Скважинный насос двойного действия

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к насосным установкам, предназначенным для подъема жидкости с больших глубин, например, нефти из скважин.
Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат для добычи нефти (см. патент РФ №2235907 RU, МПК F04B 47/08, 14.04.2003), содержащий масляный насос с приводом от погружного электродвигателя с компенсатором, рабочий поршневой насос с поршневым цилиндром, всасывающим клапаном, размещенным в поршне, и нагнетательным клапаном и гидродвигатель для привода рабочего поршневого насоса, причем полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель масла с входом и через предохранительный клапан - с выходом масляного насоса, и шток поршня гидродвигателя через протектор соединен с поршнем рабочего поршневого насоса, кроме того, агрегат снабжен масляным баком с компенсатором его объема, в одной из секций которого установлены переливной клапан, регулятор расхода и фильтр, а гидродвигатель снабжен ограничителем хода поршня с путевым распределителем, при этом рабочий поршневой насос снабжен перепускной магистралью, дополнительным поршневым цилиндром с дополнительным поршнем и размещенным в последнем дополнительным всасывающим подпружиненным клапаном, дополнительный поршень жестко соединен посредством промежуточного штока с расположенным ниже него поршнем рабочего поршневого насоса, полости поршневых цилиндров разделены золотником распределителя откачиваемой среды, в стенке распределителя откачиваемой среды выполнены два ряда отверстий для сообщения рабочих полостей насоса с перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны, охватывающей оба поршневые цилиндры, причем перепускная магистраль снабжена распределительным клапаном, расположенным между рядами отверстий распределителя откачиваемой среды, и выше дополнительного поршневого цилиндра подключена к нагнетательному клапану. Повышение производительности достигается за счет того, что рабочий поршневой насос выполнен двухпоршневым, при этом происходит попеременная подача потребителю откачиваемой из скважины среды из двух поршневых цилиндров. Таким образом при обратном ходе поршня потребителю производят подачу откачанной из скважины среды из дополнительного поршневого цилиндра, а при обратном ходе дополнительного поршня подача потребителю откачанной среды производится из "основного" поршневого цилиндра, что позволяет поднять производительность агрегата в 2 раза.
Однако, данная конструкция представляется недостаточно надежной из-за наличия дополнительных разделительных клапанов в перепускной магистрали, а также наличием золотника распределителя откачиваемой среды, работающего при больших перепадах давления абразивно содержащей пластовой жидкости.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является скважинный насос двойного действия (см. патент РФ №153600 RU, МПК F04B 47/06, 06.06.2014 г. ), который включает в себя погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, рабочий насос, состоящий из двух рабочих цилиндров, последовательно соединенных между собой и двух плунжеров, при этом диаметр верхнего цилиндра с плунжером больше диаметра нижнего цилиндра с плунжером, верхний плунжер большего диаметра полый с установленным в нем нагнетательным клапаном, нижний плунжер меньшего диаметра выполнен монолитным, полость над полым плунжером большего диаметра через всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством, полость под верхним полым плунжером большего диаметра соединена с перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны охватывающей верхний больший цилиндр, перепускная магистраль соединена с выкидной линией насоса, при этом плунжер большего диаметра последовательно соединен с монолитным плунжером меньшего диаметра, монолитный плунжер меньшего диаметра соединен с приводом рабочего насоса посредством штока привода рабочего насоса, внутренняя полость цилиндра меньшего диаметра под монолитным плунжером меньшего диаметра гидравлически соединена с маслозаполненной полостью привода рабочего насоса, внутренняя полость цилиндра меньшего диаметра посредством отверстия в корпусе цилиндра меньшего диаметра соединена с затрубным кольцевым пространством, отверстие в корпусе цилиндра меньшего диаметра в течение рабочего цикла изнутри постоянно перекрыто цилиндрической поверхностью монолитного плунжера меньшего диаметра, цилиндрическая поверхность монолитного плунжера меньшего диаметра в течение рабочего цикла не выходит из контакта с внутренней поверхностью нижнего цилиндра меньшего диаметра, находящейся ниже отверстия в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра и является уплотнением привода рабочего насоса.
Вышеуказанный скважинный насос двойного действия также обладает повышенной производительностью и равномерной нагрузкой на привод рабочего насоса в течение рабочего цикла.
Недостатком указанного скважинного насоса двойного действия является наличие в данной конструкции двух штоков - штока рабочего насоса и штока привода рабочего насоса, что усложняет конструкцию скважинного насоса двойного действия, уменьшает надежность и увеличивает его габариты.
Технический результат, получаемый при осуществлении настоящей полезной модели, выражается в повышении надежности и упрощении конструкции скважинного насоса двойного действия.
