ПОГРУЖНОЙ ОБЪЕМНЫЙ НАСОС
SUBMERSIBLE VOLUMETRIC PUMP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к насосостроению и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации малодебитных скважин с осложненными характеристиками.
Уровень техники
Известен плунжерный погружной объемный насос, принятый в качестве наиболее близкого аналога. Плунжерный погружной объемный насос с гидрокомпенсатором, содержащий погружной электродвигатель с протектором, кинематически связанный с приводным насосом, плунжерный рабочий насос, масляный бак, компенсатор объемного расширения масла и гидродвигатель. Подпоршневые полости гидродвигателя подключены через автоматический реверсивный клапан к всасывающей и нагнетательной линиям приводного насоса, а поршни гидродвигателя соединены с плунжерами рабочего насоса. Надпоршневая полость гидрокомпенсатора связана с выходом рабочего насоса, а подпоршневая - с надпоршневыми полостями гидродвигателя (Патент РФ №123858, 10.01.2013).
Недостатком известной конструкции является то, что каналы, связывающие узлы насоса, выполнены в виде трубок, которые расположены снаружи вдоль корпуса. Это осложняет эксплуатацию насоса, в частности транспортировку и спуско-подъемные операции. Наличие каналов малого сечения, связанных с диаметральными габаритами известного устройства, накладывает ограничения на производительность самого насоса и на повышенный местный нагрев рабочих внешних трубочек насоса, что ведет к снижению КПД всей системы. Компенсационная и рабочая жидкости разделены двумя поршнями, диаметры которых больше или равны диаметру плунжера, что может приводить к повышенному пленочному перетеканию компенсационного масла, а спустя время, когда компенсационное масло закончится, и попаданию пластовой жидкости в рабочую гидравлику насоса.
Сущность изобретения
Технической задачей, которую решает созданное техническое решение, является повышение эксплуатационных и технологических характеристик погружного объемного насоса, а также его надежности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности оборудования, в улучшении транспортировки насоса и повышении надежности спуско-подъемных операций при эксплуатации насоса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что погружной объемный насос, содержащий кинематически связанные друг с другом погружной маслозаполненный электродвигатель, протектор, приводной насос, масляный бак с фильтрами тонкой очистки масла, компенсатор объемного расширения масла, гидрораспределитель, фильтр тонкой очистки, предохранительный клапан, фильтр, диафрагму, двухпоршневой рабочий насос с всасывающими и нагнетательными клапанами, жестко связанный через шток с поршневым гидродвигателем, компенсационный узел, надпоршневая полость которого связана с выходом рабочего насоса, причем поршневой рабочий насос выполнен с верхним, нижним и центральным ниппелями с образованием надпоршневых и подпоршневых областей верхнего и нижнего поршней, заполненных пластовой жидкостью и выполненных с нагнетательными и соединительными каналами и соединенных полым штоком, при этом верхний поршень соединен с полым плунжером, а шток гидродвигателя соединен с нижнем поршнем рабочего насоса, полости поршня гидродвигателя связаны через гидрораспределитель с напорной линией приводного насоса, при этом центральный ниппель рабочего насоса выполнен с всасывающими каналами, с установленными в них всасывающими клапанами, а подпоршневая область нижнего поршня рабочего насоса и подпоршневая область верхнего поршня рабочего насоса через нагнетательные каналы соединены с полым штоком рабочего насоса и через полый плунжер соединены с выходом погружного объемного насоса, причем в полом штоке рабочего насоса дополнительно установлен компенсационный цилиндр, связывающий надпоршневую область нижнего поршня рабочего насоса с надпоршневой областью верхнего поршня рабочего насоса через соединительные каналы нижнего и верхнего поршней рабочего насоса, при этом в нагнетательном канале каждого поршня установлен нагнетательный клапан, причем в центральном ниппеле рабочего поршневого насоса выполнены два всасывающих канала приема пластовой жидкости, в каждом из которых установлен всасывающий клапан.
