный концами с двумя плунжерами или поршнями, перемещающимися в цилиндрах с уплотнениями, при этом плунжеры или поршни и цилиндры выполнены сплюснутыми, у которых большая ось поперечных сечений и такая же ось вторичного элемента электродвигателя лежат в одной плоскости, соединенных жестко с парами входным и выходным клапанами, расположенные в корпусе установки со сквозными полостями, соединяющими выход второго выходного клапана с выходом первого выходного клапана, а перед одной из пар которых установлен сливной электромагнитный клапан, а верхняя пара клапанов соединена с насосно-компрессорными трубами, при этом полость между уплотнениями первого цилиндра и плунжера или поршня и второго цилиндра и плунжера или поршня, включая внутренний объем электродвигателя, заполнена диэлектрической жидкостью, при этом площади поперечного сечения вторичного элемента и плунжера равны или отличаются друг от друга в зависимости от расчетного объема омывающей внутренние части электродвигателя жидкости для теплопередачи через корпуса в сквозные полости заполненные перекачиваемой жидкостью, при этом интенсивность смывания диэлектрической жидкостью составных внутренних частей электродвигателя и заплунжерного пространства прямо пропорциональна скорости перемещения вторичного элемента с плунжерами или поршнями, а кабель питания и управления линейным электродвигателем проходит сквозь тело цилиндра и корпус первой пары клапанов.
Недостатком известной установки является небольшой срок службы, межремонтный период (МРП), из-за наличия в области трения между плунжерами и уплотнениями перекачиваемой жидкости с твердыми включениями, по этой причине невозможность перекачивания также агрессивных жидкостей.
Задача изобретения - увеличение срока межремонтного периода (МРП) за счет уменьшения износа плунжеров при исключении жидкости с твердыми включениями в области трения, перекачивание агрессивных жидкостей.
Техническим результатом, достигаемым в результате поставленной задачи, является увеличение срока службы, т.е. межремонтного периода (МРП), расширение функциональных возможностей - перекачивание агрессивных жидкостей.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке плунжеры защищены от перекачиваемой жидкости с твердыми включениями, в том числе агрессивной, диафрагмами, выполненными в виде сплюснутых цилиндров, что позволяет перекачивать жидкости с небольшими до 10% деформациями эластичной оболочки диафрагмы
Наличие указанной совокупности признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата, позволяет сделать вывод о новизне технического решения.
Соответствие технического решения критерию «промышленная применимость» показано на примерах конкретного выполнения устройства.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема установки насосной плунжерной диафрагменной погружной, на фиг.2 показана схема сечения сплюснутого плунжера в цилиндре и во внутренней полости деформируемой диафрагмы в двух крайних положениях (одно из положений изображено штрихпунктирной линией).
Установка насосная плунжерная погружная состоит из корпуса 1 (Фиг.1), линейного электродвигателя 2, состоящего из корпуса 3, двугребенчатого статора 4, состоящего из двух гребенчатых сердечников из ферромагнитного материала 5 и катушек индуктивности 6, вторичного элемента 7, концы которого жестко соединены с плунжерами 8 и 9, перемещающимися в цилиндрах соответственно 10 и 11, которые соединены с корпусами, с одной стороны с корпусом 12 диафрагмы 13, который соединен соответственно с двумя парами клапанов: входного 14 и выходного 15, соединенных с насосно-компрессорными трубами 16, а также входного 17 и выходного 18 клапанов, соединенных жестко с другой стороны через корпус 19 диафрагмы 20 с цилиндром 11 на конце установки, при этом выход выходного клапана 18 соединен с выходом первого выходного клапана 15 сквозными полостями 21, проходящими между корпусом 1 установки и второй парой клапанов 17 и 18, цилиндром 11, корпусом 3 линейного электродвигателя 2, цилиндром 10. Перед первым входным клапаном 14 установлен сливной электромагнитный клапан 22. Внутреннее пространство установки между уплотнениями 23 плунжеров 8 и 9, включая электродвигатель, заполнено диэлектрической жидкостью 24, через которую осуществляется теплоотвод от нагреваемых внутренних составных частей линейного электродвигателя 2. Скорость перемещения жидкости 24 относительно неподвижных омываемых элементов: катушек индуктивности 6, гребенчатых сердечников 5 и др. зависит от площади поперечного сечения плунжера 8, 9 и площади поперечного сечения омывающего потока диэлектрической жидкости 24. Внутреннее пространство диафрагм 13 и 20 заполнено диэлектрическим маслом.
