ПОГРУЖНОЙ СКВАЖИННЫЙ ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
DOWNHOLE DIAPHRAGM OIL EXTRACTION PUMPING UNIT

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в объемных насосных установках преимущественно для добычи нефти из скважин.
Известен погружной скважинный диафрагменный насосный агрегат для добычи нефти, описанный, в частности, в авторском свидетельстве SU 1397623 А1, 23.05.1988, патенте RU 2328588 С2, 10.07.2008 и др., состоящий из погружного электродвигателя и насоса, включающего в себя корпус, две рабочие камеры, в каждой из которых расположена рабочая цилиндрическая диафрагма, ориентированная вдоль оси корпуса и расположенных соосно (SU 1397623) или параллельно (RU 2328588) друг другу. Рабочая диафрагма разделяет соответствующую рабочую камеру на задиафрагменную полость и внутридиафрагменную полость, гидравлически соединенную с впускным и выпускным отверстиями для перекачиваемой жидкости, в которых расположены всасывающий и нагнетательный клапаны, соответственно. Насос включает в себя роторный объемный насос и золотниковый реверсивный гидрораспределитель, при этом вал насоса кинематически связан с золотником гидрораспределителя с возможностью перемещения золотника между первым и вторым рабочим положением. Золотник выполнен с возможностью гидравлического соединения в первом рабочем положении задиафрагменной полости первой рабочей камеры с выходом роторного объемного насоса и задиафрагменной полости второй рабочей камеры с входом роторного объемного насоса, а также обратного соединения задиафрагменных полостей рабочих камер с входом и выходом насоса во втором рабочем положении.
Основным недостатком описанного аналога является невозможность эксплуатации насоса с цилиндрическими (трубчатыми) диафрагмами при глубине спуска насосного агрегата, превышающей 1,5-2 км. Вследствие большой площади контакта диафрагмы с перекачиваемой нефтеводогазовой смесью и относительно небольшой толщины стенки диафрагмы происходит постепенная диффузия свободного газа во внутридиафрагменную полость. Накопление газа во внутридиафрагменных полостях насоса приводит к фактической потере его функциональности. Кроме того, диафрагмы описанного типа отличаются относительно небольшой механической прочностью, что существенно снижает надежность и долговечность насоса при большой глубине спуска насоса (1,5-2 км и более) и, соответственно, высоком давлении в рабочей камере.
Известен погружной скважинный диафрагменный насосный агрегат для добычи нефти, описанный, в частности, в авторских свидетельствах SU 1562523 А1, 07.05.1990 и патенте SU 1562524 А1, 07.05.1990 и др., состоящий из погружного электродвигателя и насоса, включающего в себя корпус, головку, в которой выполнено впускные и выпускные отверстия для перекачиваемой жидкости с расположенными в них всасывающим и нагнетательным клапанами, соответственно, две рабочие камеры, в каждой из которых расположена рабочая диафрагма тарельчатого типа. Рабочая диафрагма разделяет соответствующую рабочую камеру на задиафрагменную полость и внутридиафрагменную полость, соединенную посредством трубопровода с головкой и соответствующими впускным и выпускным отверстиями. Насос включает в себя роторный объемный насос и реверсивный гидрораспределитель золотникового (SU 1562523) или клапанного (SU 1562524) типа. Вал насоса кинематически связан с валом гидрораспределителя с возможностью переключения распределителя между первым и вторым рабочим положением. Распределитель выполнен с возможностью гидравлического соединения в первом рабочем положении задиафрагменной полости первой рабочей камеры с выходом роторного объемного насоса и задиафрагменной полости второй рабочей камеры с входом роторного объемного насоса, а также обратного соединения задиафрагменных полостей рабочих камер с входом и выходом насоса во втором рабочем положении.
Рабочая диафрагма тарельчатого типа имеет существенную большую толщину, вследствие чего интенсивного проникновения газа в поддиафрагменную полость не происходит, при этом основным недостатком описанного аналога является сложность размещения двух рабочих камер с тарельчатыми диафрагмами и трубопроводной арматуры для соединения рабочих камер с объемным насосом и головкой, в корпусе насоса, предназначенного для эксплуатации в скважинах габарита 5А и меньше (внешний диаметр корпуса насос 103 мм и меньше).
