Гидромеханический привод плунжерного насоса

Настоящая полезная модель относится к области машиностроения, и может использоваться при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений насосами плунжерного типа.
Из существующего уровня техники известен наземный привод скважинного плунжерного насоса, содержащий по меньшей мере два установленных параллельно шариковинтовых привода штанг от реверсивного электродвигателя. Гайки привода, соединенные траверсой с полированным штоком, совершают возвратно-поступательное движение. Винты соединены с электродвигателем и защищены от окружающей среды гофрированными эластичными оболочками. В верхней и нижней точках корпуса установлены концевые выключатели для переключения реверса электродвигателя, а также выключатели аварийного снятия напряжения [Патент США №5404767 от 05.01.1995].
Недостатком данного технического решения является то, что габариты привода, состоящего из двух и более параллельных шариковинтовых передач и траверсы, не позволяют его использовать в погружном варианте, а недостаточная герметизация шариковинтового привода делает его неработоспособным при погружении в скважину, при этом использование концевых выключателей для управления реверсом двигателя и аварийного отключения в условиях скважины связано необходимостью прокладки отдельной кабельной линии, снижающей надежность агрегата в целом.
Также известен погружной насосный агрегат, который наиболее близок к заявленному техническому решению, включающий корпус, эластичную оболочку, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом передачи винт-гайка качения, находящейся в подвижном соединении с корпусом и соединенной со штангой привода насоса, штанга уплотнена в корпусе и связана с гайкой посредством полого штока, охватывающего винт и входящего с ним в подвижное соединение, а внутренние полости корпуса и эластичной оболочки заполнены маслом, причем наружная поверхность оболочки сообщается с полостью скважины, а на винте и полом штоке установлены демпферы, при этом полый шток располагается в маслозаполненной эластичной оболочке [Патент РФ №2347947 от 2007.09.04].
Недостатком данного технического решения является то, что происходит быстрый износ и сокращается срок службы передачи винт-гайка качения, обусловленные способом закрепления винта только в нижнем положении, возникает несоответствие требуемых динамических нагрузок, возникающих при работе передачи винт-гайка качения, снижается моторесурс электродвигателя в результате увеличения пусков и остановов для изменения направления вращения.
Использование специального оборудования для изменения направления вращения двигателя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение надежности, эксплуатационных характеристик и ресурса привода плунжерного насоса.
Данная задача решается тем, что гидромеханический привод плунжерного насоса включает механическую передачу в виде винта с гайкой, гидромотор, промежуточный вал с торцевым уплотнением и эластичной кулачковой муфтой, масляный насос, гидравлический блок, который состоит из самореверсивного гидравлического распределителя, фильтра тонкой очистки, газоотводного и предохранительного клапана, а также эластомерной оболочки, которые закреплены корпусной трубой между смежными ниппелями и концевыми деталями, образующими масляный резервуар, при этом нижний конец винта механической передачи установлен в радиально-упорный разгрузочный узел, а верхняя часть винта имеет скользящую опору с механическими уплотнениями, свободно перемещающейся по внутреннему диаметру полого поршня, который уплотняется в корпусе предлагаемой модели по наружному диаметру, при этом нижняя часть полого поршня жестко соединена с гайкой, а верхняя соединяется со штоком плунжерного насоса резьбовым соединением. Такое техническое решение оптимизирует момент передачи винт-гайка качения, снижает радиальное биение полого поршня, повышает эксплуатационную надежность и устойчивость конструкции к осевым нагрузкам, оптимизирует продольные и поперечные габаритные размеры привода плунжерного насоса, позволяя вместе с плунжерным насосом и погружным электродвигателем провести его спуск в скважину на колонне насосно-компрессорных труб.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, входные отверстия плунжерного насоса могут быть оснащены приемным фильтром.
На чертеже показана возможная компоновка погружной насосной установки, с местным разрезом гидромеханического привода.
Установка состоит из погружного электродвигателя 1, закрепленного болтовыми соединениями 8 с типовой гидрозащитой 3, вал которой через промежуточный вал 9 и эластичную кулачковую муфту 13 соединен с масляным насосом 14. Между подшипниками 11 вала 9 размещена эластомерная оболочка 12, выполняющая функции компенсатора объемного расширения масла. Масляным резервуаром служит сборный корпус, предлагаемой модели, соединенный ниппелями 25 и 26 с проточными каналами и концевыми деталями 27 и 28, при этом корпуса 29 и 30 имеют общий объем, изолированный от пластовой жидкости, а в стенке предлагаемой полезной модели выполнено не менее одного отверстия для сообщения внешней поверхности эластомерной оболочки 12 с пространством скважины. В нижней части вала 9 установлено торцевой уплотнение 10 для защиты масляного резервуара от проникновения пластовой жидкости. Приемная линия 14 масляного насоса гидравлически соединена с масляным резервуаром. Нагнетательная линия масляного насоса 14 как минимум одним каналом соединена с гидравлическим блоком 15, внутри которого проходит нагнетательная линия, в которой находится предохранительный клапан 31 и самореверсивный гидравлический распределитель 32, выходные линии которого соединены как минимум двумя каналами с приемными линиями гидромотора 16, у которого сливное отверстие через фильтр 33 соединяется с масляным резервуаром 4, в котором установлен газоотводный клапан 34, гидравлически связанный с пространством скважины.
