БУРОВОЙ НАСОС И ПНЕВМОКОМПЕНСАТОР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ НЕГО

Группа технических решений относится к буровому оборудованию, а именно, к буровым насосам, предназначенным для подачи промывочной жидкости на забой при бурении скважин в целях охлаждения долота, выноса разрушенной горной породы и для передачи энергии потока турбобуру и связанному с ним долоту, а также к пневмокомпенсаторам низкого давления, предназначенным для выравнивания пульсаций давления жидкости во всасывающем коллекторе бурового насоса.
Известен насос буровой трехпоршневой одностороннего действия НБТ-1000L (см. Каталог продукции «Буровое оборудование», ООО «Уральский машиностроительный завод бурового оборудования», 2011 г.).
Известный буровой насос содержит корпус, а также размещенные в нем механическую и гидравлическую части. Механическая часть включает трансмиссионный вал и кривошипно-шатунный механизм. Гидравлическая часть включает гидравлический блок, содержащий блок гидравлических коробок, два пневмокомпенсатора низкого и один пневмокомпенсатор высокого давления, установленные на всасывающем и нагнетательном коллекторах соответственно. Блок гидравлических коробок содержит три гидравлические коробки, каждая из которых выполнена L-образной конструкции.
Кривошипно-шатунный механизм содержит эксцентриковый вал, выполненный в виде цилиндрического вала, на котором с помощью неподвижного разъемного соединения установлены три одинаковых эксцентрика.
Каждый пневмокомпенсатор низкого давления выполнен в виде металлического сосуда, установленного на одном из концов всасывающего коллектора перпендикулярно ему, при этом всасывающий коллектор размещен под блоком гидравлических коробок.
К недостаткам известного технического решения можно отнести недостаточные подачу, а также давление нагнетания насоса, в связи с использованием трех гидравлических коробок L-образной конструкции. Кроме того, для эффективного выравнивания давления жидкости во всасывающем коллекторе насоса HБT-1000L необходима установка двух пневмокомпенсаторов низкого давления, выполненных в виде металлических сосудов, установленных на концах всасывающего коллектора перпендикулярно ему, в связи с чем буровой насос обладает высокой металлоемкостью, а также большими габаритами.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является буровой насос фирмы White Star Pump Company (см. статью «Современные буровые насосы», Нефтегазовые технологии №2, февраль 2011 г.). Известный буровой насос содержит корпус, в котором размещены механическая и гидравлическая части. Механическая часть включает трансмиссионный вал и кривошипно-шатунный механизм, гидравлическая - гидравлический блок, включающий блок гидравлических коробок, два пневмокомпенсатора низкого и два пневмокомпенсатора высокого давления, установленные на всасывающем и нагнетательном коллекторах соответственно. При этом блок гидравлических коробок содержит четыре гидравлические коробки, каждая из которых снабжена расположенными соосно относительно друг друга всасывающим и нагнетательным клапанами, взаимосвязанными с всасывающим и нагнетательным коллекторами соответственно.
Кривошипно-шатунный механизм содержит эксцентриковый вал, выполненный в виде цилиндрического вала, на котором с помощью неподвижного разъемного соединения установлены четыре одинаковых эксцентрика.
Каждый пневмокомпенсатор низкого давления выполнен в виде металлического сосуда, установленного перпендикулярно всасывающему коллектору, внутри которого размещен рабочий эластичный элемент. Клапан для подачи воздуха сообщен с пространством, образованным металлическим сосудом и рабочим эластичным элементом.
К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что для эффективного выравнивания давления жидкости во всасывающем коллекторе необходима установка двух пневмокомпенсаторов низкого давления, выполненных в виде металлических сосудов, размещенных перпендикулярно всасывающему коллектору, с расположенными внутри рабочими эластичными элементами, в связи с чем металлоемкость бурового насоса увеличена. Кроме того, при таком расположении пневмокомпенсаторов низкого давления всасывающий коллектор значительно удален от корпуса насоса, в связи с чем буровой насос обладает большими габаритами. При этом установка каждого пневмокомпенсатора на всасывающий коллектор посредством болтов требует дополнительных затрат времени. Также трудоемким в известном источнике является процесс монтажа/демонтажа всасывающего клапана, поскольку для его осуществления необходимо демонтировать нагнетательный клапан и его седло.