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков (прототипом) является погружной скважинный диафрагменный насосный агрегат для добычи нефти, описанный в авторских свидетельствах SU 468034 А, 15.04.1975, SU 544768 А, 28.02.1977 SU 659786 A, 30.04.1979, SU 765518 A, 27.09.1980, SU 1700280 A1, 23.12.1991 и SU 1831017 A1, 20.12.1995, состоящий из погружного электродвигателя и насоса, включающего в себя корпус, головку, в которой выполнено впускное и выпускное отверстия для перекачиваемой жидкости с расположенными в них, соответственно, всасывающим и нагнетательным клапанами насоса. Насос включает в себя также рабочую камеру, в которой расположена рабочая диафрагма тарельчатого типа, разделяющая рабочую камеру на поддиафрагменную полость и наддиафрагменную полость, гидравлически соединенную с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями, плунжерную приводную камеру, которая разделена на подплунжерную и надплунжерную полость герметичной перегородкой, в отверстии которой установлен плунжер с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Надплунжерная полость плунжерной приводной камеры гидравлически связана с поддиафрагменной полостью рабочей камеры, а плунжер подпружинен в направлении подплунжерной полости. Вал насоса посредством конической зубчатой передачи кинематически связан с кулачковым валом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения плунжера при вращении. Таким образом в принятой за прототип конструкции используется одна рабочая диафрагма тарельчатого типа с гидромеханическим приводом.
Основным недостатком прототипа является недостаточная надежность и долговечность механической части привода диафрагмы при больших нагрузках, связанных с высоким давлением в рабочей камере, т.е. при большой глубине спуска насоса (1,5-2 км и более). Максимальное давление масла, создаваемое плунжером, ограничено прочностью привода (зубчатая передача, подшипники, кулачок), а увеличение прочности привода за счет увеличения его размеров ограничено габаритом насоса.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании погружного скважинного диафрагменного насосного агрегата для добычи нефти габаритной группы 5А и менее, пригодного для эксплуатации при глубине спуска насосного агрегата более 1,5 км.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении надежности и долговечности насоса при большой глубине спуска насосного агрегата, в том числе в скважинах с высоким газовым фактором, при одновременном уменьшении диаметрального габарита насоса.
Погружной скважинный диафрагменный насосный агрегат для добычи нефти, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, состоит из погружного электродвигателя и насоса, включающего в себя корпус с головкой, в которой выполнено впускное и выпускное отверстия для перекачиваемой жидкости с расположенными в них, соответственно, всасывающим и нагнетательным клапанами насоса, рабочую камеру, в которой расположена рабочая диафрагма тарельчатого типа, разделяющая рабочую камеру на заполненную рабочей жидкостью поддиафрагменную полость и наддиафрагменную полость, гидравлически соединенную с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями насоса. Насос включает в себя также плунжерную приводную камеру, которая заполнена рабочей жидкостью и разделена на подплунжерную и надплунжерную полость герметичной перегородкой, в отверстии которой установлен плунжер с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом надплунжерная полость плунжерной приводной камеры гидравлически связана с поддиафрагменной полостью рабочей камеры, а плунжер подпружинен в направлении подплунжерной полости. При этом в отличии от прототипа насос включает в себя систему гидропривода плунжера, содержащую размещенные в полости корпуса гидравлический роторный объемный насос, кинематически связанный с валом электродвигателя, и золотниковый реверсивный гидрораспределитель. Насос включает в себя также компенсирующую камеру, в которой расположена компенсирующая цилиндрическая диафрагма, ориентированная вдоль оси корпуса. Компенсирующая диафрагма образует задиафрагменную полость, связанную каналом в стенке корпуса с затрубным пространством, и поддиафрагменную полость, которая гидравлически связана со входом роторного объемного насоса. Вход гидрораспределителя гидравлически соединен в выходом упомянутого роторного объемного насоса, напорная линия гидрораспределителя гидравлически соединена с подплунжерной полостью плунжерной приводной камеры посредством трубопровода, проходящего через поддиафрагменную полость компенсирующей камеры, а выход гидрораспределителя гидравлически соединен с поддиафрагменной полостью компенсирующей камеры. Вал роторного объемного насоса кинематически связан с золотником гидрораспределителя с возможностью перемещения золотника между первым и вторым рабочим положением, при этом золотник выполнен с возможностью гидравлического соединения входа и напорной линии гидрораспределителя в первом рабочем положении, а также с возможностью гидравлического соединения напорной линии с выходом гидрораспределителя во втором рабочем положении.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, вал насоса кинематически связан с золотником гидрораспределителя посредством редуктора и наклонной шайбы, ось вращения которой расположена параллельно оси золотника со смещением относительно нее, таким образом, что при вращении шайбы обеспечивается смещение золотника во второе рабочее положение, при этом механизм привода золотника также включает в себя ролик, установленный на конце золотника, контактирующем с наклонной шайбой, и пружину для возврата золотника в первое рабочее положение.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, в корпусе образована накопительная камера для рабочей жидкости, которая гидравлически связана с поддиафрагменной полостью компенсирующей камеры и входом роторного объемного насоса.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, в надплунжерной полости плунжерной приводной камеры установлена цилиндрическая пружина, опирающаяся одним концом в соответствующий торец плунжера, а вторым концом в корпус.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, рабочая жидкость представляет собой масло.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, вход гидрораспределителя соединен с выходом роторного объемного насоса посредством трубопровода.