Вал гидромотора 16 через муфту 17 соединяется валом 18 механической передачи в виде винта с гайкой, установленный в радиально-упорный разгрузочный узел 19, выполненный в ниппеле 26, а с верхней находится в скользящей опоре 20, которая имеет механические уплотнения 23 и может свободно перемещаться на всю длину полого поршня 22, нижняя часть которого жестко соединена с гайкой 21, а верхняя часть резьбовым соединением связана со штоком 24 плунжерного насоса 5, который крепится к колонне насосно-компрессорных труб 6.
Объем, образованный стенками полого поршня 22 и скользящей опоры 20, связан с масляным резервуаром каналами, проходящими внутри верхней части винта 18 механической передачи.
Подача напряжения питания на погружной электродвигатель 1 осуществляется через кабельный удлинитель 2.
Гидромеханический привод плунжерного насоса работает следующим образом.
Перед спуском установки в скважину, полости электродвигателя 1 и гидрозащиты 3, а также и масляный резервуар гидромеханического привода заполняются маслом, соответствующим рабочему и температурному режиму работы оборудования.
При спуске установки в скважину, пластовая жидкость через компенсационное отверстие в корпусе 4 заполняет все пространство между ним и эластомерной оболочкой 12. Под действием гидростатического давления клапаны плунжерного насоса 5 на линии всасывания и нагнетания открываются и жидкость через приемный фильтр 7 заполняет весь объем рабочей камеры насоса и колонну насосно-компрессорных труб 6 до уровня пластовой жидкости в скважине.
При подаче напряжения питания на кабельный удлинитель 2 момент вращения от вала погружного электродвигателя 1, который механически связан с валом 9 и кулачковой муфтой 13, передается на вал масляного насоса 14, который через самореверсивный гидравлический распределитель 32 попеременно подает масло под высоким давлением в один из каналов гидромотора 16. При подаче масла в первый канал, гидромотор 16 начинает вращать выходной вал в одну сторону и соответственно через глухую муфту 17 приводит во вращение винт 18 механической передачи, вращение которого приводит к линейному перемещению гайки 21, полого поршня 22 и штока 24 плунжерного насоса 5 в одно из крайних положений, при достижении которого самореверсивный гидравлический распределитель 15 за счет разницы рабочих давлений на его входе и выходе переключает подачу масла во второй канал гидромотора 16, при этом винт 18 начинает вращаться в другую сторону, что приводит к линейному перемещению гайки 21, полого поршня 22 и штока 24 плунжерного насоса 5 в противоположное крайнее положение, при достижении которого самореверсивный гидравлический распределитель 15 снова переключается в предыдущее положение и процесс циклически повторяется. Слив масла из гидромотора 16 в масляный резервуар 4 происходит через фильтр 33.
Изменение объема камеры рабочей камеры насоса 5 приводит к возникновению разницы давлений на линии всасывания и нагнетания, что приводит к последовательному открытию приемного и нагнетательного клапана плунжерного насоса 5 и обеспечивает перекачку пластовой жидкости наверх по колонне насосно-компрессорных труб 6.
При перемещении полого поршня 22 в крайние положения компенсация объема масла обеспечивается изменением диаметра эластомерной оболочки 12, при этом полый поршень 22 герметизируется в корпусе 30 уплотнениями 23 и охватывает скользящую опору 20, которая имеет механические уплотнения 23 и может свободно перемещаться на всю длину полого поршня 22. При аварийном значении внутреннего давления газоотводный клапан 34 сбрасывает избыточное давление масла в пространство скважины.
Приведенные технические решения, а именно расположение скользящей опоры внутри полого поршня, позволяет оптимизировать момент передачи винт-гайка качения, снизить радиальное биение полого поршня, повысить эксплуатационную надежность и устойчивость конструкции к осевым нагрузкам, уменьшить продольные и габаритные размеры, тем самым упростить транспортировку, выполнение спускоподъемных операций и в целом повысить эксплуатационные характеристики привода плунжерного насоса.
Замена регулирования вращения с помощью электродвигателя на регулирование с помощью гидромотора повысит моторесур электродвигателя, а вследствие этого надежность гидромеханического привода, а также избавит от дополнительного оборудования, для изменения вращения вала двигателя.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
1. Патент США №5404767 от 05.01.1995
2. Патент РФ на изобретение №2347947 от 04.09.2007