В частном случае реализации заявленного изобретения протектор электродвигателя и компенсатор объемного расширения масла выполнены в виде единого блока.
В частном случае реализации заявленного изобретения приводной насос выполнен шестеренчатым.
В частном случае реализации заявленного изобретения приводной насос выполнен аксиально-поршневым.
В частном случае реализации заявленного изобретения компенсационный узел выполнен диафрагменным.
В частном случае реализации заявленного изобретения трущиеся поверхности и/или поверхности, имеющие контакт с перекачиваемой жидкостью, выполнены с предварительно химико-термической обработкой, повышающей их характеристики.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного погружного объемного насоса.
На чертеже показан погружной объемный насос, продольный разрез.
Цифрами обозначены следующие позиции:
1 - погружной маслозаполненный электродвигатель; 2 - протектор; 3 - вал; 4 - приводной насос; 5 - диафрагма; 6 - корпус приводного насоса; 7 - фильтр; 8 - фильтр тонкой очистки; 9 - предохранительный клапан; 10 - гидрораспределитель; 11 - канал; 12 - канал; 13 - поршень гидродвигателя; 14 - шток поршня гидродвигателя; 15 - нижний поршень рабочего насоса; 16 - верхний поршень рабочего насоса; 17 - шток; 18 - центральный ниппель рабочего насоса; 19 - нагнетальный клапан; 20 - нагнетательный клапан; 21 - всасывающий клапан; 22 - всасывающий клапан; 23 - нагнетательный канал; 24 - поршень; 25 - корпус; 26 - цилиндр компенсационного узла; 27 - канал; 28 - канал; 29 - канал; 30 - всасывающий канал; 31 - нагнетательный канал; 32 - верхний ниппель рабочего насоса; 33 - нижний ниппель рабочего насоса; 34 - ниппель гидродвигателя; 35 - ниппель компенсационного узла; 36 - ниппель приводного устройства; 37 - корпус гидродвигателя; 38 - корпус рабочего насоса; 39 - цилиндр гидродвигателя; 40 - канал; 41 - канал, 42 - плунжер рабочего насос; 43 - направляющий шток, 44 - компенсационный цилиндр, 45 - всасывающий канал, 46 - нагнетательный канал, 47 - надпоршневая область нижнего поршня рабочего насоса, 48 - подпоршневая область нижнего поршня рабочего насоса, 49 - подпоршневая область верхнего поршня рабочего насоса, 50 - надпоршневая область верхнего поршня рабочего насоса; 52 - канал поршня гидродвигателя; 53 - надпоршневая область поршня гидродвигателя; 54 - подпоршневая область поршня гидродвигателя; 55 - надпоршневая область поршня компенсационного узла; 56 - подпоршневая область поршня компенсационного узла.
Раскрытие изобретения
Погружной объемный насос крепится к колонне стандартных насосно-компрессорных труб (НКТ).
Погружной объемный насос состоит из последовательно установленных основных элементов:
погружного маслозаполненного электродвигателя, протектора, приводного устройства, гидродвигателя, рабочего насоса, компенсационного узла, при этом приводное устройство соединено с гидродвигателем посредством ниппеля приводного устройства, гидродвигатель соединен с рабочим насосом посредством нижнего ниппеля рабочего насоса, а рабочий насос соединен с компенсационном узлом посредством верхнего ниппеля рабочего насоса. В рабочем насосе дополнительно установлен центральный ниппель рабочего насоса.
Приводное устройство содержит установленные в корпусе (6) гидрораспределитель (10) с всасывающей и нагнетательной линиями, выполненный, например, в виде автоматического реверсивного клапана, фильтр тонкой очистки (8), предохранительный клапан (9), приводной насос (4), фильтр (7), вал (3) и диафрагму (5), ниппель (36) приводного устройства. Полость корпуса (6) приводного устройства заполнена гидравлическим маслом. Таким образом, корпус (6) приводного устройства образует масляный бак. На входе в приводной насос (4) установлен фильтр (7), а выход приводного насоса (4) через напорную линию соединен  со входом гидрораспределителя (10), причем на указанной напорной линии между гидрораспределителем (10) и приводным насосом (4) установлен фильтр тонкой очистки (8) и предохранительный клапан (9). Всасывающая и нагнетательная линии гидрораспередителя подключены к каналам (40, 41), выполненными в ниппеле (36). Диафрагма (5) служит компенсатором объемного расширения масла.