Задача, решаемая при использовании полезной модели, заключается в создании бурового насоса с высокими выходными характеристиками, конструктивное решение которого позволяет уменьшить габариты бурового насоса, снизить металлоемкость и трудоемкость работ по его сборке и ремонту.
Поставленная задача решается тем, что в буровом насосе, содержащем корпус, размещенные в нем механическую часть, состоящую из трансмиссионного вала и кривошипно-шатунного механизма, и гидравлическую часть, содержащую гидравлический блок, состоящий из блока гидравлических коробок и пневмокомпенсаторов низкого и высокого давления для всасывающего и нагнетательного коллекторов соответственно, при этом всасывающий коллектор ограничен по меньшей мере с одной стороны фланцевой заглушкой, пневмокомпенсатор низкого давления содержит рабочий эластичный элемент, размещенный в корпусе, блок гидравлических коробок включает четыре гидравлические коробки, каждая из которых снабжена расположенными соосно относительно друг друга всасывающим и нагнетательным клапанами, взаимосвязанными с всасывающим и нагнетательным коллекторами соответственно, кривошипно-шатунный механизм содержит эксцентриковый вал, выполненный в виде цилиндрического вала, на котором с помощью неподвижного разъемного соединения установлены четыре одинаковых эксцентрика, согласно полезной модели, пневмокомпенсатор низкого давления снабжен каркасом для рабочего эластичного элемента, установленным совместно с рабочим эластичным элементом внутрь всасывающего коллектора бурового насоса соосно ему таким образом, что корпусом пневмокомпенсатора низкого давления служит всасывающий коллектор, при этом каркас закреплен на внутренней стороне по меньшей мере одной фланцевой заглушки, всасывающий коллектор размещен под блоком гидравлических коробок.
В частном случае осуществления полезной модели каждая гидравлическая коробка имеет выполненное в лобовой ее части отверстие с заглушкой для монтажа/демонтажа всасывающего клапана.
В частном случае осуществления полезной модели неподвижное разъемное соединение цилиндрического вала и эксцентриков выполнено штифтовым.
В частном случае осуществления полезной модели штифты установлены в цилиндрических отверстиях, образованных гнездами, выполненными соответственно на обхватываемой поверхности цилиндрического вала и обхватывающих поверхностях эксцентриков.
Установка лишь одного пневмокомпенсатора, снабженного каркасом для рабочего эластичного элемента, установленным совместно с рабочим эластичным элементом внутрь всасывающего коллектора бурового насоса соосно ему таким образом, что корпусом пневмокомпенсатора низкого давления служит всасывающий коллектор, при этом каркас закреплен на внутренней стороне по меньшей мере одной фланцевой заглушки, позволяет в целом уменьшить металлоемкость бурового насоса, снизить трудоемкость работ по сборке и ремонту бурового насоса, а также разместить всасывающий коллектор под блоком гидравлических коробок, что в свою очередь позволяет значительно уменьшить габариты бурового насоса.
Выполнение отверстия с заглушкой в лобовой части каждой гидравлической коробки позволяет снизить трудоемкость монтажа/демонтажа всасывающего клапана, поскольку не требует демонтажа нагнетательного клапана и его седла, дополнительно снизив трудоемкость работ по сборке и ремонту бурового насоса.
Выполнение неподвижного разъемного соединения цилиндрического вала и эксцентриков штифтовым позволяет дополнительно снизить трудоемкость работ по сборке и ремонту бурового насоса, а также повысить точность центрирования соединяемых деталей.
Установка штифтов в расположенных на равном друг от друга расстоянии цилиндрических отверстиях, образованных гнездами, выполненными соответственно на обхватываемой поверхности цилиндрического вала и обхватывающих поверхностях эксцентриков, позволяет повысить надежность штифтового соединения эксцентриков и цилиндрического вала.
