СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС
DOWNHOLE ELECTRICALLY DRIVEN PLUNGER PUMP

Заявляемое изобретение относится к области гидравлических машин объемного вытеснения, в частности к погружным бесштанговым плунжерным насосам, применяемым для добычи пластовых жидкостей с больших глубин, преимущественно в нефтедобыче.
6
Известен плунжерно-диафрагменный насос (пат. № 2095628, МПК F04B 47/06), содержащий эксцентриковый привод с пружинным возвратом плунжера и резиновую плоскую диафрагму, которая разделяет рабочую камеру насоса, размещенную сверху диафрагмы, и рабочую полость привода, расположенную под диафрагмой, в рабочей камере имеются всасывающий и нагнетательный клапаны, состоящие из двух тонких самопружинящихся пластин, обложенных маслостойкой пружиной. Рабочая камера насоса представляет собой втулку с квадратным отверстием и крышкой. На поверхности втулки имеется резьба. Сбоку втулки имеется окно для прохода жидкости под всасывающий клапан насоса. На крышке рабочей камеры имеется окно для прохода жидкости под нагнетательный клапан.
При вращении вала двигателя и угловой зубчатой передачи эксцентрик вращается, и поршень, прижатый к эксцентрику пружиной, перемещается вверх и вниз. При ходе поршня вниз масло в камере будет заполнять освобождаемое поршнем пространство и диафрагма опустится (прогнется) вниз, возникающее при этом изменение объема компенсируется диафрагмой компенсатора.
При ходе поршня вверх масло надавит на диафрагму и переместит ее в верхнее положение, обеспечив в камере насоса такт нагнетания.
Камера над плоской диафрагмой образует рабочую полость диафрагменного насоса с одним всасывающим и одним нагнетательным клапанами.
При прогибе диафрагмы вниз в насосе осуществляется такт всасывания, в результате которого пластовая жидкость через открытый всасывающий клапан заполняет рабочую полость насоса. При прогибе диафрагмы вверх в насосе осуществляется такт нагнетания, в результате которого жидкость из рабочей полости насоса через нагнетательный клапан выталкивается в шламовую трубу, а затем в колонну насосно-компрессорных труб.
Таким образом, перекачиваемая пластовая жидкость соприкасается только с клапанами, диафрагмой и стенками рабочей полости насоса.
Недостатками данного насоса являются: наличие в приводе зубчатой передачи, применение кулачкового привода, что требует использования для обратного хода поршня пружины, наличие которой вызывает дополнительные энергетические затраты на ее сжатие при прямом (рабочем) ходе поршня, а также его малая производительность.
7
Наиболее близким к заявляемому является скважинный электроплунжерный насос (пат. 2177563, МПК F04B 47/06), который состоит из погружного электродвигателя, реверсивно-передаточного механизма, плунжерного насоса, спущенных на колонне насосных труб в скважину. Питание к электродвигателю поступает по кабелю. Вращение электродвигателя преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжера насоса реверсивным передаточным механизмом, состоящим из зубчатых передач, зубчатых колес, выполняющих вместе с общим шипом и шатуном роль спаренного кривошипного механизма. Колеса одинаковы, имеют до себя от вала электродвигателя равные передаточные отношения, сидят на подшипниках на раздельных осях, имеют общую ось вращения. Маслонаполненные полости электродвигателя и реверсивного передаточного механизма защищены от попадания пластовой жидкости чехлом, имеющим пружинное обжатие юбки. Изменение объема полости реверсивного передаточного механизма при возвратно-поступательном движении плунжера насоса компенсируется компенсатором. В насосе имеется пружина, выполняющая роль накопителя энергии при холостом ходе плунжера насоса.
Недостатками прототипа является наличие конструктивно усложненной системы привода вследствие наличия в приводе зубчатой передачи, большие габариты и материалоемкость кривошипно-шатунного преобразователя вращательного движения в возвратно-поступательное, а также его малая производительность.
Задачей заявляемого устройства является создание насоса, обладающего конструктивной простотой, малыми габаритами, весом, имеющего минимальные энергетические потери на трение и износ при высокой производительности.
Технический результат - повышение надежности, долговечности, производительности, снижение материалоемкости насоса, уменьшение трудоемкости при его изготовлении, а также энергетической и материальной затратности при эксплуатации и в процессе его монтажа и демонтажа.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый скважинный электроплунжерный насос содержит корпус с установленным в нем погружным электродвигателем, сообщающим через передаточный механизм возвратно-поступательное движение плунжеру, питание к электродвигателю поступает по кабелю, при этом плунжер помещен в корпус плунжера, нижняя часть которого установлена в корпус насоса, и зафиксирован в нем, а верхняя часть корпуса плунжера имеет диаметр, соответствующий диаметру нагнетательного трубопровода, и герметично соединена с ним, корпус насоса имеет диаметр меньше, чем диаметр трубы, помещен в защитный кожух с фильтром с образованием полости для перекачиваемой жидкости, для соединения плунжера с электродвигателем на его выходном валу зафиксирована втулка с продольными пазами на поверхности, которая, в свою очередь, размещена в цилиндрической полости, выполненной в нижнем торце плунжера, при этом на внутренней поверхности цилиндрической полости плунжера выполнены пазы, соответствующие пазам втулки, в этих пазах размещены шарики, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение и обеспечивающие вращение плунжера, в средней части плунжера на его поверхности выполнена одна, или более, замкнутая продольная винтовая канавка, а в корпусе плунжера напротив винтовой канавки наполовину зафиксированы шаровые толкатели, обеспечивающие кинематическую связь плунжера с его корпусом и возвратно-поступательное движение плунжера, в средней части корпуса плунжера выполнен радиальный канал, а в плунжере напротив него выполнены глухой радиальный канал и кольцевая проточка, в верхней части корпуса плунжера над плунжером выполнена нагнетательная полость, являющаяся рабочим цилиндром насоса, причем радиальный глухой канал плунжера соединен с рабочим цилиндром насоса наклонными относительно оси плунжера каналами через всасывающий клапан, при этом рабочий цилиндр насоса соединен с нагнетательной трубой трубопровода через выпускной клапан.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения получаем насос, обладающий конструктивной простотой, малыми габаритами, материалоемкостью, энергопотреблением и высокой надежностью. Это объясняется тем, что в приводе насоса используется преобразователь движения, обладающий простотой, компактностью, высоким коэффициентом полезного действия и надежностью за счет использования в кинематических парах тел вращения и отсутствия радиальных усилий в плунжерной паре (давления на стенку цилиндра). Кроме этого, наличие у плунжера помимо возвратно-поступательного движения вращательного и использование центробежных сил (давления), возникающих вследствие этого движения, обеспечивает более интенсивное заполнение цилиндра перекачиваемой средой на такте всасывания, а следовательно, повышение производительности насоса.