Указанный технический результат достигается тем, что скважинный насос двойного действия, содержащий погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, рабочий насос, состоящий из рабочего цилиндра, полого плунжера, соединенного со штоком, с установленным в нем нагнетательным клапаном, полость над полым плунжером через всасывающий клапан соединена с затрубным кольцевым пространством, полость под полым плунжером соединена с перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны охватывающей рабочий цилиндр, перепускная магистраль соединена с выкидной линией насоса, при этом диаметр полого плунжера больше диаметра штока, рабочий цилиндр через муфту присоединен к последовательно соединенным корпусу уплотнительного узла и основанию привода рабочего насоса, шток привода рабочего насоса является штоком рабочего насоса и проходит внутри корпуса уплотнительного узла, корпус уплотнительного узла содержит, как минимум, одно отверстие, соединяющее цилиндрическую поверхность штока привода рабочего насоса с затрубным пространством и расположенное на расстоянии от верхнего торца рабочей поверхности корпуса уплотнительного узла, обеспечивающим, необходимый перепад давления между выкидной линией насоса и затрубным кольцевым пространством.
Указанный технический результат достигается также тем, что в скважинном насосе двойного действия шток может иметь полированную и упрочненную цилиндрическую поверхность.
Указанный технический результат достигается также тем, что скважинном насосе двойного действия площадь кольцевого пространства между внутренним диаметром рабочего цилиндра и диаметром штока может быть равна площади сечения штока.
Указанный технический результат достигается также тем, что скважинном насосе двойного действия полый плунжер может быть соединен со штоком посредством шарнирного узла.
Указанный технический результат достигается также тем, что скважинном насосе двойного действия полый плунжер может содержать относительно внутренней поверхности рабочего цилиндра наружное уплотнение контактного типа, например, полимерное манжетное или уплотнение в виде стальных притертых уплотнительных колец или их комбинацию.
Выполнение скважинного насоса двойного действия таким образом, что рабочий цилиндр через муфту присоединен к последовательно соединенным корпусу уплотнительного узла и основанию привода рабочего насоса, шток привода рабочего насоса является штоком рабочего насоса и проходит внутри корпуса уплотнительного узла, а корпус уплотнительного узла содержит, как минимум, одно отверстие, соединяющее цилиндрическую поверхность штока привода рабочего насоса с затрубным пространством и расположенное на расстоянии от верхнего торца рабочей поверхности корпуса уплотнительного узла, обеспечивающим, необходимый перепад давления между выкидной линией насоса и затрубным кольцевым пространством, повышает надежность и упрощает конструкцию скважинного насоса двойного действия в целом.
На фиг. 1 изображен продольный разрез скважинного насоса двойного действия с полым плунжером рабочего насоса.
На фиг. 2 изображен продольный разрез полого плунжера, содержащего наружное уплотнение контактного типа.
Скважинный насос двойного действия (см. фиг. 1) содержит кинематически связанные между собой погружной электродвигатель 1 с гидрозащитой 2, привод рабочего насоса 3 и рабочий насос, состоящий из рабочего цилиндра 4, последовательно соединенного с корпусом уплотнительного (сальникового) узла 5, на внутренней поверхности которого установлено уплотнение 6 выполненное в виде манжет, уплотнительных колец, сальниковой набивки или их комбинации, полого плунжера 7, соединенного со штоком 8 привода рабочего насоса 3, при этом диаметр плунжера 7 больше диаметра штока 8, внизу в полом плунжере 7 установлен нагнетательный клапан 9. Головка 10 рабочего цилиндра 4 сопрягается с корпусом рабочего насоса, посредством муфты 11. Нижний конец рабочего цилиндра 4 соединен с корпусом уплотнительного (сальникового) узла 5 посредством муфты 12. Плунжер 7 и шток 8 кинематически соединены последовательно между собой, также могут быть соединены посредством шарнирного узла 13. Шток 8 является штоком привода рабочего насоса 3 и имеет гладкую и упрочненную цилиндрическую поверхность. Корпус уплотнительного (сальникового) узла 5 крепится к основанию 14 привода рабочего насоса 3. Скважинный насос двойного действия снабжен перепускной магистралью 15, образованной посредством оболочки 16 рабочего насоса 3, с внешней стороны охватывающей рабочий цилиндр 4. Перепускная магистраль 15 соединяется с полостью под плунжером 7 посредством, как минимум, одного отверстия 17, расположенного в муфте 12. Перепускная магистраль 15 соединяется с полостью колонны насосно-компрессорных труб 18 посредством канала 19 в муфте 11. Полость рабочего цилиндра 4 над полым плунжером 7 гидравлически сообщается с затрубным кольцевым пространством посредством, как минимум, одного отверстия 20, выполненного на муфте 11, кольцевой проточки 21 на головке 10, через всасывающий клапан 22, установленный в головке 10 и отверстия 23 в головке 10. В верхней части рабочего насоса расположена ловильная головка 24, соединяющая рабочий насос с колонной насосно-компрессорных труб 18, по которым нагнетаемая насосом пластовая жидкость подается на поверхность. В ловильную головку 24 для устранения дополнительных протечек в моменты изменения направления продольного движения штока 8 может быть установлен обратный клапан 25.
Для устранения протечек из внутреннего кольцевого объема рабочего цилиндра 4 вдоль штока 8 во внутренний объем привода рабочего насоса 3 внутренняя полость корпуса уплотнительного (сальникового) узла 5 посредством, как минимум, одного отверстия 26 в корпусе, соединена с затрубным кольцевым пространством. Отверстие 26 расположено на таком расстоянии от верхнего торца корпуса уплотнительного (сальникового) узла 5, что оно обеспечивает, необходимый перепад давления между выкидной линией насоса и затрубным кольцевым пространством, выдерживаемый уплотнением сальникового узла 5 без протечек.