Плунжеры 8 и 9, цилиндры 10 и 11 и диафрагмы 13 и 20 в поперечном сечении выполнены сплюснутыми (Фиг.2) и взаимно расположены так, чтобы концы плунжеров в области крайних положений при возвратно-поступательном перемещении находились во внутренних областях 25 сплюснутых диафрагм 13 и 20. Внутренние области 25 диафрагм 13 и 20 заполнены диэлектрическим маслом. Большие оси поперечных сечений цилиндров 10 и 11, плунжеров 8 и 9 и диафрагм 13 и 20 и вторичного элемента 7 (Фиг.1) расположены в одной плоскости.
Устройство работает следующим образом.
Момент силы от линейного электродвигателя 2 (Фиг.1), вторичного элемента 7, перемещающегося возвратно-поступательно, передается плунжерам 8 и 9, при этом плунжер 8 перемещается вверх - рабочий ход, а плунжер 9 вниз - холостой ход, первый входной клапан 14 закрыт, а первый выходной клапан 15 открыт, а второй входной клапан 17 открыт, второй выходной клапан 18 закрыт, и жидкость из внешнего пространства диафрагмы 13 вытесняется через клапан 15 во внутреннюю полость насосно-компрессорных труб 16, а также заполняет внешнее пространство второй диафрагмы 20. При обратном ходе, когда вторичный элемент 7 перемещается вниз вместе с плунжерами, первый плунжер 8 совершает холостой ход, а второй плунжер 9 - рабочий ход, при этом первый входной клапан 14 открыт, а первый выходной 15 - закрыт, а второй входной клапан 17 закрыт, второй выходной клапан 18 открыт, и жидкость из внешнего пространства диафрагмы 20 вытесняется в сквозную полость 21 между корпусом установки 1 и второй парой клапанов 17 и 18, вторым цилиндром 11, корпусом 3 линейного электродвигателя, первым цилиндром 10, за тем во внутреннюю полость насосно-компрессорных труб 16, а также заполняется жидкостью внешняя полость диафрагмы 13. Таким образом, осуществляется практически беспрерывный поток перекачиваемой жидкости, за исключением кратковременных моментов смены направления перемещения плунжеров 8 и 9, которая при перемещении омывает корпус 3 линейного электродвигателя 2 и цилиндры 10 и 11, отнимая от них часть тепла. Диэлектрическая жидкость 24, заполняющая пространство между уплотнениями 23 плунжеров 8 и 9 при возвратно-поступательном перемещении вторичного элемента 7 с плунжерами 8 и 9, омывает двугребенчатые статоры 4 и вторичный элемент 7, которые нагреваются в процессе работы. Скорость перемещения диэлектрической жидкости 24 в линейном электродвигателе 2 зависит от площади поперечного сечения плунжеров 8 и 9, вторичного элемента 7, их скорости перемещения и пропускной свободной площади поперечного сечения, заполненной диэлектрической жидкостью 24. Диэлектрическое масло во внутренних областях 25 (Фиг.2) диафрагм 13 и 20 выполняет функцию передачи гидравлического давления от плунжеров 8 и 9 перекачиваемой жидкости, находящейся во внешней области диафрагм 13 и 20, а конструкция диафрагм 13 и 20 при деформации позволяет равномерно распределить в ней напряжения, без концентрации в локальных областях.