СКВАЖИННЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ НАСОС ЗАМЕЩЕНИЯ
DEEP-WELL AIR-OPERATED DISPLACEMENT PUMP

Скважинный пневматический насос замещения относится к техническим средствам для подъема жидкостей и может быть использован в любых отраслях хозяйственной деятельности для подъема воды, нефти, конденсата из буровых скважин.
Известен «Насос» по патенту RU 2295065 от 2005.02.07, опубликован 2007.03.10, МПК F04F 1/04, который содержит цилиндр с днищем, снабженным всасывающим клапаном и фильтром, и головкой с входным патрубком, связанным с воздушным трубопроводом, и выходным патрубком, герметично связанным посредством сварки или резьбового соединения с жидкостным трубопроводом и снабженным обратным клапаном; трубопроводы размещены в обсадной трубе, свободный конец жидкостного трубопровода сообщен с емкостью регулятора частоты циклов. Насос снабжен компрессором и вакуумным насосом, цилиндр выполнен в виде отрезка обсадной трубы, жестко связанного с торцевой поверхностью нижнего конца обсадной трубы, в которой размещены трубопроводы, свободный конец воздушного трубопровода герметично связан с выходным патрубком компрессора и параллельно - с входным патрубком вакуумного насоса. Имеются датчики, установленные с возможностью взаимодействия с регулятором частоты циклов и передачи сигналов включения и выключения компрессора и вакуумного насоса на пульт управления.
Данный насос можно использовать только при подъеме воды с небольших глубин. Он сложен в изготовлении и обслуживании, так как рабочие элементы изготовлены и смонтированы как единое целое с обсадной трубой, и обладает малой производительностью из-за наличия только одной рабочей камеры, подача жидкости на поверхность будет не непрерывная, а циклическая. Его невозможно применить при многоступенчатом подъеме жидкости из скважины.
Известны штанговые глубинные насосы (ШГН) (Справочник по добыче нефти. Авторы: В.В.Андреев, К.Р.Уразаков, В.У.Далимов и др.; Под ред. К.Р.Уразакова, М. ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000, глава 5),
ШГН дороги в изготовлении из-за применения высоколегированных сталей и высокоточной обработки при изготовлении. Достаточно жесткие требования к насосно-компрессорным трубам (НКТ), применяемым при добыче штанговыми насосами, что делает их производство и эксплуатацию дорогим.
У ШГН достаточно жесткие требования к содержанию механических примесей в добываемой жидкости (до 3,5 г/л), а также к содержанию свободного газа (до 25%).
Прочность штанг и их деформации ограничивают глубину применения ШГН глубинами до 3200 м.
В процессе добычи жидкости в ШГН наблюдается повышенный износ деталей глубинного насоса, а также обрыв штанг, поэтому приходится проводить частые ремонты.
Наиболее близким техническим решением является «Пневматический насос замещения» по патенту RU 2016258 от 1991.07.01, опубликовано 1994.07.15, МПК 5 F04F 1/02, содержащий рабочие камеры, попеременно подключаемые посредством механизма распределения к источникам высокого и низкого давления рабочего газа и снабженные всасывающими и нагнетательными трубами с всасывающими и нагнетательными клапанами, при этом нагнетательный клапан выполнен поплавковым.
Насос предназначен только для перекачки жидкости на поверхности, имеет громоздкую и ненадежную систему управления.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простого в изготовлении и обслуживании, надежного в работе, электрически безопасного насоса с максимальным рабочим давлением не более 1,0 МПа, обеспечивающего подъем газированной и негазированной жидкости с повышенным содержанием механических примесей, при многоступенчатом способе подъема жидкости.
