Буровой насос Иоаннесяна
IOANNESYAN DRILLING PUMP

Изобретение относится к технике, используемой при строительстве, ремонте и эксплуатации скважин для добычи нефти и газа, может быть использовано в составе как стационарных, так и передвижных насосных установок для нагнетания различных технологических жидкостей в скважину на нефтегазодобывающих предприятиях.
Известен шиберный насос, который содержит корпус с расположенной внутри гильзой, выполняющей роль статора. К корпусу крепятся нагнетательный и подводящий патрубки. Внутри гильзы находится вал с пазами, в которых расположены шиберы (RU 123863 U1 [1]). Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Известен шиберный насос с объемным регулированием (RU 2396462 [2]). Насос содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, приводной вал с ротором, проходящие радиально лопасти, расположенные в роторе с возможностью скольжения. Ось вращения приводного вала расположена в корпусе эксцентрично относительно оси ротора, снабженного лопастями. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность, обусловленная предназначением - небольшими объемами перекачиваемой жидкости.
Известен роторно-лопастной насос, содержащий статор, размещенный в корпусе с возможностью смещения относительно оси вращения размещенного внутри него ротора для изменения эксцентриситета между ними (DE 102009001152 [3]). В роторе выполнены прорези, в которых оппозитно размещены подпружиненные лопасти, одним концом контактирующие с поверхностью статора. В статоре выполнены впускное и выпускное отверстия, снабженные клапанами. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является лопастной насос, известный из описания к ЕР 0264778 [4]. Известный насос содержит корпус с установленным в нем статором с входным и снабженным обратным клапаном выпускным отверстиями, и размещенный с эксцентриситетом внутри статора полый ротор, снабженный пазами, в котором подвижно установлен шибер, постоянно контактирующий своими концами с поверхностью статора и делящий объем статора на всасывающую и нагнетательную полости. Недостатком известного устройства является его невысокая производительность и наличие пульсаций в перекачиваемой жидкости.
Заявляемый в качестве изобретения буровой насос направлен на повышение производительности и снижение пульсаций давления перекачиваемой жидкости при одновременном значительном уменьшении его веса.
Указанный результат достигается тем, что буровой насос содержит корпус с установленными в нем статорами с входными и снабженными обратными клапанами выпускными отверстиями, и размещенный с эксцентриситетом внутри системы статоров полый ротор, снабженный пазами, в которых подвижно установлены шиберы, постоянно контактирующие своими концами с поверхностями статоров и делящие пространство статора между внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью ротора на всасывающую и нагнетательную полости. При этом внутреннее пространство между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора разделено на несколько идентичных секций поперечными герметизирующими перегородками, перпендикулярными продольной оси ротора, который проходит через все секции, при этом каждая секция снабжена своим шибером, а шиберы в каждой секции установлены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций, при этом поверхность статора, взаимодействующая с шибером, выполнена так, что его поперечное сечение представляет собой замкнутую плоскую кривую четвертого порядка, расстояние между любыми двумя точками которой, расположенными на прямой, проходящей через продольную ось цилиндрического полого ротора, является постоянной величиной, равной поперечному размеру шибера, внутренний объем ротора гидравлически соединен с источником перекачиваемой жидкости и под каждой поперечной перегородкой разделен продольной диаметральной перегородкой, плоскость которой параллельна плоскости шибера той секции, после которой перегородка установлена, внутренний объем ротора в каждой секции соединен с объемом статора отверстиями, выполненными в стенке ротора и расположенными на одном диаметре по обе стороны шибера и максимально приближенными к нему, а входное и выпускное отверстия размещены по обе стороны от области контакта ротора со статором, причем выпускное до подхода шибера по направлению его вращения к этой области, а выходное после ее прохода.
Указанный результат достигается также тем, что снабжен средством повышения давления перекачиваемой жидкости, гидравлически соединенным с входом в первую секцию насоса.
Указанный результат достигается также тем, что средство повышения давления перекачиваемой жидкости выполнено в виде одной или нескольких осевых ступеней, установленных на валу, являющемся общим приводом с полым ротором.
