ПОГРУЖНАЯ СТРИКЦИОННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
SUBMERSIBLE STRICTION PUMPING PLANT

Область техники
Предложенное изобретение относится к устройствам для перекачивания текучих сред и может быть использовано в промышленности при откачивании жидкостей из скважин. Это требуется, например, при насосной добыче нефти, а также при удалении воды из скважин, используемых для дегазации угольных пластов.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известна погружная стрикционная насосная установка, состоящая из расположенных последовательно вдоль воображаемой продольной оси в направлении спереди назад насоса плунжерного типа, расположенного в насосной части единого корпуса, протектора сильфонного трубчатого типа, расположенного в протекторной части единого корпуса, стрикционного двигателя линейного шагового типа, расположенного в двигательной части единого корпуса, компенсатора сильфонного трубчатого типа, расположенного в компенсаторной части единого корпуса (см. патент РФ № 2603233, кл. МПК F04B 17/03, опубликованный 27.11.2016).
Указанный насос плунжерного типа выполнен с возможностью подачи перекачиваемой жидкости в переднее отверстие насосной части единого корпуса. В заднем отверстии насосной части единого корпуса вдоль воображаемой продольной оси расположен плунжер. Плунжер выполнен с возможностью поступательного движения вдоль воображаемой продольной оси, переднее отверстие протектора герметично закрыто задней частью плунжера. Задняя часть плунжера соединена с передней частью штока, протектор по периметру своего заднего отверстия герметично соединен с протекторной частью единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия.
В состав стрикционного двигателя указанной насосной установки входит бегун, который, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных задней распорной секции, ходовой секции, передней распорной секции. В задней распорной секции, в ходовой секции и в передней распорной секции бегуна расположены стрикционные актуаторы. Бегун расположен внутри стрикционного двигателя и соединен с задней
частью штока. Бегун выполнен с возможностью поступательного движения внутри корпуса стрикционного двигателя вдоль воображаемой продольной оси.
Компенсатор в указанной насосной установке по периметру своего переднего отверстия герметично соединен с компенсаторной частью единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия. Заднее отверстие компенсатора герметично закрыто крышкой, полость, образованная внутренними объемами протектора, стрикционного двигателя и компенсатора, наполнена охлаждающей жидкостью.
Основным недостатком данного технического решения является то, что тепло, выделяющееся в стрикционных актуаторах работающего стрикционного двигателя, рассеивается в окружающую среду - в скважинную жидкость - главным образом с наружной поверхности двигателя. Из-за незначительной площади теплоотдачи стрикционные актуаторы могут перегреваться и выходить из строя.
Таким образом, вышеприведенные технические решения не позволяют решить проблему предотвращения перегрева стрикционных актуаторов стрикционного двигателя.
Техническая задача и технический результат
Предложенное изобретение направлено на устранение вышеотмеченного недостатка и на создание насосной установки, позволяющей откачивать жидкость из скважины в благоприятном температурном режиме для стрикционных актуаторов ее двигателя.
Технический результат, достигаемый при этом, состоит в снижении вероятности ремонта из-за перегрева и выхода из строя стрикционных актуаторов двигателя погружной насосной установки в процессе откачки жидкости, и, как следствие - повышение надежности ее работы.
Сущность созданного технического решения
Данный технический результат достигается при создании стрикционной погружной насосной установки, состоящей из расположенных последовательно вдоль воображаемой продольной оси в направлении спереди назад насоса плунжерного типа, расположенного в насосной части единого корпуса, протектора сильфонного трубчатого типа, расположенного в протекторной части единого корпуса, стрикционного двигателя линейного шагового типа, расположенного в двигательной части единого корпуса, компенсатора сильфонного трубчатого типа, расположенного в компенсаторной части единого корпуса.
