ЭЛЕКТРОГИДРООБЪЕМНАЯ СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области насосостроения, а именно к конструкции и производству насосных установок, предназначенных для подъема различных жидкостей с больших глубин, например нефти, и может быть использована, например, в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации всевозможных скважин, в частности малодебитных вертикальных или наклонных скважин со сложными характеристиками нефтяного пласта.
Известна погружная насосная установка (далее - насосная установка), выбранная в качестве прототипа, содержащая рабочий насос и герметичную капсулу, в которой размещены погружной электродвигатель с гидрозащитой, соединенный с ним приводной многосекционный шестеренный гидронасос, соединенный с линией высокого давления, распределитель с механическим управлением, предохранительно-перепускной клапан с дросселем и гидродвигатель возвратно-поступательного действия, включающий основной шток и фальшток одинакового диаметра, штоковую полость, поршень, поршневую полость, при этом рабочий насос содержит шток, штоковую полость, поршень с обратным клапаном, поршневую полость, нижнюю крышку со всасывающем клапаном и верхнюю крышку с напорным клапаном, при этом основной шток гидродвигателя и шток рабочего насоса жестко связаны между собой, (см. патент на изобретение №2559902, МПК F04B 47/08, 13.02.2014 г.).
Однако известная насосная установка, при своем использовании, имеет следующие недостатки:
- обладает недостаточной надежностью работы из-за того, что, поток масла выходит из гидронасоса в линию высокого давления с пульсацией (резкими скачками повышенного давления), а это отрицательно сказывается на плавности хода штоков гидродвигателя и рабочего насоса;
- обладает недостаточной надежностью работы из-за того, что электродвигатель напрямую связан с приводным гидронасосом, при работе которого возникает значительная вибрация, передаваемая на электродвигатель, и которая может привести к его внезапному отказу во время эксплуатации, а это ведет к непредвиденной остановке и вынужденному подъему из скважины насосной установки для ее внепланового ремонта;
- обладает недостаточной надежностью работы потому, что электродвигатель находится внутри герметичной капсулы, полностью заполненной рабочим маслом, из-за чего, при нагреве масла выше рабочей температуры он очень быстро перегревается и со временем перегорает не отработав своего ресурса;
- обладает недостаточной долговечностью из-за того, что не компенсируется повышение давления в герметичной капсуле, которое возникает от появления дополнительного объема масла при увеличении ее рабочей температуры, а это влияет на работоспособность, находящегося оборудования в капсуле;
- обладает недостаточной долговечностью из-за того, что отсутствует фильтрация масла от механических частиц износа трущихся поверхностей деталей гидродвигателя;
- обладает очень незначительной возможностью своей переналадки, что ограничивает ее эксплуатацию в малодебитных скважинах с различными характеристиками нефтяного пласта.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение перечисленных недостатков известной насосной установки.
Техническим результатом при использовании предложенной насосной установки является повышение надежности работы с одновременным увеличением долговечности, а также расширение диапазона ее производительности при эксплуатации малодебитных скважин различной глубины со сложными характеристиками нефтяного пласта.
Технический результат достигается тем, что предложена насосная установка, содержащая рабочий насос и герметичную капсулу, в которой размещены погружной электродвигатель с гидрозащитой, соединенный с ним приводной многосекционный шестеренный гидронасос, соединенный с линией высокого давления, распределитель с механическим управлением, предохранительно-перепускной клапан с дросселем и гидродвигатель возвратно-поступательного действия, включающий основной шток и фальшток одинакового диаметра, штоковую полость, поршень, поршневую полость, при этом рабочий насос содержит шток, штоковую полость, поршень с обратным клапаном, поршневую полость, нижнюю крышку со всасывающем клапаном и верхнюю крышку с напорным клапаном, при этом основной шток гидродвигателя и шток рабочего насоса жестко связаны между собой, герметичная капсула разделена перегородкой с центральным отверстием на две камеры, причем камера, в которой расположен приводной многосекционный шестеренный гидронасос, полностью заполнена маслом, в центральном отверстии перегородки установлен шпиндельный узел со встроенным виброизолирующим демпфером, к которому прикреплен приводной многосекционный шестеренный насос, а с другой стороны шпиндельного узла жестко закреплен погружной электродвигатель, причем, электродвигатель и гидронасос кинематически связаны посредством шпиндельного узла, при этом приводной многосекционный шестеренный гидронасос состоит из последовательно соединенных между собой одинаковых взаимозаменяемых секций, на выходе из последней секции гидронасоса установлен обратно-предохранительный клапан, а вокруг линии высокого давления размещен протектор из эластичного материала, при этом на выходе предохранительно-перепускного клапана установлен фильтр тонкой очистки масла, а на фальштоке жестко закреплен ползун с двумя кулачками для поочередного взаимодействия с механическим управлением распределителя. Кроме того, в качестве эластичного материала для протектора выбрана резина.