Задача решена за счет скважинного пневматического насоса замещения, содержащего две рабочие камеры, подключаемые попеременно к трубопроводам сжатого газа и вакуума, снабженные всасывающим и нагнетательным каналами с всасывающими и нагнетательными клапанами, поплавковые камеры, блок управления, при этом насос выполнен из секций, объединенных сквозными каналами сжатого газа, вакуума и отработавшего газа, а также сквозным проводом электрической цепи; поплавковые камеры совмещены с рабочими, снабжены магнитными поплавковыми клапанами двойного действия и герконовыми датчиками уровня, электрически соединенными, через блок управления с пневмораспределителем; насос снабжен дополнительно трехходовым краном, имеющим два положения «вакуум» и «отработавший газ», устанавливаемым в одно из положений при подготовке насоса к эксплуатации; блок управления, двусторонний пневмораспределитель и датчики подключены к электрической цепи напряжением 24 В.
Совмещение поплавковых камер с рабочими, снабжение их магнитными поплавковыми клапанами двойного действия и герконовыми датчиками уровня, предназначенными для перекрытия утечки сжатого воздуха, каналов подачи сжатого газа и вакуума, а также для замыкания герконовых датчиков уровня при заполнении рабочих камер жидкостью, электрически соединенными, через блок управления, с пневмораспределителем, позволяет предотвращать утечки сжатого газа из рабочей камеры в начале и в процессе работы, по завершении цикла вытеснения жидкости, и переключать электрический пневмораспределитель при заполнении рабочей камеры, посредством включения герконовых датчиков уровня, срабатывающих от постоянных магнитов, встроенных в поплавковые клапаны.
Снабжение насоса дополнительно трехходовым краном, имеющим два положения «вакуум» и «отработавший газ», устанавливаемым в одно из положений при подготовке насоса к эксплуатации, делает возможным использование насосов при многоступенчатом подъеме жидкости и делает их взаимозаменяемыми.
В положении «вакуум» трехходовой кран обеспечивает подвод вакуума к пневмораспределителю, далее к рабочим камерам, чтобы обеспечить цикл всасывания. В это положение трехходовой кран устанавливают при использовании насоса для одноступенчатого подъема или на нижней ступени при многоступенчатом подъеме жидкости. В положение «отработавший газ», трехходовой кран устанавливают для отвода отработавшего газа из рабочих камер в сквозной канал, на всех ступенях, кроме нижней, при многоступенчатом способе подъема жидкости.
Скважинный пневматический насос замещения изображен на чертежах, где на фиг.1 и фиг.2 представлен внешний вид насоса, на фиг.3 показана принципиальная схема насоса, на фиг.4 показана принципиальная схема подключения насоса первой ступени, на фиг.5 показана принципиальная схема подключения насосов всех остальных ступеней, кроме первой, при многоступенчатом способе добычи газированной жидкости, на фиг.6 показана принципиальная схема подключения насосов всех остальных ступеней, кроме первой, при многоступенчатом способе добычи негазированной жидкости, на фиг.7 и 8 показан порядок работы насоса.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 изображены - секция 1, секции 2, секции 3, секции 4, секции 5, прокладки 6 уплотнительные, серьга 7 верхняя, серьга 8 нижняя, соединительный элемент 9 нагнетательный, соединительный элемент 10 всасывающий, соединительный элемент 11 сжатого газа верхний, соединительный элемент 12 сжатого газа нижний, разъем 13 электропитания верхний, разъем 14 электропитания нижний, соединительный элемент 15 вакуума верхний, соединительный элемент 16 вакуума нижний, соединительный элемент 17 для отвода отработавшего газа верхний, соединительный элемент 18 для отвода отработавшего газа нижний, болты 19, гайки 20, трубопровод 21 сжатого газа, заглушка 22, кабель 23 электропитания, заглушка 24, трубопровод 25 вакуума, заглушка 26, заглушка 27, заглушка 28, кран 29 трехходовой, пневмораспределитель 30 двусторонний, седло 31, датчик уровня 32 герконовый верхней камеры, камера 33 поплавковая верхняя, камера 34 рабочая верхняя, клапан 35 магнитный поплавковый