На фигуре схематично представлено заявляемое устройство.
Скважинный электроплунжерный насос состоит из корпуса насоса 1, внутри которого расположены плунжер 2, корпус плунжера 3. Плунжер 2 наружными поверхностями базируется в корпусе насоса 1 и в корпусе плунжера 3. С торцевой части к корпусу насоса 1 прикреплен защитный кожух 4, в котором закреплен электродвигатель 5. На выходном валу 6 электродвигателя 5 зафиксирована втулка 7, на наружной цилиндрической поверхности которой изготовлены продольные пазы 8. Втулка 7 частично размещается в цилиндрической полости 9, изготовленной с торца плунжера 2. На внутренней поверхности полости 9 изготовлены пазы 10, причем таким образом, что при размещении втулки 7 в полости плунжера 9 пазы 8 втулки 7 совмещаются с пазами 10 полости 9, образуя цилиндрические полости, в которых, в свою очередь, размещаются шарики 11. Шарики 11 обеспечивают кинематическую связь между втулкой 7 (валом электродвигателя 5) и плунжером 2 - образуется подвижное в осевом направлении шлицевое соединение. На плунжере 2, на наружной цилиндрической поверхности в средней части, выполнена замкнутая продольная винтовая канавка 12 (канавок параллельно может быть выполнено несколько). В средней части корпуса плунжера 3 выполнен радиальный канал 13, а в плунжере напротив него выполнены глухой радиальный канал 15 и кольцевая проточка 14. Глухой радиальный канал 15 в центре плунжера 2 переходит в наклонные относительно его оси каналы 16, выходящие на торцевую поверхность плунжера 2 по её периферии. Каналы 16 перекрыты пластинчатым всасывающим клапаном 17, закрепленным на торцевой поверхности плунжера 2. Корпус плунжера 3 плотно вставлен в корпус насоса 1, зафиксирован относительно корпуса насоса 1 стопорным кольцом 18 или гайкой и загерметизирован уплотнением 19.
Кинематически корпус плунжера 3 и плунжер 2 связаны шаровыми толкателями 20, наполовину зафиксированными с возможностью вращения в корпусе плунжера 3, а вторая их половина размещена в замкнутой продольной винтовой канавке 12. Таким образом, толкатели 20 обеспечивают кинематическую связь между плунжером 2 и корпусом плунжера 3.
В верхней части корпуса плунжера 3 над плунжером 2 выполнена нагнетательная полость 21, являющаяся рабочим цилиндром насоса. В торцевой части нагнетательной полости 21 в корпусе плунжера 3 размещен выпускной клапан 22. Корпус плунжера 3 герметично соединен с нагнетательной трубой 23 трубопровода, по которому производится перекачка жидкости потребителю, и защитным кожухом 24 с фильтром 25.
Насос работает следующим образом. Крутящий момент, возникающий при вращении выходного вала 6 электродвигателя 5 через втулку 7, через шарики 11 передается на плунжер 2 и вызывает его вращение. При вращении плунжера шаровые толкатели 20, закрепленные в корпусе плунжера 3, воздействуют на берега замкнутой продольной винтовой канавки 12, заставляя плунжер, кроме вращения, двигаться поступательно. Так как винтовая канавка 12 на плунжере 2 является продольной и замкнутой, плунжер 2, при приложении к нему постоянного вращательного движения, будет совершать вращательные и возвратно-поступательные движения. Возвратно-поступательное движение плунжера 2 будет приводить к перекачиванию жидкости за счет изменения объема нагнетательной полости 21. Перекачка и нагнетание жидкости осуществляется следующим образом: при поступательном движении плунжера 2 из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке за счет разрежения, возникающего в нагнетательной полости, выпускной клапан 22 закрывается, а всасывающий клапан 17 открывается, и через него, а также через радиальный канал 13, кольцевую проточку 14 и каналы 15, 16 перекачиваемая жидкость начинает заполнять нагнетательную полость 21. При этом возникающая за счет вращения плунжера 2 центробежная сила создает дополнительное давление перекачиваемой жидкости в наклонных каналах 16 и способствует интенсификации процесса заполнения объема нагнетательной полости 21. Данный процесс продолжается до достижения плунжером 2 нижней мертвой точки. После нижней мертвой точки плунжер 2 начинает двигаться к верхней мертвой точке, что вызывает рост давления перекачиваемой жидкости в нагнетательной полости 21, закрытие всасывающего клапана 17, открытие выпускного клапана 22 и выталкивание перекачиваемой жидкости в нагнетательную трубу 23.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.