Среди признаков, характеризующих предложенную насосную установку, существенными являются:
- разделение герметичной капсулы перегородкой с центральным отверстием на две камеры, причем камера, в которой расположен приводной многосекционный шестеренный гидронасос, полностью заполнена маслом;
- установка в центральном отверстии перегородки шпиндельного узла со встроенным виброизолирующим демпфером, к которому прикреплен приводной многосекционный шестеренный насос, а с другой стороны шпиндельного узла жестко закреплен погружной электродвигатель;
- электродвигатель и гидронасос кинематически связаны посредством шпиндельного узла;
- выполнение приводного многосекционного шестеренного гидронасоса, состоящего из последовательно соединенных между собой одинаковых взаимозаменяемых секций;
- установка на выходе из последней секции гидронасоса обратно-предохранительного клапана;
- размещение вокруг линии высокого давления протектора из эластичного материала;
- установка на выходе предохранительно-перепускного клапана фильтра тонкой очистки масла;
- жесткое закрепление на фальштоке ползуна с двумя кулачками для поочередного взаимодействия с механическим  управлением распределителя;
- выбор в качестве эластичного материала для протектора резины.
Разделение герметичной капсулы перегородкой с центральным отверстием на две камеры, причем камера, в которой расположен приводной многосекционный шестеренный гидронасос, полностью заполнена маслом, позволяет увеличить долговечность предложенной насосной установки за счет исключения перегрева погружного электродвигателя, так как он размещен внутри второй камеры, в которой отсутствует масло, а находится воздух.
Установка в центральном отверстии перегородки шпиндельного узла со встроенным виброизолирующим демпфером, к которому прикреплен приводной многосекционный шестеренный гидронасос, а с другой стороны шпиндельного узла жестко закрепленного погружного электродвигателя, позволяет повысить надежность работы предложенной насосной установки за счет встроенного виброизолирующего демпфера, который полностью гасит вибрацию гидронасоса, из-за чего исключаются отказы в процессе длительной работы шпиндельного узла и погружного электродвигателя.
Так как электродвигатель и гидронасос кинематически связаны посредством шпиндельного узла позволяет повысить надежность работы предложенной насосной установки за счет высокой точности их соединения.
Выполнение приводного многосекционного шестеренного гидронасоса, состоящего из последовательно соединенных между собой одинаковых взаимозаменяемых секций позволяет расширить диапазон производительности предложенной погружной насосной установки без изменения ее наружных размеров.
При выполнении приводного многосекционного шестеренного гидронасоса состоящим из одной секции предлагаемая насосная установка имеет минимальную производительность.
При выполнении приводного многосекционного шестеренного гидронасоса состоящим из двух секций предлагаемая насосная установка будет имеет производительность в два раза больше.
При выполнении приводного многосекционного шестеренного гидронасоса состоящим из трех секций предлагаемая насосная установка будет имеет производительность в три раза больше.
И так далее.
Максимальное количество секций в гидронасосе, а следовательно и максимальная производительность предлагаемой насосной установки регламентируется только мощностью и габаритными размерами погружного электродвигателя.
Установка на выходе из последней секции гидронасоса обратно-предохранительного клапана позволяет повысить надежность работы предложенной насосной установки за счет исключения пульсации (резкого скачка повышения давления) потока масла, выходящего из приводного многосекционного шестеренного гидронасоса в линию высокого давления, что обеспечивает плавный ход штоков гидродвигателя и штоков рабочего насоса при их работе.
Размещение вокруг линии высокого давления протектора из эластичного материала позволяет увеличить долговечность предложенной насосной установки за счет того, что протектор компенсирует появление дополнительного объема масла внутри герметичной капсулы, который образуется в результате нагрева масла во время работы приводного многосекционного шестеренного гидронасоса, а также из-за высокой температуры внутри скважины.