двойного действия верхний, седло 36, седло 37, камера 38 рабочая нижняя, датчик уровня 39 герконовый нижней камеры, камера 40 поплавковая нижняя, клапан 41 магнитный поплавковый двойного действия нижний, седло 42, клапан 43 нагнетательный верхней рабочей камеры, клапан 44 всасывающий верхней рабочей камеры, клапан 45 нагнетательный нижней рабочей камеры, клапан 46 всасывающий нижней рабочей камеры, канал 47 для отвода отработавшего газа сквозной, канал 48 для подачи сжатого газа сквозной, канал 49 вакуума сквозной, провод 50 цепи электропитания сквозной, канал 51 всасывания, канал 52 нагнетательный, насадка 53 фильтрующая, жидкость 54 добываемая, трубопровод 55 продукта, труба 56 всасывающая, блок 57 электронный управляющий, канал 58 жидкости верхней камеры, канал 59 жидкости нижней камеры, провод 60 электропитания блока управления, канал 61 сжатого газа, канал 62 вакуума, канал 63 отработавшего газа, канал 64 вакуумный и отработавшего газа, провод 65 управления первым электромагнитом пневмораспределителя, провод 66 управления вторым электромагнитом пневмораспределителя, пневмовакуумный канал 67 верхней рабочей камеры, пневмовакуумный канал 68 нижней рабочей камеры, провод 69 герконового датчика уровня верхней рабочей камеры, провод 70 герконового датчика уровня нижней рабочей камеры.
Скважинный пневматический насос замещения выполнен следующим образом (фиг.3).
Насос состоит из пяти секций. Через все секции проходят: канал 47 для отвода отработавшего газа сквозной, канал 48 для подачи сжатого газа сквозной, канал 49 вакуума сквозной и провод 50 цепи электропитания сквозной.
В секции 1 расположены:
- пневмораспределитель 30 для попеременной подачи высокого и низкого давления в верхнюю и нижнюю рабочие камеры 34 и 38;
- блок управления 57, предназначенный для управления пневмораспределителем 30;
- трехходовой кран 29, который устанавливают при подготовке насоса к эксплуатации в одно из положений - «вакуум» или «отработавший газ». В положении «вакуум» трехходовой кран 29 обеспечивает подвод вакуума к пневмораспределителю 30, далее к рабочим камерам 34 и 38, чтобы обеспечить цикл всасывания. В это положение трехходовой кран 29 устанавливают при использовании насоса для одноступенчатого подъема или на первой (нижней) ступени при многоступенчатом подъеме жидкости. В положение «отработавший газ» трехходовой кран 29 устанавливают для отвода отработавшего газа из рабочих камер в сквозной канал 47, на всех ступенях, кроме первой (нижней), при многоступенчатом способе подъема жидкости;
- седло 31, предназначенное для перекрытия поплавковым клапаном 35 канала подачи сжатого газа и вакуума в верхнюю рабочую камеру 34 при достижении верхнего положения в процессе всасывания жидкости;
- канал 52 нагнетательный, который, также проходит через секции 2, 3, 4 и 5 и соединяет нагнетательные клапаны 43 и 45 с соединительным элементом 9;
- провод электропитания 60 блока управления 57,соединеный со сквозным проводом цепи электропитания 50;
- канал сжатого газа 61, соединяющий канал 48 для подачи сжатого газа сквозной с пневмораспределителем 30;
- канал вакуума 62, соединяющий канал вакуума 49 сквозной с трехходовым краном 29;
- канал отработавшего газа 63, соединяющий канал 47 для отвода отработавшего газа сквозной с трехходовым краном 29;
- канал 64 вакуумный и отработавшего газа, соединяющий пневмораспределитель 30 с трехходовым краном 29;
- провод 65 управления первым электромагнитом пневмораспределителя 30, соединенный с блоком управления 57;
- провод 66 управления вторым электромагнитом пневмораспределителя 30, соединенный с блоком управления 57;
- пневмовакуумный канал 67 верхней рабочей камеры 34, соединяющий пневмораспределитель 30 с седлом 31;
- пневмовакуумный канал 68 нижней рабочей камеры 38, который проходит также через секции 2 и 3, и соединяющий пневмораспределитель 30 с седлом 37;
- провод 69, соединяющий датчик уровня 32 герконовый верхней камеры с блоком управления 57, проходящий также по секции 2;
- провод 70, соединяющий датчик уровня 39 герконовый верхней камеры с блоком управления 57, проходящий также по секции 2 и 3.