Известен воздушный компенсатор низкого давления для бурового насоса, включающий корпус, выполненный в виде цилиндрической емкости и предназначенный для установки на всасывающий коллектор перпендикулярно ему, а также размещенные в корпусе рабочий эластичный элемент, выполненный в виде баллона, и каркас для него. При этом каркас выполнен в виде перфорированной трубы, внутри которой размещен баллон, вытянутый в длину и заполненный воздухом или газом (см. SU 113410 А1, F04B 11/00, 01.01.1958 г.)
К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что при работе насоса перфорационные отверстия, выполненные в трубе пневмокомпенсатора, засоряются твердой фазой бурового раствора, что приводит к преждевременному выводу пневмокомпенсатора из строя. Кроме того, наличие корпуса, выполненного в виде цилиндрической емкости свидетельствует о повышенной металлоемкости пневмокомпенсатора и бурового насоса в целом. При этом установка пневмокомпенсатора перпендикулярно всасывающему коллектору требует дополнительного пространства, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов бурового насоса.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является пневмокомпенсатор низкого давления для бурового насоса (см. В.М.Касьянов и др., Гидромашины и компрессоры, тетрадь 2, Москва: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2007 г.), содержащий корпус, которым служит всасывающий коллектор бурового насоса, ограниченный фланцевыми заглушками, рабочий эластичный элемент, выполненный с цилиндрической поверхностью и заполненный воздухом или газом, и каркас для него. При этом каркас с эластичным элементом закреплены на внутренней стороне фланцевых заглушек всасывающего коллектора, на внешней стороне одной из которых установлены манометр и устройство для подачи воздуха или газа внутрь рабочего эластичного элемента. Каркас выполнен в виде перфорированной трубы, рабочий эластичный элемент размещен внутри перфорированной трубы.
К недостаткам известного технического решения можно отнести преждевременный выход из строя пневмокомпенсатора низкого давления из-за засорения перфорационных отверстий, выполненных в трубе пневмокомпенсатора, твердой фазой бурового раствора.
Задача, решаемая при использовании полезной модели, заключается в повышении надежности и долговечности работы пневмокомпенсатора низкого давления в составе бурового насоса.
Поставленная задача решается тем, в пневмокомпенсаторе низкого давления для бурового насоса, содержащем корпус, которым служит всасывающий коллектор, ограниченный по меньшей мере с одной стороны фланцевой заглушкой, рабочий эластичный элемент, вытянутый в длину и заполненный воздухом или газом, и каркас для него, закрепленный на внутренней стороне по меньшей мере одной фланцевой заглушки всасывающего коллектора, на внешней стороне которой установлены манометр и устройство для подачи воздуха или газа внутрь рабочего эластичного элемента, согласно полезной модели, каркас выполнен в виде стержня, размещенного внутри рабочего эластичного элемента соосно ему и снабженного с обоих концов наконечниками, на которых закреплен рабочий эластичный элемент.
В частном случае осуществления полезной модели рабочий эластичный элемент выполнен с цилиндрической поверхностью или в виде баллона.
Выполнение каркаса для рабочего эластичного элемента в виде стержня, размещенного внутри рабочего эластичного элемента соосно ему и снабженного с обоих концов наконечниками, на которых закреплен рабочий эластичный элемент, который может быть выполнен с цилиндрической поверхностью или в виде баллона, позволяет повысить надежность и долговечность работы пневмокомпенсатора низкого давления.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков группы полезных моделей, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии группы полезных моделей условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примерах конкретного выполнения бурового насоса и пневмокомпесатора низкого давления для него.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 показан вид бурового насоса сбоку;
- на фигуре 2 показан вид бурового насоса сверху;
- на фигуре 3 изображен пневмокомпенсатор низкого давления для бурового насоса.
Буровой насос состоит из двух основных функционально связанных между собой частей: гидравлической и механической, размещенных в корпусе 1 бурового насоса. Механическая часть включает трансмиссионный вал 2 и кривошипно-шатунный механизм. Гидравлическая часть содержит гидравлический блок, состоящий из блока гидравлических коробок и пневмокомпенсаторов низкого 3 и высокого 4 давления для всасывающего 5 и нагнетательного 6 коллекторов соответственно.