Установка на выходе предохранительно-перепускного клапана фильтра тонкой очистки масла позволяет увеличить долговечность предложенной насосной установки за счет исключения попадания механических частиц износа трущихся поверхностей деталей гидродвигателя в приводной многосекционный шестеренный гидронасос, которые могут вывести его из строя.
Размещение на фальштоке жестко закрепленного ползуна с двумя кулачками для поочередного взаимодействия с механическим управлением распределителя позволяет повысить надежность работы предложенной насосной установки за счет точного переключения золотника распределителя из одного положения в другое, что обеспечивает быстрое заполнение поршневой и штоковой полостей гидродвигателя.
Выбор для протектора в качестве эластичного материала резины позволяет ему без разрушения за счет ее упругих свойств увеличивать свой внутренний объем и обеспечивать внутри герметичной капсулы постоянное давление масла.
Конструкция электропитания погружного электродвигателя 3 с гидрозащитой является стандартной и в данной заявке не показана.
Следует отметить, что конструкция приводного многосекционного шестеренного гидронасоса 8 и его секций, а также метод их последовательного соединения между собой предложенной насосной установки являются предметом "Ноу-Хау" и в данной заявке не рассматриваются. Кроме того, предметом "Ноу-Хау" является технология изготовления основных деталей насосной установки, которая также в данной заявке не рассматривается.
В результате стендовых испытаний отдельных опытных узлов предложенной насосной установки было установлено, что с использованием всех предложенных новых конструкторских решений был получен следующий положительный результат: достигнута высокая надежность работы, увеличилась долговечность, была получена возможность расширить диапазон ее производительности за счет изменения количества секций приводного шестеренного гидронасоса 8 при одновременном сохранения ее наружных размеров.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая схема предложенной насосной установки, на фиг. 2 - выносной элемент А, где представлена схема расположения оборудования внутри герметичной капсулы 1, а на фиг. 3 - выносной элемент Б, где представлена схема расположения оборудования, из которого состоит рабочий насос 2.
Насосная установка состоит из герметичной капсулы 1 и рабочего насоса 2. Внутри герметичной капсулы 1 размещены погружной электродвигатель 3 с гидрозащитой (не показана), перегородка 4 с центральным отверстием 5, в котором установлен шпиндельный узел 6 со встроенным виброизолирующим демпфером 7, приводной многосекционный шестеренный гидронасос 8 с обратно-предохранительным клапаном 9, линия высокого давления 10, вокруг которой размещен протектор 11, распределитель 12 с механическим управлением 13, предохранительно-перепускной клапан 14 с дросселем 15, фильтр тонкой очистки масла 16 и гидродвигатель возвратно-поступательного действия 17. Гидродвигатель 17 содержит основной шток 18, поршень 19, поршневую полость 20, фальшшток 21, на котором закреплен ползун 22 с двумя кулачками 23 и 24, и штоковую полость 25. Рабочий насос 2 состоит из поршня 26 с обратным клапаном 27, поршневой полости 28, штока 29, штоковой полости 30, нижней крышки 31 со всасывающим клапаном 33 и верхней крышки 33 с напорным клапаном 34. Основной шток 18 гидродвигателя 17 герметичной капсулы 1 жестко соединен со штоком 29 рабочего насоса 2.
Перед размещением насосной установки внутри скважины на рабочей глубине осуществляют следующее:
- производят настройку предохранительно-перепускного клапана 14 с дросселем 15 на давление его срабатывания, при котором осуществляется перемещение поршня 26 рабочего насоса 2 с максимальной скоростью, что обеспечивает при всасывании полное заполнение нефтью штоковой полости 30 рабочего насоса 2, а за счет наличия пластового давления, помогающего процессу всасывания не происходит срабатывание предохранительно-перепускного клапана 14;
- устанавливают в крайне нижнее положение поршень 26 рабочего насоса 2;
- производят настройку расстояния между кулачками 23 и 24 ползуна 22 так, чтобы они при взаимодействии с механическим управлением 13 распределителя 12 обеспечивали точное нахождение его золотника поочередно в двух крайних положениях;
- полностью заполняют очищенным маслом соответствующей марки герметичную капсулу 1 и поршневую полость 20 гидродвигателя 17.
Насосная установка работает следующим образом.