К верхнему торцу секции 1 крепятся соединительные элементы:
- 9 на нагнетательный канал 52;
- 17 верхний на сквозной канал отвода отработавшего газа 47;
- 11 верхний на сквозной канал сжатого газа 48;
- 15 верхний на сквозной канал вакуума 49;
- разъем электропитания 13 верхний к сквозному проводу цепи электропитания 50.
В секции 2 находится:
- верхняя рабочая камера 34;
- поплавковая камера 33, соединенная с верхней рабочей камерой 34;
- клапан 35 магнитный поплавковый двойного действия верхний в поплавковой камере 33;
- герконовый датчик уровня 32 установлен в верхней части поплавковой камеры 33, который предназначен для подачи сигнала по проводу 69 на блок управления 57 при заполнении верхней рабочей камеры 34 жидкостью.
В секции 3 находятся:
- седло 36, предназначенное для предотвращения утечки сжатого газа из верхней рабочей камеры 34 путем его перекрытия поплавковым клапаном 35 после вытеснения жидкости;
- седло 37, предназначенное для перекрытия поплавковым клапаном 41 пневмовакуумный канал 68 в нижнюю рабочую камеру 38 при достижении верхнего положения в процессе всасывания жидкости.
В секции 4 находится:
- нижняя рабочая камера 38;
- поплавковая камера 40, соединенная с нижней рабочей камерой 38;
- клапан 41 магнитный поплавковый двойного действия верхний в поплавковой камере 40;
- герконовый датчик уровня 39 установлен в верхней части поплавковой камеры 40, который предназначен для подачи сигнала по проводу 70 на блок управления 57 при заполнении нижней рабочей камеры 38 жидкостью.
В секции 5 находятся:
- седло 42, которое предназначено для предотвращения утечки сжатого газа из рабочей камеры 38 путем его перекрытия поплавковым клапаном 41 после вытеснения жидкости;
- нагнетательный клапан 43 верхней рабочей камеры 34;
- нагнетательный клапан 45 нижней рабочей камеры 38;
- всасывающий клапан 44 верхней рабочей камеры 34;
- всасывающий клапан 46 нижней рабочей камеры 38;
- канал 51 всасывания соединяет соединительный элемент 10 с всасывающими клапанами 44 и 46.
К нижнему торцу секции 5 крепят соединительные элементы:
- 10 на всасывающий канала 51 насоса для присоединения всасывающей трубы 56 на первой ступени или трубопровода продукта 55 при могоступенчатом подъеме жидкости;
- 18 нижний на сквозной канал отвода отработавшего газа 47;
- 12 нижний на сквозной канал сжатого газа 48;
- 16 нижний на сквозной канал вакуума 49;
- разъем электропитания 14 нижний, к сквозному проводу цепи электропитания 50.
Для обеспечения герметичности в процессе работы между секциями 1, 2, 3, 4 и 5, ставят прокладки 6 (фиг.1 и 2), после чего стягивают шпильками (на чертеже не показаны).
Для опускания насоса в скважину и подвешивания в процессе эксплуатации имеются верхняя и нижняя серьги 7 и 8, которые соединены между собой болтами 19 и гайками 20 (фиг.1 и 2).
При подготовке насоса к работе трехходовой кран 29 устанавливают в положение «ВАКУУМ» (фиг.4) для одноступенчатого подъема или на первой (нижней) ступени при многоступенчатом подъеме жидкости, присоединяют всасывающую трубу для жидкости 56 к соединительному элементу 10. На нижние соединительные элементы 12, 16, 18 и на разъем 14 первой (нижней) ступени ставят герметичные заглушки 22, 24, 26 и 28.