Блок гидравлических коробок бурового насоса содержит четыре гидравлические коробки 7, соединенные между собой всасывающим 5 и нагнетательным 6 коллекторами. При этом всасывающий коллектор 5 установлен в нижней части гидравлического блока под блоком гидравлических коробок, нагнетательный коллектор 6 - в верхней части гидравлического блока. Каждая гидравлическая коробка 7 снабжена расположенными соосно относительно друг друга всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапанами, взаимосвязанными с всасывающим 5 и нагнетательным 6 коллекторами соответственно, а также цилиндровой втулкой 10 с расположенным в ней поршнем 11, шток 12 которого связан с кривошипно-шатунным механизмом.
Каждая цилиндровая втулка 10 примыкает к тыльной части соответствующей гидравлической коробки 7 через уплотнение 13 таким образом, что втулка размещена снаружи соответствующей гидравлической коробки 7 и соединена с ее корпусом посредством элементов крепления.
Каждая гидравлическая коробка 7 имеет выполненное в лобовой ее части отверстие с заглушкой 14, наличие которого позволяет без демонтажа нагнетательного клапана 9 и его седла 15 произвести монтаж/демонтаж всасывающего клапана 8.
Кривошипно-шатунный механизм четырехпоршневого бурового насоса содержит эксцентриковый вал, выполненный в виде цилиндрического вала 16, на котором с помощью неподвижного разъемного соединения установлены четыре одинаковых эксцентрика 17, а также шевронное колесо 18.
Шевронное колесо 18 установлено на цилиндрическом валу 16 с небольшим натягом для центрирования, для передачи крутящего момента установлены болты.
Эксцентрики 17 установлены на цилиндрическом валу 16 с помощью неподвижного разъемного соединения, например, штифтового, шлицевого, соединения коническими разрезными кольцами, коническими втулками или соединения упругими кольцами.
В случае выполнения неподвижного разъемного соединения штифтовым, штифты установлены в цилиндрических отверстиях, образованных гнездами, выполненными на обхватываемой поверхности цилиндрического вала 16 и обхватывающих поверхностях эксцентриков 17.
Трансмиссионный вал 2 кривошипно-шатунного механизма выполнен в виде вала-шестерни, передающего крутящий момент от привода с заданной частотой вращения шевронному колесу 18 эксцентрикового вала.
Корпус 1 четырехпоршневого бурового насоса выполнен в виде несущей рамы, боковых стенок и крышки. При этом несущая рама выполнена в виде двух связанных между собой двутавров и оборудована элементами, выполненными в виде колец для установки на них трансмиссионного 2 и эксцентрикового валов. Боковые стенки корпуса бурового насоса имеют отверстия, выполненные соосно кольцевым элементам несущей рамы.
Буровой насос снабжен одним пневмокомпенсатором низкого давления 3, содержащим рабочий эластичный элемент 19, вытянутый в длину, заполненный воздухом или газом и размещенный в корпусе, которым служит всасывающий коллектор 5 бурового насоса. При этом рабочий эластичный элемент 19 может быть выполнен либо с цилиндрической поверхностью, либо в виде баллона. Всасывающий коллектор 5 бурового насоса ограничен по меньшей мере с одной стороны фланцевой заглушкой 20 и размещен под блоком гидравлических коробок.
Пневмокомпенсатор низкого давления снабжен каркасом для рабочего эластичного элемента 19, установленным совместно с рабочим эластичным элементом 19 внутрь всасывающего коллектора 5 бурового насоса соосно ему. Каркас закреплен на внутренней стороне одной фланцевой заглушки 20. На внешней стороне фланцевой заглушки 20 установлены манометр 21 и устройство для подачи воздуха или газа 22 внутрь рабочего эластичного элемента 19. Каркас для рабочего эластичного элемента 19 выполнен в виде стержня 23, размещенного внутри рабочего эластичного элемента 19 соосно ему и снабженного с обоих концов наконечниками 24, на которых закреплен рабочий эластичный элемент 19.