Электродвигатель 3 через шпиндельный узел 6 вращает входной вал многосекционного шестеренного гидронасоса 8, который всасывает масло из герметичной капсулы 1 и подает его под давлением в линию высокого давления 10. При этом, обратно-предохранительный клапан 9, установленный на последней секции гидронасоса 8, поддерживает постоянное давление выходящего из него потока масла, путем стравливания его части в герметичную капсулу 1. Из линии высокого давления 10 поток масла поступает в распределитель 12 с механическим управлением 13, из которого оно направляется в штоковую полость 25 гидр о двигателя 17. Масло поступающее в штоковую полость 25 начинает перемещать поршень 19 гидродвигателя 17 из его нижнего положения вверх, вытесняя при этом масло из поршневой полости 20, которое через отверстие в фальшштоке 21 поступает в распределитель 12, а из него в фильтр тонкой очистки масла 16, который сливает масло в герметическую капсулу 1. При этом, фильтр 16 осуществляет очистку от частиц износа трущихся поверхностей деталей гидродвигателя 17. Так как, основной шток 18 гидродвигателя 17 соединен со штоком 29 рабочего насоса 2, то одновременно с перемещением поршня 19 гидродвигателя 17 происходит и перемещение поршня 26 рабочего насоса 2, при этом, обратный клапан 27 закрыт. Нефть находящаяся в поршневой полости 28 рабочего насоса 2 начинает из нее выдавливаться в нефтепровод через напорный клапан 34, установленный в верхней крышке 33 рабочего насоса 2, а в это же время через всасывающий клапан 32, установленный в нижней крышке 31 производится всасывание нефти из нефтяного пласта в штоковую полость 30 рабочего насоса 2. В связи с тем, что всасывающий клапан 32 и напорный клапан 34 имеют равные проходные сечения и настроены одинаково, то они обеспечивают равные скорости при всасывании нефти из нефтяного пласта и при нагнетании ее в нефтепровод. После достижения поршнем 19 гидродвигателя 17 верхнего положения и вся нефть будет вытеснена в нефтепровод из поршневой полости 28 рабочего насоса 2 всасывающий клапан 32 и напорный клапан 34 закрываются, кулачок 23 ползуна 22 производит переключение механического управления 13 распределителя 12 в другое крайнее положение. После переключения распределителя 12 масло через отверстие фальшштока 21 поступает в поршневую полость 20 гидродвигателя 17 и его поршень 19 начинает перемещаться вниз, при этом одновременно с ним вниз перемещается поршень 26 рабочего насоса 2. В это время открывается обратный клапан 27, установленный на поршне 26, и через него нефть находящаяся в штоковой полости 30 перетекает в поршневую полость 28.
После достижения поршнем 19 гидродвигателя 17 нижнего положения кулачок 24 ползуна 22 производит переключение механического управления 13 распределителя 12 в основное крайнее положение и процесс всасывания нефти из нефтяного пласта с одновременным нагнетанием ее в нефтепровод повторяется.
В процессе работы приводного многосекционного шестеренного гидронасоса 8 возможно повышение температуры масла, находящегося внутри герметичной капсулы 1, из-за чего увеличивается его объем. Величина увеличения объема масла в герметичной капсуле 1 компенсируется протектором 11, который выполнен из эластичного материала, что позволяет поддерживать внутри нее постоянное давление масла.
В процессе работы насосной установки возможно снижение пластового давления нефти в скважине вплоть до атмосферного, то в этом случае в штоковой полости 30 рабочего насоса 2 возникнет вакуум из-за возникающего эффекта разрыва потока нефти, засасываемой в рабочий насос 2. Давление масла в штоковой полости 25 гидродвигателя 17 начинает расти вплоть до величины настройки предохранительно-перепускного клапана 14 и равного ему давления перепуска. Часть расхода приводного многосекционного шестеренного гидронасоса 8 начнет сливаться во внутрь герметичной капсулы 1, а скорость поршня 26 рабочего насоса 2 уменьшается и процесс разрыва потока прекращается.
За счет повышения надежности работы и увеличения долговечности, а также расширения диапазона производительности предложенная насосная установка может более эффективно эксплуатироваться в самых тяжелых условиях работы при разработке малодебитных вертикальных или наклонных скважин различной глубины со сложными характеристиками нефтяного пласта по сравнению с известной насосной установкой.