Гидропривод плунжера обеспечивает большую надежность и долговечность по сравнению с гидромеханическим приводом, описанным в прототипе.
Наличие компенсирующей камеры обеспечивает возможность возврата плунжера (рабочей диафрагмы) на обратном ходе цикла работы насоса, при этом в указанной камере не создается рабочее давление, равное столбу жидкости над насосом, т.к. жидкость свободно вытесняется из подплунжерной полости в поддиафрагменную полость компенсирующей камеры, растягивая диафрагму и вытесняя пластовую жидкость из задиафрагменной полости в затрубное пространство. Давление в поддиафрагменной полости при этом будет равно давлению в затрубном пространстве, т.е. фактически давлению столба пластовой жидкости над приемом насоса, которое имеет сравнительно небольшую величину. Таким образом, стенка компенсирующей диафрагмы не оказывается под воздействием пластовой жидкости, находящейся под высоким давлением независимо от глубины спуска насоса. В результате не происходит интенсивного проникновения газа через стенку диафрагмы, кроме того, снижается износ диафрагмы на сгибах и зонах крепления к корпусу насоса.
Компенсирующая диафрагма цилиндрического (трубчатого) типа ориентирована вдоль оси насоса, а трубопровод, связывающий гидрораспределитель с подплунжерной полостью плунжерной (приводной) камеры, проложен через поддиафрагменную полость компенсирующей камеры, что обеспечивает возможность снижения диаметрального габарита насоса.
Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции и действия погружного скважинного диафрагменного насосного агрегата для добычи нефти, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, сопровождаемым чертежом на котором изображена принципиальная схема насосного агрегата.
Погружной скважинный диафрагменный насосный агрегат 1 для добычи нефти состоит из погружного электродвигателя 2 и насоса 3. Насос включает в себя корпус 4 с головкой 5, в которой выполнено впускное 6 и выпускное 7 отверстия для перекачиваемой жидкости с расположенными в них, соответственно, всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапанами насоса. Нагнетательный клапан расположен продольно оси насоса, а всасывающий клапан расположен под углом к продольной оси насоса. Клапаны 8 и 9 представляют собой шариковые обратные клапаны, выполненные в виде седла и шарового запорного элемента, подпружиненного в направлении указанного седла.
В корпусе образована рабочая камера 10, в которой расположена рабочая диафрагма 11 тарельчатого типа, разделяющая рабочую камеру на наддиафрагменную 10а и поддиафрагменную 10b полости. Наддиафрагменная полость 10а гидравлически соединена с полостью головки 5 насоса и, соответственно, с упомянутыми впускным и выпускным отверстиями 6 и 7. Поддиафрагменная полость 10b заполнена рабочей жидкостью, которая представляет собой масло. Насос 3 включает в себя также плунжерную приводную камеру 12, которая заполнена рабочей жидкостью и разделена на надплунжерную 12а и подплунжерную 12b полости герметичной перегородкой 13, в отверстии которой установлен плунжер 14 с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Надплунжерная полость 12а гидравлически связана с поддиафрагменной полостью 10b рабочей камеры, при этом плунжер подпружинен в направлении подплунжерной полости с помощью цилиндрической пружины 15, установленной в надплунжерной полости камеры 12 и опирающейся одним концом в соответствующий торец плунжера 14, а вторым концом в жестко соединенный с корпусом упор 16.