При этом насос плунжерного типа выполнен с возможностью подачи перекачиваемой жидкости в переднее отверстие насосной части единого корпуса. В заднем отверстии насосной части единого корпуса вдоль воображаемой продольной оси расположен плунжер. Плунжер выполнен с возможностью поступательного движения вдоль воображаемой продольной оси, переднее отверстие протектора герметично закрыто задней частью плунжера. Задняя часть плунжера также соединена с передней частью штока. Протектор по периметру своего заднего отверстия герметично соединен с протекторной частью единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия.
Внутри стрикционного двигателя насосной установки расположен бегун, который состоит из последовательно соединенных задней распорной секции, ходовой секции, передней распорной секции. В задней распорной секции, в ходовой секции и в передней распорной секции бегуна расположены стрикционные актуаторы. Бегун соединен с задней частью штока и выполнен с возможностью поступательного движения внутри двигателя вдоль воображаемой продольной оси.
Компенсатор в насосной установке по периметру своего переднего отверстия герметично соединен с компенсаторной частью единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия. Заднее отверстие компенсатора герметично закрыто крышкой. Полость, образованная внутренними объемами протектора, стрикционного двигателя и компенсатора, наполнена охлаждающей жидкостью.
В каждом стрикционном актуаторе, согласно изобретению, выполнено сквозное отверстие, имеющее первый выход и второй выход. На задней распорной секции бегуна стрикционного двигателя расположен насос охлаждения, имеющий отверстия А и Б с возможностью создания направленного потока охлаждающей жидкости от отверстия А к отверстию Б или от отверстия Б к отверстию А.
Отверстие А насоса охлаждения герметично соединено с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора задней распорной секции. Второй выход сквозного отверстия стрикционного актуатора задней распорной секции герметично соединен с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора ходовой секции.
Второй выход сквозного отверстия стрикционного актуатора ходовой секции герметично соединен с первым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора передней распорной секции. В штоке вдоль воображаемой продольной оси выполнено осевое отверстие, глухое в его передней части. Осевое отверстие штока в задней части
штока герметично соединено со вторым выходом сквозного отверстия стрикционного актуатора передней распорной секции.
В передней части штока выполнено поперечное отверстие, соединяющее сквозное отверстие штока с внутренней полостью протектора. Внутри компенсатора вдоль воображаемой продольной оси расположена трубка, закрепленная на бегуне. Эта трубка герметично соединена с отверстием Б насоса охлаждения, причем задний конец трубки открыт во внутреннюю полость компенсатора.
В качестве стрикционных актуаторов могут быть применены электрострикционные и/или пьезоэлектрические и/или магнитострикционные актуаторы.
Насос может быть дополнительно снабжен фильтром с возможностью фильтрации охлаждающей жидкости.
Краткое описание чертежей
Предложенное изобретение поясняется следующими графическими изображениями.
Фиг. 1 - общий вид погружной стрикционной насосной установки. Электрические провода не изображены.
Фиг. 2 - разрез по продольной оси насосной части единого корпуса погружной стрикционной насосной установки.
Фиг. 3 - разрез по продольной оси передней половины протекторной части единого корпуса. Электрические провода не изображены.
Фиг. 4 - разрез по продольной оси задней половины протекторной части единого корпуса. Электрические провода не изображены.
Фиг. 5 - бегун стрикционного двигателя с пьезоактуаторами в качестве стрикционных актуаторов. Электрические провода не изображены.
Фиг. 6 - разрез по продольной оси двигательной части единого корпуса с пьезоактуаторами в качестве стрикционных актуаторов. Оси сквозных отверстий актуаторов распорных секций расположены в плоскости разреза. Электрические провода не изображены.
Фиг. 7 - разрез по продольной оси двигательной части единого корпуса с пьезоактуаторами в качестве стрикционных актуаторов. Оси сквозных отверстий
актуаторов распорных секций расположены перпендикулярно плоскости разреза. Электрические провода не изображены.
Фиг. 8 - разрез по продольной оси компенсаторной части единого корпуса.