Отличительными признаками заявляемого насоса являются:
- разделение внутреннего объема статора на несколько идентичных секций герметизирующими перегородками, перпендикулярными продольной оси ротора, который проходит через все секции;
- каждая секция снабжена своим шибером, а шиберы в каждой секции установлены с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций;
- поперечное сечение статора представляет собой замкнутую плоскую кривую четвертого порядка, расстояние между любыми двумя точками которой, расположенными на прямой, проходящей через продольную ось цилиндрического полого ротора, является постоянной величиной, равной поперечному размеру шибера
- внутренний объем ротора разделен дополнительной продольной диаметральной перегородкой, плоскость которой параллельна плоскости шибера той секции, после которой перегородка установлена;
- внутренний объем ротора гидравлически соединен с источником перекачиваемой жидкости;
- внутренний объем ротора в каждой секции соединен с объемом статора отверстиями, выполненными в стенке ротора и расположенными на одном диаметре по обе стороны шибера, и максимально приближенным к нему;
- входное и выпускное отверстия размещены по обе стороны от области контакта ротора со статором, причем выпускное до подхода шибера по направлению его вращения к этой области, а выходное после ее прохода;
- насос снабжен средством повышения давления перекачиваемой жидкости, гидравлически соединенным с входом в первую секцию насоса;
- средство повышения давления перекачиваемой жидкости выполнено в виде одной или нескольких осевых ступеней, установленных на валу, являющемся общим приводом с полым ротором.
Разделение внутреннего объема насоса на несколько секций установленными перпендикулярно оси ротора герметизирующими перегородками позволяет существенно увеличить производительность насоса и снизить величину пульсаций давления в перекачиваемой жидкости в процессе эксплуатации и кратно уменьшить его вес. При этом герметизирующие перегородки выполняют не только функцию разделения объема двигателя на несколько секций, но и подшипников скольжения для ротора, а также торцевого уплотнения шибера. Таким образом, одна секция насоса состоит из статора, одного участка, проходящего через все секции полого ротора с установленным в секции одним шибером, и двух герметизирующих перегородок, одновременно выполняющих функции подшипников скольжения.
Установка шиберов по одному в каждой секции и с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций, на которые разделен объем статора насоса, позволяет обеспечить снижение величины пульсаций в перекачиваемой жидкости, которая не достигается при использовании одной секции насоса.
В предпочтительном варианте реализации целесообразно выполнять шибер постоянного размера, а статор таким образом, что замкнутая кривая, описывающая поперечное сечение внутренней поверхности статора, является кривой четвертого порядка, у которой расстояние между любыми двумя точками, расположенными на прямой, проходящей через продольную ось ротора, является постоянной величиной, равной поперечному размеру шибера.
Соблюдение этого условия обеспечивает устойчивую работу насоса, поскольку шибер не теряет контакта с поверхностью статора и практически исключает переток жидкости через поверхность контакта.
Примерами такой кривой могут служить частные случаи «овала Мингера», «овала Декарта», кардиоиды и «улитки Паскаля» (стр. 177, стр. 135, стр. 108, стр. 121 и стр. 106, А.А. Савелов «Плоские кривые», ФМ, Москва, 1960). Все эти частные случаи оптимально сочетаются в частном случае «улитки Паскаля», где все соседние расчетные точки могут быть аппроксимированы дугами, незначительно отличающимися размерами радиусов (меньше 2,5%), центры которых лежат на оси Y, что позволяет изготавливать дуги методом фрезерования на обрабатывающих центрах с ЧПУ. Выбор требуемой кривой определяется расчетно в зависимости от параметров насоса.
Разделение внутреннего объема ротора дополнительной продольной диаметральной перегородкой, плоскость которой параллельна плоскости шибера той секции, после которой перегородка установлена, позволяет разделить внутренний объем полого ротора на два не перемешивающихся объема жидкости, так как шибер, совершающий возвратно-поступательные движения относительно неподвижной продольной перегородки, на всем протяжении делит внутренний объем ротора на две полости, благодаря чему нагнетательная и всасывающая полости при работе не сообщаются и такт нагнетания отделен от такта всасывания.