Насос снабжен системой гидропривода плунжера 14, которая включает в себя размещенные в полости корпуса гидравлический роторный объемный насос 17 и золотниковый реверсивный гидрораспределитель 18, а также компенсирующую камеру 19, в которой расположена компенсирующая цилиндрическая диафрагма 20. Диафрагма 20 ориентирована вдоль оси корпуса и образует задиафрагменную полость 19а компенсирующей камеры, связанную каналом 21 в стенке корпуса 4 с затрубным пространством, и поддиафрагменную полость 19b, которая гидравлически связана со входом роторного объемного насоса посредством канала 32.
Вход 22 золотникового реверсивного гидрораспределителя 18 посредством трубопровода 23 гидравлически соединен в выходом роторного объемного насоса 17, напорная линия 24 гидрораспределителя гидравлически соединена с подплунжерной полостью 12b плунжерной приводной камеры посредством трубопровода 25, проходящего через поддиафрагменную полость 19b компенсирующей камеры, а выход 26 гидрораспределителя гидравлически соединен с поддиафрагменной полостью 19а компенсирующей камеры. Золотник 27 гидрораспределителя 18 выполнен с возможностью гидравлического соединения входа 22 и напорной линии 24 гидрораспределителя в своем первом рабочем положении, а также с возможностью гидравлического соединения напорной линии с выходом 26 гидрораспределителя во втором рабочем положении.
Вал роторного объемного насоса 17 с одной стороны связан с валом электродвигателя 2, а с другой стороны кинематически связан с золотником гидрораспределителя посредством редуктора 28 и наклонной шайбы 29, установленной в корпусе 4 с возможностью вращения. При этом ось вращения шайбы 29 смещена относительно оси перемещения золотника 27, таким образом, что при вращении шайбы 29 обеспечивается смещение золотника 27 в осевом направлении во второе рабочее положение. Механизм привода золотника гидрораспределителя также включает в себя ролик 30, установленный на конце золотника, контактирующем с наклонной шайбой, и пружину 31 для возврата золотника в первое рабочее положение.
В корпусе образована накопительная камера 33 для рабочей жидкости, которая гидравлически связана с поддиафрагменной полостью компенсирующей камеры каналам 32, при этом забор рабочей жидкости на вход роторного объемного насоса осуществляется из полости камеры 33.
Устройство работает следующим образом.
Крутящий момент от электродвигателя 2 передается на вал роторного объемного насоса 17 и через редуктор 28 на вал наклонной шайбы 29. Под действием наклонной шайбы происходит перемещение золотника 27 гидрораспределителя вдоль оси в верхнее положение, соответствующее второму рабочему положению золотника. Рабочая жидкость (масло) от насоса 17 по трубопроводу 23 поступает на вход 22 гидрораспределителя 18, а через него в напорную линию 24, связанную трубопроводом 25 с подплунжерной полостью 12b камеры 12, и перемещает плунжер 14 в верхнее положение. Плунжер выдавливает масло из надплунжерной полости 12а в поддиафрагменную полость 10b камеры 10, в результате диафрагма 11 прогибается вверх и через напорный клапан 9 выталкивает пластовую жидкость в насосную трубу.
При дальнейшем вращении наклонной шайбы 29 золотник 27 под действием пружины 31 опускается в нижнее положение, соответствующее первому рабочему положению, и плунжер 14 под действием пружины 15 выталкивает масло из полости 12b по трубопроводу 25 через напорную линию и выход 26 гидрораспределителя в поддиафрагменную полость 19b камеры 19, преодолевая давление пластовой жидкости в задиафрагменной полости 19а, откуда она вытесняется в затрубное пространство через канал 21.
При этом рабочая диафрагма 11 прогибается вниз и пластовая жидкость через всасывающий клапан 8 поступает в наддиафрагменную полость 10а камеры 10, после чего цикл работы насоса повторяется.