Подробное описание технического решения
Погружная стрикционная насосная установка изображена на Фиг. 1. В ее состав входят насосная часть 1 единого корпуса, ограниченная спереди концевой деталью насосной части 2, передняя половина протекторной части 3 и задняя половина протекторной части 4 единого корпуса, жестко соединенные концевой деталью протекторной части 5, двигательная часть единого корпуса 6, ограниченная передней 7 и задней 8 концевыми деталями, а также компенсаторная часть 9 единого корпуса.
В передней части насоса плунжерного типа, расположенного в насосной части 1 единого корпуса погружной стрикционной насосной установки (Фиг. 2) находится концевая деталь 2. В ее сквозном отверстии закреплен нагнетательный клапан 10, а в ее заднем отверстии - цилиндр 11. В заднем отверстии насосной части 1 единого корпуса вдоль воображаемой продольной оси 12 расположен плунжер 13, имеющий сквозное осевое отверстие. Плунжер 13 выполнен с возможностью поступательного движения вдоль воображаемой продольной оси 12. На переднем конце плунжера 13 закреплен всасывающий клапан 14.
Протектор сильфонного трубчатого типа 15 расположен в передней 3 протекторной части (Фиг. 3) единого корпуса. Он защищен от повреждений корпусной деталью, входящей в состав протекторной части единого корпуса - трубой протектора 16, в которой выполнены отверстия 17 для прохода пластовой жидкости. Переднее отверстие сильфонного протектора 15 герметично закрыто задней частью плунжера 13. Внутри протектора 15 вдоль воображаемой продольной оси 12 расположен шток, его передняя секция помечена позицией 18. Задняя часть плунжера 13 соединена с передней секцией 18 штока, с его передней частью. Протектор 15 по периметру своего заднего отверстия герметично соединен с протекторной частью единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия, а именно - с передней частью концевой детали 4, соединяющей переднюю 3 и заднюю 4 протекторные части единого корпуса. В передней секции 18 штока выполнены поперечные отверстия 19, соединяющие осевое отверстие штока с внутренней полостью протектора 15. В задней части плунжера 13 выполнено поперечное
отверстие 20, соединяющее его внутреннее осевое отверстие с внутренним пространством трубы протектора 16 и используемое для входа пластовой жидкости.
Заднюю протекторную часть 4 единого корпуса (Фиг. 4) образует труба токоподвода 22, являющаяся частью единого корпуса. Труба токоподвода 22 закреплена на концевой детали протекторной части 5. Внутри концевой детали протекторной части 5 и трубы токоподвода 22 расположены передняя секция 18 и задняя секция 23 штока. Задняя секция 23 штока представляет собой трубу, она соосно и герметично соединена с передней секцией 18 штока. Внутри трубы токоподвода 22 расположен гибкий U-образный кабель-канал 24. Один конец кабель-канала 24 закреплен на концевой детали протекторной части 5, другой конец - на штоке. Также на штоке закреплены держатели 25 и герметизированный кабельный ввод 26. В трубе токоподвода 22 расположен кабель с силовыми и сигнальными жилами (не изображен на Фиг. 4), уложенный в кабель-канал 24. Кабель-канал входит внутрь трубы токоподвода 22 через герметизированные кабельные вводы 27 в концевой детали протекторной части 5. Кабель фиксирован в держателях 25, закрепленных на штоке. Кабель входит внутрь штока через герметизированный кабельный ввод 26 задней секции 23 штока.
В состав стрикционного двигателя линейного шагового типа насосной установки входит бегун 28 (Фиг. 5), который, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных задней распорной секции 29, ходовой секции 30, передней распорной секции 31. В задней распорной секции 29, в ходовой секции 30 и в передней распорной секции 31 бегуна 28 расположены стрикционные актуаторы. На фиг. 5 изображены стрикционные актуаторы пьезоэлектрического типа 32.