Соединение внутреннего объема ротора в каждой секции с объемом статора обеспечивают два отверстия в стенке ротора, расположенные на одном диаметре по обе стороны шибера и максимально приближенные к нему. Одно из этих отверстий должно быть выполнено в зоне контакта ротора со статором, а другое на стороне, противоположной зоне контакта ротора и статора.
1
2
3
n
Максимальное приближение к поверхности шибера предопределяется следующими соображениями. При прохождении зоны контакта статора и ротора в каждой секции насоса производительность стремится к нулю, поэтому чем меньше угол, тем больше КПД. Производительность насоса Q=Q+Q+Q+…+Q, т.е. представляет собой сумму производительностей всех секций, где n - их число. Каждая секция при закрытии обратного клапана имеет нулевую производительность.
Входное и выпускное отверстия целесообразно размещать по обе стороны от области контакта ротора со статором, причем выпускное до подхода шибера по направлению его вращения к этой области, а выходное после ее прохода.
Входное и выходное отверстия в статоре и корпусе с расположенными там обратными клапанами целесообразно размещать максимально приближенными к точке контакта полого ротора и статора, т.к. в этот момент происходит закрытие обратного клапана, соответственно, чем меньше время, необходимое для закрытия обратного клапана, тем выше КПД, при постоянной скорости вращения вала
время  соответственно чем меньше путь, тем выше КПД.
В частных случаях реализации целесообразно соединять полый ротор предлагаемого насоса со средством повышения давления перекачиваемой жидкости, гидравлически соединенным с входом в первую секцию насоса.
Применение подпорных насосов предопределяется технологическими особенностями проводки скважин (применение аэрированных промывочных агентов, поступление газов из разбуриваемых пластов и т.д.). Отсутствие подпора давления на всасывающем коллекторе насосов приводит к значительному снижению объемного КПД, т.е. часть пути вытесняющего элемента затрачивается с нулевым КПД.
При этом предпочтительным вариантом выбора такого средства является использование нескольких осевых ступеней, аналогичных ступеням осевого насоса, вал которого и полый ротор снабжены общим приводом, т.е. использовать мощность двигателя максимально. Такое использование осевых ступеней позволяет не только использовать рационально приводную мощность двигателя, т.е. повышать КПД насоса, но и удешевляет его стоимость, т.к. в этом случае отпадает необходимость в использовании второго двигателя, второго вала, упорных подшипников и т.д.
Сущность заявляемого насоса поясняется примером его реализации и графическими изображениями. На фиг. 1 показан в продольном разрезе преимущественный вариант реализации.
На фиг. 2, 3, 4, 5, 6 показано поперечное сечение различных секций насоса, поясняющих установку шиберов по одному в каждой секции и с угловым шагом относительно друг друга, равным 360°/N, где N - число секций, равное трем.
Все применяемые уплотнения, помимо нужных путей, обеспечивают отсутствие перетока жидкости из секции в секцию, т.е. повышают КПД насоса.
Предпочтительный вариант реализации насоса содержит корпус 1, размещенные в корпусе статоры 2 для каждой секции, внутри которых размещен с эксцентриситетом полый ротор 3. Перегородка 4 обеспечивает доступ промывочной жидкости в первую секцию насоса. Установленный в пазах полого ротора шибер 5, диаметральные концы которого постоянно контактируют с поверхностями статоров, перемещается относительно неподвижной продольной диаметральной перегородки 6, плоскость которой параллельна плоскости шибера той секции, после которой перегородка установлена. Отверстия 7, выполненные в стенке ротора и расположенные на одном диаметре по обе стороны шибера обеспечивают выход жидкости в полость нагнетания 8 и в полость всасывания 9. В статоре выполнены отверстия 10 с обратными клапанами 11 и 12, которые размещены по обе стороны от области контакта ротора со статором и соединяющие полости всасывания и нагнетания. Переводник 13 обеспечивает затяжку пакета проставочных втулок по валу. Внутреннее пространство между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора разделено на несколько идентичных секций поперечными герметизирующими перегородками 14, перпендикулярными продольной оси ротора. Система проставочных втулок (статор, неподвижные перегородки 14 и прочее) обеспечивается затяжкой переводника 15. В корпусе 16 осевых ступеней собрана система обеспечения подпора на входе в первую ступень насоса, состоящая из вала с гайкой 17, радиального упорного подшипника 18, системы проставочных втулок по валу 19, обеспечивающей затяжку осевых ступеней 20, и полумуфты 21 на валу двигателя 22 с помощью переводника 23 затяжку наружного пакета проставочных втулок 24. Жидкость поступает через патрубок 25, а комплект резиновых уплотнений 26 обеспечивает отсутствие перетоков жидкости и герметичность работы насоса.
