СКВАЖИННЫЙ НАСОС ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к области насосостроения, в частности к насосным установкам, предназначенным для подъема жидкости с больших глубин, например, нефти из скважин.
Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат для добычи нефти, содержащий масляный насос с приводом от погружного электродвигателя с компенсатором, рабочий поршневой насос с поршневым цилиндром, всасывающим клапаном, размещенным в поршне, и нагнетательным клапаном и гидродвигатель для привода рабочего поршневого насоса, причем полости цилиндра гидродвигателя связаны через распределитель масла с входом и через предохранительный клапан - с выходом масляного насоса, и шток поршня гидродвигателя через протектор соединен с поршнем рабочего поршневого насоса, кроме того, агрегат снабжен масляным баком с компенсатором его объема, в одной из секций которого установлены переливной клапан, регулятор расхода и фильтр, а гидродвигатель снабжен ограничителем хода поршня с путевым распределителем, при этом рабочий поршневой насос снабжен перепускной магистралью, дополнительным поршневым цилиндром с дополнительным поршнем и размещенным в последнем дополнительным всасывающим подпружиненным клапаном, дополнительный поршень жестко соединен посредством промежуточного штока с расположенным ниже него поршнем рабочего поршневого насоса, полости поршневых цилиндров разделены золотником распределителя откачиваемой среды, в стенке распределителя откачиваемой среды выполнены два ряда отверстий для сообщения рабочих полостей насоса с перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны, охватывающей оба поршневые цилиндры, причем перепускная магистраль снабжена распределительным клапаном, расположенным между рядами отверстий распределителя откачиваемой среды, и выше дополнительного поршневого цилиндра подключена к нагнетательному клапану. Повышение производительности достигается за счет того, что рабочий поршневой насос выполнен двухпоршневым, при этом происходит попеременная подача потребителю откачиваемой из скважины среды из двух поршневых цилиндров. Таким образом при обратном ходе поршня потребителю производят подачу откачанной из скважины среды из дополнительного поршневого цилиндра, а при обратном ходе дополнительного поршня подача потребителю откачанной среды производится из “основного” поршневого цилиндра, что позволяет поднять производительность агрегата в 2 раза, (см. патент РФ №2235907, кл. F04B 47/08, 14.04.2003).
Однако, данная конструкция представляется недостаточно надежной из-за наличия дополнительных разделительных клапанов в перепускной магистрали, а так же наличием золотника распределителя откачиваемой среды, работающего при больших перепадах давления в абразиво содержащей пластовой жидкости.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является скважинный насос двойного действия, содержащий погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса и рабочий насос. Привод скважинного насоса двойного действия может представлять собой гидропривод, шарико-винтовую передачу или другую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное. Также в качестве привода может быть использован линейный электродвигатель. Рабочий насос состоит из верхнего цилиндра и плунжера и нижнего цилиндра и плунжера. Цилиндры последовательно соединены между собой муфтами, плунжеры жестко соединены между собой штоком. Диаметр верхнего цилиндра и плунжера имеет больший размер, чем диаметр нижнего цилиндра и плунжера. Рабочий насос крепится к приводу рабочего насоса с помощью основания, в котором установлены уплотнения, препятствующие попаданию пластовой жидкости внутрь привода. Плунжер большего диаметра полый и имеет нагнетательный клапан. Плунжер меньшего диаметра выполнен в виде монолитного штока и соединен с приводом посредством полированного штока. Пространство цилиндра под плунжером меньшего диаметра постоянно соединено с затрубным кольцевым пространством. Скважинный насос двойного действия снабжен перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны, охватывающей цилиндр большего диаметра. Перепускная магистраль соединяется с полостью под верхним плунжером и полостью над нижним плунжером посредством,, как минимум, одного отверстия, расположенного в муфте, соединяющей цилиндры. Пространство цилиндра над плунжером большего диаметра соединено с затрубным кольцевым пространством посредством, как минимум, одного отверстия в корпусе и всасывающего клапана, установленного в перегородке с отверстиями для прохода нефти из скважины в цилиндр большего диаметра и отверстиями для прохода нефти из перепускной магистрали в колонну насосно-компрессорных труб. В результате, за счет обеспечения перераспределения подачи откачиваемой среды на период хода плунжера вверх и на период хода плунжеров вниз, достигается повышение надежности за счет снижения осевой нагрузки на шток соединяющий плунжеры и полированный шток, упрощается конструкция насоса, (см. патент РФ №139596, кл. F04B 47/08, 20.04.2014).