Бегун 28 расположен внутри двигателя и соединен с задней секцией 23 штока при помощи соединительной детали 34 (Фиг. 6 и 7). Распорные секции 29 и 31 двигателя выполнены с возможностью упираться своими гранями в параллельные этим граням пластины трения 35 и 36 (Фиг. 6). Пластины трения 35 и 36 жестко соединены со щеками 41 и 42 (Фиг. 7) и вместе с соединенными с ними по торцам передней и задней концевыми деталями 7 и 8 (Фиг. 6 и 7) образуют двигательную часть 6 единого корпуса.
Распорные секции 29 и 31 стянуты между собой в единый узел - бегун 28 - шпилькой 37 с гайками 38 и 39 на ее концах. Бегун 28 выполнен с возможностью поступательного движения внутри двигателя вдоль воображаемой продольной оси 12.
В каждом стрикционном актуаторе 32, согласно изобретению, выполнено сквозное отверстие 43, имеющее первый выход 44 и второй выход 45. На задней распорной секции 29 бегуна 28 стрикционного двигателя расположен насос охлаждения 46, имеющий отверстия А и Б с возможностью создания направленного потока охлаждающей жидкости от отверстия А к отверстию Б. Возможен вариант исполнения устройства, в котором насос охлаждения имеет возможность создания направленного потока охлаждающей жидкости от отверстия Б к отверстию А.
Отверстие А насоса охлаждения 46 герметично соединено каналом 47 с первыми выходами 44 сквозных отверстий 43 стрикционных актуаторов 32 задней распорной секции 29. Вторые выходы 45 сквозных отверстий 44 стрикционных актуаторов 32 задней распорной секции 29 герметично соединены каналом 48 с первым выходом 44 сквозного отверстия 43 стрикционного актуатора 32 ходовой секции 30.
Второй выход 45 сквозного отверстия 43 стрикционного актуатора 32 ходовой секции 30 герметично соединен каналом 49 с первыми выходами 44 сквозных отверстий 43 стрикционных актуаторов 32 передней распорной секции 31.
Осевое отверстие штока в задней секции 23 штока герметично соединено со вторыми выходами 45 сквозных отверстий 43 стрикционных актуаторов 32 передней распорной секции 31 при помощи канала 50 и отверстий в соединительной детали 34.
Компенсатор 51 в насосной установке по периметру своего переднего отверстия герметично соединен с задней концевой деталью 8 двигательной части 6 единого корпуса. Концевая деталь 8 закреплена в защитной трубе 52 компенсаторной части 9 единого корпуса по периметру ее внутреннего отверстия. Заднее отверстие компенсатора 51 герметично закрыто крышкой 53.
Внутри компенсатора 51 вдоль воображаемой продольной оси 12 расположена трубка 54, закрепленная на бегуне 28. Эта трубка герметично соединена с отверстием Б насоса охлаждения 46, причем задний конец трубки 54 открыт во внутреннюю полость компенсатора 51. Полость, образованная внутренними объемами протектора 15, стрикционного двигателя и компенсатора 51, наполнена охлаждающей жидкостью.
В качестве стрикционных актуаторов 32 могут быть применены электрострикционные и/или пьезоэлектрические и/или магнитострикционные актуаторы.
Насос охлаждения 46 может быть дополнительно снабжен фильтром, выполненным с возможностью фильтрации охлаждающей жидкости.
Устройство работает следующим образом. На стрикционные актуаторы 32 по кабелю (не изображен на чертежах) подают изменяющееся во времени электрическое напряжение.
Плунжер 13 погружной стрикционной насосной установки при нагнетании и при всасывании перемещают вдоль воображаемой продольной оси повторяющимися мелкими шагами. При нагнетании в течение одного шага существует 6 фаз. В первой фазе растормаживают в двигателе переднюю распорную секцию 31, отключив электрическое напряжение от ее стрикционных актуаторов 32. Соответствующие грани распорной секции 31 перестают давить на пластины трения 35 и 36. При этом становится возможным осуществлять перемещение распорной секции 31 и переднего конца ходовой стрикционной секции 30 вдоль воображаемой оси 12.