К нагнетательному соединительному элементу 9 присоединяют трубопровод продукта 55 для подъема жидкости. К верхнему соединительному элементу сжатого газа 11 присоединяют трубопровод сжатого воздуха 21. К верхнему соединительному элементу вакуума 15 присоединяют трубопровод вакуума 25.
К верхнему разъему электропитания 13 присоединяют кабель электропитания 23.
На верхний соединительный элемент отвода отработавшего газа 17 на первой ступени ставят заглушку 27.
На всех ступенях, кроме нижней 1, при многоступенчатом подъеме газированной жидкости (фиг.5) трехходовой кран 29 устанавливают в положение «ОТРАБОТАВШИЙ ГАЗ», к верхнему соединительному элементу 17 присоединяют трубопровод отработавшего газа 27, к нагнетательному соединительному элементу 9 присоединяют трубопровод продукта 55, к верхнему соединительному элементу сжатого газа 11 присоединяют трубопровод сжатого газа 21, к верхнему соединительному элементу вакуума 15 присоединяют трубопровод вакуума 25. К нижним соединительным элементам 12, 16, 18 и к разъему электропитания 14 присоединяют соответственно трубопровод сжатого газа 21, трубопровод вакуума 25, трубопровод отработавшего газа 27 и кабель электропитания 23 (на второй ступени, при многоступенчатом способе, на нижний соединительный элемент 18 отработавшего газа ставят заглушку, так как отработавший газ из рабочих камер первой ступени удаляется по трубопроводу вакуума 25 за счет установки трехходового крана 29 в положение «ВАКУУМ», а начиная со второй ступени, он удаляется по трубопроводу отработавшего газа 27 за счет установки трехходового крана 29 в положение «ОТРАБОТАВШИЙ ГАЗ».
На всех ступенях, кроме нижней 1, при многоступенчатом подъеме негазированной жидкости (фиг.6) трехходовой кран 29 устанавливают в положение «ОТРАБОТАВШИЙ ГАЗ», все трубопроводы присоединяют так же, как при подъеме газированной жидкости, за исключением трубопровода отработавшего газа, который не ставится вовсе. На нижний соединительный элемент 18 ставят заглушку 28, а верхний соединительный элемент 17 оставляют открытым для удаления отработавшего газа из рабочих камер насоса.
Перед тем как опустить насос в скважину, к верхней серьге 7 (фиг.1) прикрепляют трос для подвешивания. После этого опускают насос в скважину до погружения всасывающей трубы 56 с фильтрующей насадкой 53 в жидкость 54 (на глубину не более 50 метров от поверхности до насоса, при одноступенчатом подъеме жидкости, а при многоступенчатом подъеме каждая ступень увеличивает глубину на 50 метров).
После того как насос опущен в скважину, поддерживающий трос фиксируют на поддерживающем приспособлении (на чертеже не показано), а трубу для подъема жидкости выводят в резервуар для жидкости (на чертеже не показан), трубопровод для подачи сжатого газа соединяют с выходным патрубком источника высокого давления (на чертеже не показан), трубу для вакуума соединяют с входным патрубком источника низкого давления (на чертеже не показан), а кабель питания подключают к источнику питания 24 В (на чертеже не показан).
Скважинный пневматический насос замещения работает следующим образом.