Гидродвигатель состоит из корпуса (37), поршня гидродвигателя (13), направляющего штока (43), штока поршня (14) гидродвигателя, цилиндра (39) и ниппеля гидродвигателя (34). Причем в ниппеле (34) гидродвигателя выполнен канал (11). Направляющий шток (43) выполнен полым, внутренняя полость которого образовывает канал (12), а в поршне (13) гидродвигателя выполнены каналы, являющиеся продолжениями канала (12). Цилиндр (39) установлен в корпусе (37) гидродвигателя, между ниппелем (36) и ниппелем (34) с зазором от корпуса (37) гидродвигателя.
Рабочий насос состоит из корпуса (38), нижнего ниппеля рабочего насоса (33), штока (17), двух поршней рабочего насоса - нижнего (15) и верхнего (16), центрального ниппеля (18) рабочего насоса, верхнего ниппеля (32) рабочего насоса и компенсационного цилиндра (44).
Поршни рабочего насоса (15, 16) жестко соединены между собой полым штоком (17). В свою очередь верхний поршень (16) жестко соединен с плунжером рабочего насоса (42), при этом плунжер (42) рабочего насоса выполнен полым. Нижний поршень (15) рабочего насоса жестко соединен  со штоком (14) поршня гидродвигателя.
Внутри штока (17) дополнительно установлен полый компенсационный цилиндр (44), внутренняя полость которого образовывает канал (28). Внутренняя полость штока (17) образовывает нагнетательный канал (23). Канал (28) соединяет подпоршневую зону рабочего поршня (15) и надпоршневую зону рабочего поршня (16) для обеспечения перетекания компенсационного масла из одной зоны в другую.
В нижнем поршне (15) рабочего насоса выполнен нагнетательный канал (31), в котором расположен нагнетательный клапан (19), а в верхнем поршне (16) рабочего насоса выполнен нагнетательный канал (46), в котором установлен нагнетательный клапан (20).
Также в верхнем (16) и нижнем (15) поршнях рабочего насоса дополнительно выполнены соединительные каналы.
Между нижним поршнем (15) рабочего насоса и верхним поршнем (16) рабочего насоса установлен центральный ниппель (18), внутри которого проходит шток (17) рабочего насоса.
Причем в верхнем ниппеле (32) рабочего насоса выполнен канал (27), а в центральном ниппеле (18) рабочего насоса выполнены два всасывающих канала (45 и 30), при этом в каждом канале (45 и 30) установлены всасывающие клапаны (21, 22).
Компенсационный узел состоит корпуса (25), ниппеля (35) компенсационного узла, поршня (24), цилиндра (26). Цилиндр (26) установлен в корпусе (25) компенсационного узла, между ниппелем (35) и ниппелем (32) с зазором от корпуса. Поршень (24) расположен внутри корпуса (25) и выполнен с возможностью совершения возвратно-поступательных движений внутри цилиндра (26).
В частном случае реализации заявленного устройства по настоящему изобретению в компенсационном узле вместо поршня может быть установлена диафрагма.
Причем в ниппеле (35) компенсационного узла выполнен канал (29).
Указанные конструктивные элементы объединены в единую конструкцию с конструктивной взаимосвязью погружного объемного насоса, а именно: вал электродвигателя (1) через муфту соединен с валом протектора (2), который в свою очередь соединен посредством вала (3) с валом приводного насоса (4), например, шестеренчатого; приводное устройство соединено с гидродвигателем ниппелем (36) приводного устройства, гидродвигатель соединен с рабочим насосом нижним ниппелем (33) рабочего насоса и жестко связан через шток (14) с рабочим насосом, рабочий насос соединен с компенсационным узлом ниппелем (35) компенсационного узла.
