ПОГРУЖНАЯ УСТАНОВКА С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И НАСОСОМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
SUBMERSIBLE PLANT WITH LINEAR ELECTRIC MOTOR AND DOUBLE-ACTING PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к погружным установкам для добычи нефти из малодебитных скважин.
Из предшествующего уровня техники известна погружная насосная установка, содержащая линейный электродвигатель и насос двойного действия, рабочий орган которого выполнен в виде поршня и механически связан с бегуном [См., например, патент США №7445435, класс F04B 47/14, от 04.11.2008 г.].
В известном решении в погружной установке усилие, развиваемое электродвигателем при прямом ходе, в 2 раза превышает усилие при обратном ходе, что требует увеличенной установленной мощности электродвигателя и наземного оборудования. Такое решение имеет низкую энергоэффекитвность.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является погружная насосная установка, содержащая линейный электродвигатель, включающий в себя корпус, внутри которого размещены неподвижный герметичный статор и расположенный внутри него бегун, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси статора, и насос двойного действия, рабочие органы которого выполнены в виде поршней и механически связаны с бегуном, при этом поршни, неподвижные цилиндры и клапанные коробки расположены по обе стороны электродвигателя, образуя нижнюю и верхнюю части насоса, а рабочие камеры насоса связаны с внешней средой и выходной магистралью через всасывающие и нагнетательные клапаны соответственно [См., например, RU № 2422676 C2, класс F04B 47/06, опубл. 27.06.2011].
Однако в указанном прототипе погружная установка имеет увеличенные габариты, в том числе диаметр, поскольку ее внешний корпус должен быть рассчитан на полное давление столба жидкости. При напоре насоса 2500-3000 метров толщина стенки дополнительного корпуса составляет не менее 5 мм.
Настоящее изобретения направлено на уменьшение габаритов установки при сохранении ее выходных параметров.
Указанный технический результат достигается тем, что погружная насосная установка, содержащая линейный электродвигатель, включающий в себя корпус, внутри которого размещены неподвижный герметичный статор и расположенный внутри него бегун, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси статора, и насос двойного действия, рабочие органы которого выполнены в виде поршней и механически связаны с бегуном, при этом поршни, неподвижные цилиндры и клапанные коробки расположены по обе стороны электродвигателя, образуя нижнюю и верхнюю части насоса, а рабочие камеры насоса связаны с внешней средой и выходной магистралью через всасывающие и нагнетательные клапаны соответственно, согласно изобретению, бегун выполнен с центральным отверстием, поршни выполнены в виде полых цилиндров, рабочие поверхности которых установлены с возможностью контакта с рабочими поверхностями неподвижных цилиндров, причем неподвижные цилиндры верхней части насоса выполнены в виде внутреннего и внешнего по отношению к поршню цилиндров, а рабочая камера нижней части насоса связана с выходной магистралью через нагнетательный клапан и центральное отверстие в бегуне.
Кроме того, в частном случае реализации, в насосной установке неподвижные цилиндры нижней части насоса также могут быть выполнены в виде внутреннего и внешнего по отношению к поршню цилиндров, а рабочая камера нижней части насоса связана с выходной магистралью через нагнетательный клапан, размещенный в нижней клапанной коробке, и через центральное отверстие в бегуне.
Кроме того, в частном случае реализации, в насосной установке нижняя часть насоса может быть выполнена с одним только внешним неподвижным цилиндром, а нагнетательный клапан нижней части насоса размещен в верхней клапанной коробке.
Кроме того, в частном случае реализации, в насосной установке по крайне мере часть объема поршней насоса может быть размещена внутри объема бегуна электродвигателя.
3
При создании погружных установок для добычи нефти из малодебитных скважин с применением погружного линейного двигателя приходится преодолевать несколько проблем. В случае оснащения установки насосом одинарного действия, установленная мощность электродвигателя требуется почти в два раза больше, чем при использовании насоса двойного действия, в котором оба такта движения являются рабочими (при равной частоте и длине ходов поршней). Однако создать классический насос двойного действия с приводом от линейного двигателя затруднительно, поскольку требуемый диаметр штока приближается к диаметру поршня. Так, например, для установки производительностью 25 м/сут, напоре 3000 м и длине хода 1,2 м, потребный диаметр поршня составляет 28 мм, усилие на штоке составляет около 2 тонн. Для обеспечения устойчивости штока при сжатии его диаметр должен быть не менее 24 мм, то есть обратный ход поршня будет неэффективным. Известное из прототипа техническое решение позволило разрешить это противоречие за счет увеличения габаритов установки. Предложенное техническое решение свободно от этого недостатка.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически представлена конструкция установки, в которой элементы насоса размещены вне объема бегуна; на фиг. 2 - конструкция установки, в которой осуществлено функционально-конструктивное объединение элементов линейного электродвигателя и насоса; на фиг. 3 - конструкция установки, предназначенной для работы в пластовой жидкости с малым содержанием газа.