Заднюю распорную секцию 29 затормаживают в двигателе, если она не была заторможена, подключив электрическое напряжение к ее стрикционным актуаторам 32. При этом соответствующие грани распорной секции 29 начинают давить на пластины трения 35 и 36, блокируя возможное перемещение заднего конца ходовой стрикционной секции 30.
Во второй фазе подключают ходовую стрикционную секцию 30 к источнику электрического напряжения. Вследствие этого ее стрикционный актуатор 32 увеличивает свою длину, передний конец ходовой стрикционной секции 30, а вместе с ним и передняя распорная секция 31 перемещаются на небольшое расстояние вперед. Вместе с передней распорной секцией 31 вперед перемещаются также задняя секция 23 и передняя секция 18 штока, а также соединенный со штоком плунжер 13.
Всасывающий клапан 14 при таком движении закрыт, обеспечивая нагнетание через открытый нагнетательный клапан 10 и концевую деталь 2 пластовой жидкости из объема, заключенного в цилиндре 11 между нагнетательным клапаном 10 и всасывающим клапаном 14.
Протектор 15 при этом слегка удлиняется, его гофры раздвигаются друг относительно друга в осевом направлении на периферии, и в увеличившиеся зазоры между ними устремляется пластовая жидкость из скважины через отверстия 17 в трубе протектора 16. Такое движение пластовой жидкости приводит к ее нагреву вследствие теплоотдачи через тонкие мембраны протектора 15 от нагретой охлаждающей жидкости,
заполняющей внутреннее пространство протектора 15 и двигатель. Протектор 15 играет роль теплообменника.
Компенсатор 51 при этом слегка сжимается в длине, поскольку минимальный объем охлаждающей жидкости требуется для компенсации увеличившегося объема внутренней полости удлинившегося протектора 15. Из внутренней полости компенсатора 51 во внутреннюю полость двигателя, а затем и во внутреннюю полость протектора 15 перетекает минимальный объем охлаждающей жидкости. Гофры компенсатора 51 при этом сдвигаются в осевом направлении в периферийной части, и из уменьшившихся зазоров между их наружными поверхностями пластовая жидкость устремляется в скважину через отверстия 55 и заднее отверстие трубы компенсатора 52. Такое движение пластовой жидкости приводит к отводу тепла вследствие теплоотдачи через тонкие мембраны компенсатора 51 от нагретой охлаждающей жидкости, заполняющей внутреннее пространство компенсатора 51 и двигатель. Компенсатор 51 играет роль теплообменника.
В третьей фазе затормаживают в двигателе переднюю распорную секцию 31, подключив электрическое напряжение к ее стрикционным актуаторам 32. При этом соответствующие грани распорной секции 31 начинают давить на пластины трения 35 и 36 и блокируется возможное перемещение переднего конца ходовой стрикционной секции 30.
В четвертой фазе растормаживают в двигателе распорную секцию 29, отключив электрическое напряжение от ее стрикционных актуаторов 32. При этом соответствующие грани распорной секции 29 перестают давить на пластины трения 35 и 36. Становится возможным осуществлять перемещение распорной секции 29 и заднего конца ходовой стрикционной секции 30 вдоль воображаемой оси 12.
В пятой фазе отключают ходовую стрикционную секцию 30 от источника электрического напряжения. Вследствие этого ее стрикционный актуатор 32 уменьшает свою длину, задний конец ходовой стрикционной секции 30, а вместе с ним и задняя распорная секция 29, перемещаются на небольшое расстояние вперед. Вместе с задней распорной секцией 29 вперед перемещаются также насос охлаждения 46 и трубка 54.
В шестой фазе затормаживают в двигателе заднюю распорную секцию 29, подключив электрическое напряжение к ее стрикционным актуаторам 32. При этом соответствующие грани распорной секции 29 начинают давить на пластины трения 35 и 36 и блокируется перемещение заднего конца ходовой стрикционной секции 30.