Причем указанные конструктивные элементы погружного объемного насоса объединены функциональной взаимосвязью следующим образом.
Гидрораспределитель (10) установлен на напорной линии приводного насоса (4). Приводной насос (4) через автоматический реверсивный клапан (10) и каналы (40, 41) соединен с гидродвигателем. Канал (40) соединен с полостью цилиндра (39) и далее по каналу (12) внутренней полости направляющего штока (43) с каналами (52) поршня гидродвигателя. Таким образом, приводной насос (4) через гидрораспределитель (10) гидравлически связан с надпоршневой областью (53) поршня (13) гидродвигателя (13). Канал (41) соединен через зазор, образованный корпусом (37) гидродвигателя и цилиндром (39) с каналом (11). Таким образом, приводной насос (4) через автоматический реверсивный клапан (10) гидравлически связан с подпоршневой областью (54) поршня (13) гидродвигателя.
Использование внутренней полости направляющего штока (43) гидродвигателя и зазора, образованного корпусом (37) гидродвигателя и цилиндром (39) гидродвигателя, позволило разместить два управляющих канала (11, 12) внутри самого насоса.
Поршень гидродвигателя (13) жестко связан с поршнем рабочего насоса (15) через шток поршня гидродвигателя (14).
Рабочий насос состоит из корпуса (38), нижнего ниппеля рабочего насоса (33), штока (17), двух поршней рабочего насоса - нижнего (15) и верхнего (16), центрального ниппеля (18) рабочего насоса, верхнего ниппеля (32) рабочего насоса, компенсационного цилиндра (44) и фильтрующего модуля (51).
Поршни рабочего насоса (15, 16) жестко соединены между собой полым штоком (17). В свою очередь верхний поршень (16) жестко соединен с плунжером рабочего насоса (42), при этом плунжер (42) рабочего насоса выполнен полым. Нижний поршень (15) рабочего насоса жестко соединен  со штоком (14) поршня гидродвигателя.
Шток (17) выполнен полым, а его внутренняя полость образовывает нагнетательный канал (23), связывающий надпоршневую область (47) нижнего поршня (15) рабочего насоса через нагнетательный канал (31) и подпоршневую область (49) верхнего поршня (16) рабочего насоса через нагнетательный канал (46) и через полый плунжер (42) с выходом погружного объемного насоса в колонну НКТ.
Внутри штока (17) установлен компенсационный цилиндр (44), внутренняя полость которого образовывает канал (28), связывающий подпоршневую область (48) нижнего поршня (15) рабочего насоса с надпоршневой областью (50) верхнего поршня (16) рабочего насоса, через выполненные в верхнем (16) и нижнем (15) поршнях рабочего насоса соединительные каналы.
В нижнем поршне (15) рабочего насоса дополнительно выполнен нагнетательный канал (31), в котором расположен нагнетательный клапан (19), а в верхнем поршне (16) рабочего насоса выполнен нагнетательный канал (46), в котором установлен нагнетательный клапан (20).
Причем в верхнем ниппеле (32) рабочего насоса выполнен канал (27), а в центральном ниппеле (18) рабочего насоса выполнены два всасывающих канала (45 и 30), при этом в каждом канале (45 и 30) установлены всасывающие клапаны (21, 22).
Канал (45), выполненный в центральном ниппеле (18), связан с подпоршневой областью (49) верхнего поршня (16) рабочего насоса.
Канал (30), выполненный в центральном ниппеле (18), связан с подпоршневой областью (48) нижнего поршня (15) рабочего насоса.
Надпоршневая область (50) верхнего поршня (16) рабочего насоса связана с подпоршневой областью (55) поршня (24) компенсационного узла через канал (27) и канал (28).
