МОБИЛЬНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАКАЧИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И СМЕСЕЙ В ПРИЗАБОЙНЫЕ ЗОНЫ СКВАЖИН

Заявляемая полезная модель «Мобильная насосная установка для закачивания жидкостей и смесей в призабойные зоны скважин» (сокращенно мобильная насосная установка) относится к области машиностроения преимущественно к мобильным технологическим установкам, предназначенным для размещения на самоходном или прицепном шасси, используемых, в нефтедобывающей и газодобывающей промышленности для закачивания жидкостей и смесей в призабойные зоны скважин с целью увеличения отдачи добываемого продукта за счет применения технологий гидравлического разрыва продуктивных пластов.
В технологических комплексах, осуществляющих гидравлический разрыв пластов, после монтажа всего комплекса машин перед проведением операции гидроразрыва производится опрессовка напорной магистрали манифольдов высокого давления, их соединений с устьевой головкой скважины, запорной арматурой и измерительными средствами давлением, при котором планируется проведение гидроразрыва доходящим до 250 МПа. Опрессовка производится после заполнения испытуемых магистралей жидкостью путем увеличения давления при практически «нулевой» подаче жидкости.
Известны конструкции мобильных насосных установок, оснащенных дизельным двигателем, в которых опрессовка магистралей осуществляется применением гидромеханической трансмиссии в приводе плунжерного насоса, за счет повышения частоты вращения двигателя, при работе гидротрансформатора трансмиссии на «стоповом» режиме. Известны также мобильные насосные установки, которые для опрессовки магистралей используют специальный опрессовочный насос, устанавливаемый на раме насосной установки. Такое устройство выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемой полезной модели. Сведения о нем приводятся в патенте на полезную модель RU 98493 U1 «Насосная установка» с приоритетом от 26.04.2010 г.
Указанная конструкция насосной установки включает специальный опрессовочный насос с элементами его привода и управления работой, гидравлические трассы с запорной арматурой, проходящие параллельно основной трассе подачи продукта от заборной к напорной магистрали. Применение такого оборудования вызывает увеличение стоимости насосной установки, а его размещение на раме в мобильном варианте насосной установки затруднено. В мобильных насосных установках с гидродинамической трансмиссией продолжительная работа в «стоповом» режиме запрещена из-за опасности перегрева гидротрансформатора. Плавное, контролируемое увеличение опрессовочного давления и его удержание за счет точной регулировки частоты вращения дизельного двигателя большой мощности на таком режиме затруднено.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эксплуатационных качеств мобильной насосной установки при проведении технологической операции по опрессовке напорной магистрали, уменьшения динамического воздействия на трансмиссию и плунжерный насос при выполнении гидроразрыва пластов и снижение стоимости установки.
Эта цель достигается благодаря тому, что в мобильной насосной установке, содержащей плунжерный насос, заборную и напорную магистрали, механическую трансмиссию, газотурбинный двигатель и систему управления, газотурбинный двигатель оснащен расположенным перед свободной турбиной регулируемым сопловым аппаратом, содержащим поворотные лопатки, механизм их перемещения, который, связан с системой управления для возможности установки поворотных лопаток в положения, обеспечивающие поддержание крутящего момента на свободной турбине в диапазоне от нулевого значения до максимального.
Предлагаемая конструктивная схема мобильной насосной установки представлена на иллюстрации.
Насосная установка включает: плунжерный насос 1, заборную магистраль 2, напорную магистраль 3, механическую трансмиссию 4, газотурбинный двигатель 5 со свободной турбиной 6 и регулируемый сопловой аппарат 7, содержащий поворотные лопатки 8 с механизмом перемещения 9, систему управления 10.
Установка насосная работает следующим образом:
- при проведении технологической операции «опрессовка» поворотные лопатки 8 регулируемого сопловым аппарата 7 газотурбинного двигателя 5 с помощью механизма их перемещения 9 по командам от системы управления 10 устанавливаются в положение, обеспечивающее отсутствие крутящего момента на свободной турбине 6. За счет этого свободная турбина 6 прекращает вращение. В механической трансмиссии 4 по команде от системы управления 10 включается передача, устанавливающая механическую связь свободной турбины 6 с входным валом плунжерного насоса 1. Системой управления 10 выдается сигнал на плавное перемещение лопаток 8 механизмом перемещения 9 регулируемого соплового аппарата 7 в сторону тягового положения, за счет чего возрастает крутящий момент на свободной турбине 6, она начинает вращаться и через механическую трансмиссию 4 приводит входной вал плунжерного насоса 1, который закачивает рабочую жидкость из заборной магистрали 2 в напорную магистраль 3. После вытеснения воздуха из напорной магистрали 3, плунжерный насос 1 создает в ней избыточное давление, а так как выход жидкости при опрессовке перекрыт, ее расход прекращается, входной вал плунжерного насоса 1 и свободная турбина 6 останавливаются. Плавное доведение давления в напорной магистрали 3 до требуемого уровня, производится дополнительным поворотом лопаток 8 регулируемого соплового аппарата 7 в сторону тягового положения, а при необходимости, и за счет увеличения режима работы газотурбинного двигателя 5. По окончании «опрессовки» поворотные лопатки 8 регулируемого сопловым аппарата 7 газотурбинного двигателя 5 по сигналу от системы управления 10 механизмом перемещения 9 устанавливаются в положение, обеспечивающее отсутствие крутящего момента на свободной турбине.
при проведении технологической операции «гидроразрыв» в механической трансмиссии 4 включается передача, задаваемая системой управления 10, благодаря чему устанавливается механическая связь свободной турбины 6 с входным валом плунжерного насоса 1. Поворотные лопатки 8 регулируемого соплового аппарата 7 газотурбинного двигателя 5 по команде от системы управления 10 механизмом перемещения 9 устанавливаются тяговое положение.
Данная установка насосная за счет использования газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом, обеспечивает плавное изменение частоты вращения и крутящего момента на входном валу плунжерного насоса при переводе положения лопаток регулируемого соплового аппарата в положение, соответствующее задаваемым системой управления величинам расхода и давления в напорной магистрали. Такая конструкция позволяет осуществлять технологический процесс опрессовки напорной магистрали плавным подъемом давления в ней без ограничений по времени, при этом используются те же органы и система управления, что и при проведении гидроразрыва. Исключаются необходимость использования специального опрессовочного насоса и выполнения дополнительных операций по его подключению к напорной магистрали и отключению по окончании процесса опрессовки. При опрессовке задействованы те же двигатель, трансмиссия, плунжерный насос и гидравлическая арматура, что и при проведении гидроразрыва. Полученные при реализации предлагаемого технического решения характеристики повышают надежность и качество проведения технологического процесса опрессовки, снижают стоимость установки в целом.
Дозированное изменение крутящего момента на входе в плунжерный насос в диапазоне от нулевого значения до максимальной величины за счет изменения положения лопаток регулируемого соплового аппарата позволяет облегчить управление и повысить качество технологической операции также и при проведении операции гидроразрыва. Смена режима работы плунжерного насоса и переключение передач в трансмиссии, совмещенные с поворотом лопаток регулируемого соплового аппарата позволяет проводить этот процесс без возбуждения повышенных динамических нагрузок в силовой цепи и напорной магистрали, что благоприятно сказывается на долговечности насосной установки и безопасности работы.