Шаги с первого по шестой повторяют до достижения плунжером 13 крайнего переднего положения в цилиндре 11, то есть до упора в концевую деталь 2. После этого
наступает всасывание. При всасывании в течение одного шага также существует 6 фаз. Они идентичны фазам нагнетания. Отличие состоит лишь в том, что электрическое напряжение, которое подавали при нагнетании на переднюю распорную секцию 31, при всасывании подают на заднюю распорную секцию 29. А электрическое напряжение, которое подавали при нагнетании на заднюю распорную секцию 29, при всасывании подают на переднюю распорную секцию 31.
При всасывании передний конец ходовой стрикционной секции 30, а вместе с ним и передняя распорная секция 31, пошагово перемещаются на небольшое расстояние назад. Вместе с передней распорной секцией 31 назад перемещаются также задняя секция 23 и передняя секция 18 штока, а также соединенный со штоком плунжер 13.
Всасывающий клапан 14 при таком движении открыт, обеспечивая поступление пластовой жидкости в цилиндр 11 между нагнетательным клапаном 10 и всасывающим клапаном 14. Нагнетательный клапан 10 при этом закрыт. Гофры сильфона протектора 15 при этом пошагово сдвигаются в осевом направлении на периферии, а гофры сильфона компенсатора 51 аналогичным образом пошагово раздвигаются.
За счет работы насоса охлаждения 46 охлаждающая жидкость из внутреннего объема сильфонного компенсатора 15 через отверстия 19 поступает в осевое отверстие передней секции 18 штока. Далее охлаждающая жидкость поступает в осевое отверстие задней секции 23 штока, а по сверлениям в детали 34 - в канал 50 в передней распорной секции 31.
Из канала 50 охлаждающая жидкость проходит по сквозным отверстиям 43 всех стрикционных актуаторов 32 передней распорной секции 31, отбирая излишки тепла с них и нагреваясь при этом. По каналу 49 охлаждающая жидкость поступает в кольцевой зазор между шпилькой 37 внутри ходовой секции 30 и сквозным отверстием 43 его стрикционного актуатора 32. Протекая по этому зазору, она охлаждает актуатор 32, нагреваясь при этом. После выхода из кольцевого зазора в ходовой секции 30 охлаждающая жидкость поступает по каналу 48 в сквозные отверстия 43 всех стрикционных актуаторов 32 задней распорной секции 29, отбирая излишки тепла с них и нагреваясь при этом. По каналу 47 нагретая в стрикционных актуаторах 32 бегуна 28 охлаждающая жидкость поступает в насос охлаждения 46, а из него - в трубку 54 и в заднюю часть внутренней полости сильфонного компенсатора 51.
Движение охлаждающей жидкости далее направлено вперед, по внутренней полости компенсатора 51 вдоль трубки 54 в двигатель. Внутри двигателя охлаждающая жидкость снимает тепло с наружных поверхностей стрикционных актуаторов 32 и частично отдает тепло пластинам трения 35, 36 и щекам 41, 42, которые, в свою очередь,
снаружи омываются пластовой жидкостью. Далее охлаждающая жидкость следует вперед по внутренней полости протектора 15 вдоль штока к отверстиям 19.
Движение плунжера 13 в цилиндре 11 сопровождается периодическим сдвиганием и раздвиганием гофр сильфонов протектора 15 и компенсатора 51. Это способствует теплообмену между пластовой жидкостью, омывающей наружные поверхности сильфонов компенсатора 51 и протектора 15, и охлаждающей жидкостью, омывающей внутренние поверхности указанных сильфонов.
Устройство, описанное в данной заявке, применимо в промышленности при откачке пластовой жидкости из скважин. Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, раскрытое изобретение следует считать ограниченным по объему правовой охраны только нижеследующей формулой изобретения.