Фланцевая заглушка 20 всасывающего коллектора 5 и закрепленный на ней наконечник 24 каркаса имеют соосные отверстия 25, предназначенные для подачи воздуха или газа внутрь рабочего эластичного элемента 19.
Работа устройств осуществляется следующим образом.
Трансмиссионный вал 2, выполненный в виде вала-шестерни, через ременную передачу получает вращение от привода и передает крутящий момент с заданной частотой шевронному колесу 18 эксцентрикового вала кривошипно-шатунного механизма. Вращательное движение эксцентрикового вала посредством шатунов 26, ползунов 27 и штоков 12 преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней 11. Поршни 11, перемещаясь в цилиндровых втулках 10, совершают поочередно такт всасывания и нагнетания.
При такте всасывания поршни 11 перемещаются в цилиндровых втулках 10 в направлении механической части, при этом объемы рабочих камер гидравлических коробок увеличиваются, создается разряжение. Всасывающие клапаны 8 под действием разности давлений во всасывающем коллекторе 5 и давлением над всасывающим клапаном 8 открываются и перекачиваемая жидкость заполняет рабочие камеры гидравлических коробок 7. В это время нагнетательные клапаны 9 гидравлических коробок 7 закрыты. При обратном ходе поршней 11 в рабочих камерах создается давление, превышающее давление в нагнетательном коллекторе 6, нагнетательные клапаны 9 открываются и жидкость, объем которой соответствует полезному объему рабочих камер, вытесняется в нагнетательный коллектор 6. При такте нагнетания нагнетательные клапаны 9 открыты, всасывающие 8 - закрыты. Потоки жидкости из рабочих камер суммируются в нагнетательном коллекторе 6.
Суммирование синусоидальных по характеру изменений потоков приводит к пульсации подачи и давления бурового насоса. Пульсирующий поток на входе в насос выравнивается пневмокомпенсатором низкого давления 3, рабочий эластичный элемент 19 которого совместно каркасом установлены внутрь всасывающего коллектора 5, служащим корпусом пневмокомпенсатора низкого давления, соосно ему, а на выходе - двумя пневмокомпенсаторами 4 высокого давления, установленными на нагнетательном коллекторе 6.
Пульсации потока бурового раствора, поступающего во всасывающий коллектор 5 бурового насоса, воспринимает и выравнивает вытянутый в длину и заполненный воздухом или газом рабочий эластичный элемент 19, закрепленный на каркасе, выполненном в виде стержня 23, снабженного с обоих концов наконечниками 24.
Установку компенсатора низкого давления 3 производят следующим образом. Закрепляют концы рабочего эластичного элемента 19, выполненного с цилиндрической поверхностью или в виде баллона, на наконечниках 24 каркаса, который в свою очередь закрепляют на внутренней стороне одной из фланцевых заглушек 20 всасывающего коллектора 5. Снабжают пневмокомпенсатор низкого давления 3 манометром 21 и устройством для подачи воздуха или газа 22, размещая их на внешней стороне той же фланцевой заглушки 20. Затем устанавливают закрепленный на фланцевой заглушке 20 каркас с рабочим эластичным элементом 19 внутрь всасывающего коллектора 5 бурового насоса соосно ему таким образом, что корпусом пневмокомпенсатора низкого давления служит всасывающий коллектор 5, и соединяют примыкающие таким образом друг к другу фланцевую заглушку 20 и фланец 28 всасывающего коллектора 5 болтами, при этом всасывающий коллектор 5 бурового насоса герметично закрывается.
Также возможен вариант закрепления каркаса с рабочим эластичным элементом 19 пневмокомпенсатора низкого давления на внутренних сторонах обеих фланцевых заглушек 20 всасывающего коллектора 5.
Таким образом, заявленная группа полезных моделей обеспечивает достижение технических результатов, заключающихся в уменьшении габаритов бурового насоса, металлоемкости и трудоемкости работ по его сборке и ремонту, при достижении высоких выходных характеристик бурового насоса, а именно, давления нагнетания и подачи, характерных для буровых насосов нового поколения (четырехпоршневых), а также в повышении надежности и долговечности работы пневмокомпенсатора низкого давления в составе бурового насоса.