Буровой насос работает следующим образом. Через патрубок 25 промывочный агент поступает в полость, предшествующую осевым ступеням 20, и благодаря вращению осевых ступеней 20, приводимых в движение двигателем 22 через полумуфту 21, создает повышение давления в данной жидкости. Осевая нагрузка, возникающая при работе осевых ступеней 20, воспринимается радиальным упорным подшипником 18. Подшипник 18 занимает фиксированное положение, и его обоймы затягиваются пакетами проставочных втулок 19 и 24 (соответственно по валу и корпусу), которые в свою очередь затягиваются переводником 23. Жидкость после прохождения всех осевых ступеней (рабочее колесо установлено на валу 19, а выправляющий аппарат установлен в корпусе 16) попадает в первую секцию собственно насоса и при вращении полого ротора 3 заставляет шибер 5 совершать возвратно-поступательные движения относительно статора 2 и неподвижной перегородки 6, причем ось вращения шибера 5 соответствует оси полого ротора 3, вала 17 и двигателя 22. Такое движение шибера 5 возможно только в том случае, если внутренняя поверхность статора 2 является семейством точек, удаленных от оси полого ротора 3 на суммарную величину, равную поперечному размеру шибера, причем это касается безразмерной центральной линии, делящей шиберы на две равновеликие половины, поэтому зона контакта шибера должна иметь закругление, равное половине толщины шибера. Данное семейство точек соответствует частному случаю «улитки Паскаля». Это касается металлического сердечника шибера, а некоторая погрешность будет встречаться только на уплотнительной части шибера, и величина ее будет отличаться на несколько сотых миллиметра. Промывочный агент поступает через отверстия 7 в нагнетательную полость 8 и через отверстия 10 и обратный клапан 11 поступает в колонну бурильных труб. Одновременно при закрытом клапане 12 жидкость через отверстия 7 поступает во всасывающую полость 9, воспроизводя такт всасывания. Следующий шибер 5, расположенный в рассматриваемом случае под углом 120°, совершает аналогичный цикл, смещенный на 120°, т.е. 360°/3=120°, и следующий шибер 5, смещенный на 120° относительно предыдущего, или на 240° относительно первой секции, совершает аналогичные движения. Корпус 1 предусматривает установку статоров 2 полого ротора 3, неподвижных перегородок 6, затягиваемых переводником 13, поперечных перегородок 14, делящих внутреннее пространство корпуса 1 и выполняющих роль подшипников скольжения, затягиваемых по внутреннему пакету проставочных втулок переводником 15. Комплект резиновых уплотнений 26 обеспечивает отсутствие перетоков жидкости и герметичность работы насоса.
Наиболее существенной и привлекательной в предлагаемой конструкции бурового насоса является постоянная скорость движения вытеснителя, которая дает возможность конструкторам рассчитывать необходимую характеристику насоса за счет изменения скорости движения, определяемой по формуле:
1
2
3
n
При необходимости увеличения производительности насоса можно увеличивать число оборотов или диаметр вытеснителя. При необходимости весьма значительного увеличения производительности насоса можно использовать увеличение количества секций, ибо, как было показано, Q насоса равняется сумме производительностей секций Q=Q+Q+Q+…+Q, т.е. насос в зависимости от своих параметров может проектироваться в зависимости от основного параметра - снижения веса.