Однако, наличие в данной конструкции пространства цилиндра под плунжером меньшего диаметра, постоянно соединенного с полостью скважины, может приводить к попаданию в это пространство механических примесей при поступлении пластовой жидкости из полости скважины во время движения плунжера меньшего диаметра вверх, что приведет к преждевременной потере работоспособности скважинного насоса двойного действия.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение надежности скважинного насоса двойного действия.
Указанная задача решается за счет того, что скважинный насос двойного действия включает в себя кинематически связанные между собой погружной электродвигатель с гидрозащитой, привод рабочего насоса и рабочий насос. Привод скважинного насоса двойного действия может представлять собой гидропривод, маслозаполненную шарико-винтовую передачу или другую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное. Также в качестве привода может быть использован линейный электродвигатель. Рабочий насос включает в себя нижний цилиндр меньшего диаметра с монолитным плунжером и верхний цилиндр большего диаметра с полым плунжером, снабженным нагнетательным клапаном. Нагнетательный клапан может быть установлен как на нижнем, так и на верхнем конце полого плунжера. Верхний конец цилиндра большего диаметра соединен с головкой рабочего насоса, посредством перегородки. Нижний конец верхнего цилиндра большего диаметра соединен с верхним концом нижнего цилиндра меньшего диаметра посредством муфты. Плунжер большего диаметра и плунжер меньшего диаметра последовательно соединены между собой, также могут быть соединены посредством шарнирного узла. Монолитный плунжер меньшего диаметра соединен с приводом рабочего насоса посредством штока привода или посредством штока привода и шарнирного узла. Полость под монолитным плунжером меньшего диаметра гидравлически соединена с маслозаполненной полостью привода рабочего насоса, внутренняя полость нижнего цилиндра меньшего диаметра посредством, как минимум, одного отверстия в корпусе соединена с полостью скважины (затрубным кольцевым пространством), отверстие в корпусе цилиндра меньшего диаметра расположено на расстоянии от верхнего торца рабочей поверхности цилиндра меньшего диаметра, обеспечивающем при заданном зазоре между внутренней полостью цилиндра меньшего диаметра и монолитным плунжером меньшего диаметра необходимый перепад давления между выкидной линией насоса и затрубным кольцевым пространством. В течение рабочего цикла насоса двойного действия цилиндрическая поверхность нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра перекрывает отверстие в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра и не выходит из контакта с внутренней поверхностью нижнего цилиндра меньшего диаметра, находящейся ниже отверстия в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра. Между цилиндрической поверхностью монолитного плунжера меньшего диаметра и внутренней поверхностью цилиндра меньшего диаметра, в нижней части монолитного плунжера меньшего диаметра, установлено уплотнение контактного типа, например, манжетное, или сальниковое уплотнение, служащее дополнительным уплотнением привода рабочего насоса. Нижний цилиндр меньшего диаметра крепится к корпусу привода рабочего насоса с помощью основания, снабженного каналом для прохода масла из маслозаполненного корпуса передачи рабочего насоса в полость нижнего цилиндра меньшего диаметра под монолитным плунжером. В верхней части рабочего насоса расположена ловильная головка, соединяющая рабочий насос с колонной насосно-компрессорных труб, по которым нагнетаемая насосом пластовая жидкость подается на поверхность. В ловильную головку может быть установлен обратный клапан. Скважинный насос двойного действия снабжен перепускной магистралью, образованной посредством оболочки, с внешней стороны охватывающей цилиндр большего диаметра. Перепускная магистраль соединяется с полостью под верхним полым плунжером большего диаметра посредством, как минимум, одного отверстия, расположенного в муфте, соединяющей верхний цилиндр большего диаметра и нижний цилиндр меньшего диаметра. Перепускная магистраль соединяется с колонной насосно-компрессорных труб посредством канала в головке. Пространство верхнего цилиндра над плунжером большего диаметра соединено с затрубным кольцевым пространством посредством, как минимум, одного отверстия и всасывающего клапана, установленного в перегородке с отверстиями для прохода нефти из скважины в цилиндр большего диаметра и отверстиями для прохода нефти из перепускной магистрали в колонну насосно-компрессорных труб.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели монолитный плунжер меньшего диаметра выполнен в виде гладкого штока, а нижний цилиндр меньшего диаметра в виде корпуса уплотнительного (сальникового) узла, на внутренней поверхности которого установлено уплотнение в виде манжет, уплотнительных колец или сальниковой набивки.