Подпоршневая область (55) поршня (24) компенсационного узла заполнена гидравлическим маслом. Надпоршневая область (56) поршня (24) компенсационного узла через канал (29) связана с выходом погружного объемного насоса в колонну НКТ.
Подпоршневая область (55) поршня (24) компенсационного узла связана с надпоршневой областью (47) нижнего поршня рабочего насоса через канал (28) и канал (27).
Всасывающаяся пластовая жидкость, проходя через всасывающий клапан (21) и проходя по всасывающему каналу (30), поступает в подпоршневую область нижнего поршня (15) рабочего насоса, а проходя через всасывающий канал (45) и всасывающий клапан (22), поступает в подпоршневую область верхнего поршня (16) рабочего насоса.
Все трущиеся поверхности и/или поверхности, имеющие контакт с перекачиваемой жидкостью, подвергаются химико-термической обработке, повышающей их характеристики, например хромирование, борирование, азотирование и т.п.
В варианте исполнения заявленного погружного объемного насоса протектор электродвигателя и компенсатор объемного расширения масла выполнены в виде единого блока
В варианте исполнения заявленного погружного объемного насоса гидрокомпинсатор выполнен в виде диафрагмы.
В варианте исполнения заявленного погружного объемного насоса приводной насос выполнен шестеренчатым.
В варианте исполнения заявленного погружного объемного насоса приводной насос выполнен аксиально-поршневым.
В варианте исполнения заявленного погружного объемного насоса в компенсационном узле вместо поршня установлена диафрагма.
Погружной объемный насос крепится к колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (на чертеже не показано).
Погружной объемный насос работает следующим образом.
Перед погружением установки в скважину полости электродвигателя (1) с протектором (2) и система гидропривода заполняются очищенным маслом, соответствующим рабочему температурному режиму.
При погружении установки в нефтяной пласт добываемая жидкость втекает в полости рабочего насоса соответственно через всасывающие клапаны (21) и (22). Под действием гидростатического давления нагнетательные клапаны (19, 20) открываются, и жидкость заполняет канал (23) и колонну НКТ до уровня пласта.
При включении электродвигателя (1) начинает работать приводной насос (4), который через автоматический реверсивный клапан (10) подает масло в одну из полостей гидродвигателя. Если масло по каналу (11) подается под поршень (13), нижний поршень (15), перемещается вверх, всасывает жидкость по каналу (31) и выталкивает добываемую жидкость через клапан (19) по каналу (23) в колонну НКТ. Верхний поршень (16) также перемещается вверх и заполняет добываемой жидкостью, проходящей через всасывающий клапан (22), полость рабочего насоса. Одновременно с этим идет слив масла по каналу (12) из полости над поршнем (13). При достижении поршнем (13) крайнего положения давление под ним возрастает и гидрораспределитель (10) переключает нагнетательную и сливную линии. Рабочий насос совершает обратный ход, выталкивая верхним поршнем (16) через клапан (20) добываемую жидкость в колонну НКТ. Нижний поршень (15), двигаясь вниз, заполняет полость рабочего насоса добываемой жидкостью, проходящей через всасывающий клапан (21) по каналу (30).
Полость под поршнем (24) гидрокомпенсатора в процессе работы всегда находится под давлением благодаря связи каналом (29) надпоршневой полости с выходом рабочего насоса. В результате давление в подпоршневой полости компенсатора передается по каналам (27) и (28) в надпоршневые полости рабочего насоса. Благодаря этому попадание перекачиваемой жидкости в масло исключается.
Приведенное техническое решение, а именно выполнение полых цилиндров и штоков позволяет расположить внутри насоса управляющие гидравлические каналы, каналы для связи компенсационной жидкости и рабочие каналы подачи пластовой жидкости, тем самым, улучшить транспортировку насоса, повысить надежность спуско-подъемных операций при эксплуатации насоса, использование каналов увеличенного сечения позволяет снизить температурный нагрев, повысить КПД и увеличить диапазон работы насоса.