В трубопровод сжатого газа 21 подают высокое давление, а в трубопровод 25 - вакуум, и электропитание 24 В по кабелю 23 на блок управления 57 (фиг.7). При этом сжатый газ по каналам через пневмораспределитель 30 начинает поступать через седло 37 в нижнюю рабочую камеру 38. Так как в камере нет жидкости, поплавковый клапан 41, находясь в нижнем положении, перекрывает седло 42, тем самым препятствует утечке сжатого газа в трубопровод продукта 55. Давление в нижней камере 38 повышается до тех пор, пока не сравняется с давлением в трубопроводе сжатого газа 21. Одновременно с поступлением сжатого газа в нижнюю камеру 38 в верхней камере 34 создается вакуум по каналам, через пневмораспределитель 30 и седло 31. Создаваемое в верхней камере 34 разрежение засасывает жидкость по всасывающей трубе 56 через соединительный элемент 10 по всасывающему каналу 51, через клапан 44 по каналу 58 и седло 36 в верхнюю рабочую камеру 34. По мере заполнения камеры всплывает магнитный поплавковый клапан 35 до достижения герконового датчика уровня 32, подающего сигнал на блок управления 57, который формирует команду на переключение пневмораспределителя 30. После переключения пневмораспределителя 30 (фиг.8) сжатый газ начинает поступать в верхнюю рабочую камеру 34, в которой находится жидкость, вытесняет ее по каналу 58 через клапан 43 по нагнетательному каналу 52 через соединительный элемент 9 в трубопровод 55 наверх до тех пор, пока поплавковый клапан 35 не перекроет седло 36. Одновременно при переключении пневмораспределителя 30 в нижней камере 38 создается разрежение, а сжатый газ, который находился в ней, удаляется по каналам насоса через пневмораспределитель 30 в трубопровод вакуума 25, далее на поверхность, а по всасывающей трубе 56, соединительному элементу 10, всасывающему каналу 51 через клапан 46 канал 59 и седло 42 начинает поступать жидкость. По мере заполнения камеры 38 всплывает магнитный поплавковый клапан 41 до герконового датчика уровня 39, подающего электрический сигнал на блок управления 57, который формирует команду на переключение пневмораспределителя 30. После этого цикл повторяется до тех пор, пока не прекратится подача сжатого газа, электропитания или вакуума.
Техническая задача - создание простого в изготовлении и обслуживании, надежного в работе, электрически безопасного насоса с максимальным рабочим давлением не более 1,0 МПа, обеспечивающего подъем газированной и негазированной жидкости с повышенным содержанием механических примесей при многоступенчатом способе подъема жидкости - решена за счет скважинного пневматического насоса замещения, содержащего две рабочие камеры, подключаемые попеременно к трубопроводам сжатого газа и вакуума, снабженные всасывающим и нагнетательным каналами с всасывающими и нагнетательными клапанами, поплавковые камеры, блок управления, при этом насос выполнен из секций, объединенных сквозными каналами сжатого газа, вакуума и отработавшего газа, а также сквозным проводом электрической цепи; поплавковые камеры совмещены с рабочими, снабжены магнитными поплавковыми клапанами двойного действия и герконовыми датчиками уровня, электрически соединенными через блок управления с пневмораспределителем; насос снабжен дополнительно трехходовым краном, имеющим два положения - «вакуум» и «отработавший газ», устанавливаемым в одно из положений при подготовке насоса к эксплуатации; блок управления, двусторонний пневмораспределитель и датчики подключены к электрической цепи напряжением 24 В (2 п.ф. 8 ил.).
Данная конструкция насоса позволяет осуществлять подъем жидкости с повышенным содержанием механических примесей, а ее надежность при этом обеспечивается за счет минимального количества трущихся деталей, это увеличивает срок службы насоса и уменьшает эксплуатационные издержки.
Насос состоит из секций, которые просты в изготовлении и не требуют точной обработки, их можно изготовить из пластмасс, стойких к агрессивным средам, или легких металлических немагнитных сплавов методом точного литья или прессования.
Все детали и комплектующие, применяемые в насосе, производятся массово и стоят недорого.
За счет применения в работе насоса давления, не превышающего 1,0 МПа, и напряжения управления 24 В при потребляемой мощности одного насоса не более 10 Вт, производственные испытания становятся достаточно простыми.
Данный насос можно применять как при одноступенчатом, так и многоступенчатом способе добычи газированной и негазированной жидкости из скважин, без каких либо конструктивных переделок, что достигается за счет наличия в конструкции трехходового крана, который делает насосы полностью взаимозаменяемыми, тем самым позволяет значительно увеличить высоту подъема жидкости.