В варианте установки (см. фиг. 2) полый плунжер 27 может содержать уплотнение контактного типа, например, полимерное манжетное 28, уплотнение в виде стальных притертых уплотнительных колец 29 или их комбинацию.
Маслозаполненный привод 3 скважинного насоса двойного действия может представлять собой гидропривод, шарико-винтовую передачу или другую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное. Также в качестве привода может быть использован линейный электродвигатель.
Скважинный насос двойного действия работает следующим образом.
При спуске насосного агрегата в скважину под действием гидростатического давления в затрубном кольцевом пространстве скважины всасывающий клапан 22 и нагнетательный клапан 9 открываются, жидкость из затрубного пространства поступает в полость над полым плунжером 7 цилиндра 4 рабочего насоса, соответственно, через отверстие 20, кольцевую проточку 21 на головке 10, всасывающий клапан 22, и далее через открытый нагнетательный клапан 9, отверстия 17, перепускную магистраль 15 и канал 19 в муфте 11 жидкость заполняет колонну насосно-компрессорных труб 18 до уровня жидкости в затрубном кольцевом пространстве скважины. При включении погружного электродвигателя 1, его крутящий момент через кинематически связанную с ним гидрозащиту 2, передается на привод рабочего насоса 3, преобразующий вращательное движение электродвигателя 1 в возвратно-поступательное движение штока 8 привода рабочего насоса 3. При движении соединенных между собой полого плунжера 7 и штока 8, которые также могут соединяться между собой шарнирным узлом 13, из нижней точки вверх, всасывающий клапан 22 закрыт, а нагнетательный клапан 9 и обратный клапан 25 открыты. Пластовая жидкость штоком 8 вытесняется из полости рабочего цилиндра 4 через отверстия 17 в муфте 12, перепускную магистраль 15, канал 19, открытый обратный клапан 25 в полость колонны насосно-компрессорных труб 18 на поверхность. Отверстие 26 в корпусе уплотнительного (сальникового) узла служит для сброса в полость скважины утечки пластовой жидкости, которая может возникнуть в процессе эксплуатации и износа уплотнения вследствие перепада давления между столбом пластовой жидкости в колонне насосно-компрессорных труб 18 и затрубном кольцевом пространстве скважины. При этом часть уплотнения 6 в корпусе уплонительного (сальникового) узла ниже отверстия 26 будут служить работающим без перепада давления уплотнением штока 8.
При движении соединенных между собой полого плунжера 7 и штока 8, которые также могут соединяться между собой шарнирным узлом 13 из верхней точки вниз, нагнетательный клапан 9 закрывается, всасывающий клапан 22 открыт, пластовая жидкость из полости рабочего цилиндра 4 под полым плунжером 7, через отверстие 17 в муфте 12, перепускную магистраль 15, канал 19 в муфте 11, обратный клапан 25 и колонну насосно-компрессорных труб 18 вытесняется на поверхность, одновременно происходит заполнение полости рабочего цилиндра 4 над полым плунжером 7 пластовой жидкостью из затрубного кольцевого пространства через отверстие 20, кольцевую проточку 21 и всасывающий клапан 22.
Общая суммарная подача скважинного насоса двойного действия за время рабочего цикла полого плунжера 7 и штока 8 вверх и вниз будет определяться объемом пластовой жидкости, заполняющей полость рабочего цилиндра 4 над плунжером 7, однако, за счет того, что подача жидкости распределяется как на ход плунжера 7 и штока 8 вверх, так и на ход плунжера 7 и штока 8 вниз, осевое усилие на шток 8, являющимся штоком привода рабочего насоса 3 и на остальные узлы привода рабочего насоса 3 будет, определяться при ходе вверх произведением перепада давления в насосно-компрессорных трубах и в затрубном кольцевом пространстве на площадь сечения штока 8, а при ходе вниз произведением перепада давления в насосно-компрессорных трубах 18 и в затрубном кольцевом пространстве на разность площадей наружного сечения полого плунжера 7 и сечения штока 8 (при существующих рабочих зазорах между наружной поверхностью полого плунжера 7 и внутренней поверхностью рабочего цилиндра 4 можно принять разность площадей сечения полого плунжера 7 и штока 8 равной площади кольцевого пространства между внутренней поверхностью рабочего цилиндра 4 и цилиндрической поверхностью штока 8).
При равенстве площади сечения штока 8 площади кольцевого пространства между внутренней поверхностью рабочего цилиндра 4 и цилиндрической поверхностью штока 8 осевое усилие на шток 8, являющийся штоком привода рабочего насоса 3, распределяется равномерно в течение всего рабочего цикла.
Равномерное распределение нагрузки на привод рабочего насоса в течение рабочего цикла и то, что шток 8 рабочего насоса является штоком привода рабочего насоса 3, повышает надежность и упрощает конструкцию скважинного насоса двойного действия в целом.