Осуществление изобретения.
Установка содержит погружной линейный электродвигатель, статор с обмоткой якоря которого герметизирован, например, корпусом 1, гильзой 2 и торцевыми элементами 3. Расположенный внутри статора бегун 4 содержит закрепленную на основании 5 активную часть 6, например, с постоянными магнитами. В случае использования двигателя асинхронного типа активная часть будет представлять собой магнитопровод с расположенной в нем короткозамкнутой обмоткой. Бегун выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси статора. Полость 7 электродвигателя может быть связана с внешней средой, например, через фильтры 8 в корпусе, фильтры 9 в торцевых щитах 10 и отверстия 11, 12 в корпусе. От попадания механических примесей полость электродвигателя защищена, например, уплотнениями 13 на торцевых щитах 10, плотно соединенных с корпусом 1.
Рабочие органы насоса - поршни 14 и 15 выполнены в виде полых цилиндров. Они расположены по обе стороны электродвигателя и механически связаны с бегуном 4. Рабочие поверхности поршней 14 и 15 установлены с возможностью контакта с рабочими поверхностями неподвижных цилиндров. В реальной конструкции поршни могут быть выполнены в виде полых штоков, на концах которых размещены элементы уплотнения.
Неподвижные цилиндры верхней части насоса выполнены в виде внешнего 16 и внутреннего 18 по отношению к поршню полых цилиндров, например, круглого постоянного сечения. Поршень 14, неподвижные цилиндры 16, 18 и клапанная коробка 20 образуют верхнюю часть насоса, механически и функционально связанную с выходной магистралью (насосно-компрессорной трубой) 21.
В случае если пластовая жидкость содержит значительное количество газа, неподвижные цилиндры нижней части насоса также могут быть выполнены в виде внешнего 17 и внутреннего 19 по отношению к поршню полых цилиндров, например, круглого постоянного сечения. Поршень 15, неподвижные цилиндры 17, 19 и клапанная коробка 22 образуют нижнюю часть насоса. Через всасывающий клапан 23 рабочая камера верхней части насоса связана с внешней средой, а через нагнетательный клапан 24 - с выходной магистралью. Через всасывающий клапан 25 рабочая камера нижней части насоса связана с внешней средой, а через нагнетательный клапан 26 и центральное отверстие в бегуне 4 - с выходной магистралью. Такое выполнение установки позволяет уменьшить ее диаметр и длину.
С целью уменьшения длины установки поршни либо частично, либо полностью могут быть размещены внутри объема бегуна электродвигателя.
Установка на фиг. 2 отличается от установки на фиг. 1 только тем, что часть объема поршней насоса размещена внутри объема бегуна электродвигателя и за счет этого решения уменьшены габаритные размеры установки в целом. Радиальный зазор между основанием 5 бегуна и наружной поверхностью внешних цилиндров 16 и 17 насоса целесообразно иметь равным не менее половины толщины внешних цилиндров во избежание больших гидродинамических потерь.
В установке, изображенной на фиг. 3, внутренний неподвижный цилиндр нижней части насоса отсутствует, а нагнетательный клапан 26 размещен в верхней клапанной коробке. Такая же конструкция может быть использована в установке с размещением элементов насоса вне объема бегуна, т.е. установке, представленной на фиг. 1. Конструкция насоса при этом несколько упрощается, однако появляется опасность появления газовой пробки в отверстии, связывающем рабочую камеру нижней части насоса с выходной магистралью (в реальном устройстве длина отверстия составляет несколько метров). Поэтому такая конструкция может применяться только на месторождениях с малым содержанием газа в пластовой жидкости.
Работа погружной установки с линейным электродвигателем и насосом двойного действия происходит следующим образом.
При движении бегуна 4 вверх жидкость из рабочей камеры верхней части насоса вытесняется поршнем 14 через нагнетательный клапан 24 в выходную магистраль. Клапаны 23 и 26 закрыты давлением жидкости. Одновременно через всасывающий клапан 25 пластовая жидкость поступает в рабочую камеру нижней части насоса. При движении бегуна вниз жидкость из рабочей камеры нижней части насоса вытесняется поршнем 15 через нагнетательный клапан 26 в выходную магистраль. Клапаны 25 и 24 закрыты давлением жидкости. Одновременно через всасывающий клапан 23 пластовая жидкость поступает в рабочую камеру верхней части насоса. В дальнейшем циклы повторяются.