На фиг. 1 изображен продольный разрез скважинного насоса двойного действия.
На фиг. 2 - уплотнительный (сальниковый) узел.
Скважинный насос двойного действия содержит кинематически связанные между собой погружной электродвигатель 1 с гидрозащитой 2, привод рабочего насоса 3 и рабочий насос, включающий в себя нижний цилиндр 4 меньшего диаметра с монолитным плунжером 5 и верхний цилиндр 6 большего диаметра с полым плунжером 7, снабженным нагнетательным клапаном 8. Нагнетательный клапан 8 может быть установлен как на нижнем, так и на верхнем (не показан) конце полого плунжера. Верхний конец цилиндра 6 соединен с головкой 9 рабочего насоса, посредством перегородки 10. Нижний конец верхнего цилиндра большего диаметра 6 соединен с верхним концом нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 посредством муфты 11. Плунжер большего диаметра 7 и плунжер меньшего диаметра 5 последовательно соединены между собой, также могут быть соединены посредством шарнирного узла12. Монолитный плунжер меньшего диаметра 5 соединен с приводом рабочего насоса 3 посредством штока привода 13 или посредством штока привода 13 и шарнирного узла 14. Полость под монолитным плунжером меньшего диаметра 5 гидравлически соединена с маслозаполненной полостью привода рабочего насоса 3 посредством канала 15 в основании 16, внутренняя полость нижнего цилиндра 4 меньшего диаметра посредством, как минимум, одного отверстия 17 в корпусе, соединена с затрубным кольцевым пространством отверстие 17 расположено на расстоянии от верхнего торца рабочей поверхности цилиндра меньшего диаметра 4, обеспечивающем, при заданном зазоре между внутренней полостью цилиндра меньшего диаметра 4 и монолитным плунжером меньшего диаметра 5, необходимый перепад давления между выкидной линией насоса и затрубным кольцевым пространством. В течение рабочего цикла насоса двойного действия цилиндрическая поверхность нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5 перекрывает отверстие 17 в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 и не выходит из контакта с внутренней поверхностью нижнего цилиндра меньшего диаметра 4, находящейся ниже отверстия 17 в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра 4. Между цилиндрической поверхностью монолитного плунжера меньшего диаметра 5 и внутренней поверхностью цилиндра меньшего диаметра 4, в нижней части монолитного плунжера меньшего диаметра 5, установлено уплотнение контактного типа, например, манжетное, или сальниковое уплотнение 18, служащее дополнительным уплотнением привода рабочего насоса 3. Нижний цилиндр меньшего диаметра 4 крепится к приводу 3 с помощью основания 16, снабженного каналом 15 для прохода масла из маслозаполненного корпуса передачи рабочего насоса 3 в полость нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 под монолитным плунжером 5. Скважинный насос двойного действия снабжен перепускной магистралью 19, образованной посредством оболочки 20, с внешней стороны охватывающей цилиндр большего диаметра 6. Перепускная магистраль 19 соединяется с полостью под верхним плунжером большего диаметра 7 посредством, как минимум, одного отверстия 21, расположенного в муфте 11, соединяющей верхний цилиндр большего диаметра 6 и нижний цилиндр меньшего диаметра 4, перепускная магистраль 19 соединяется с колонной насосно-компрессорных труб 22 посредством канала 23 в перегородке 10. Пространство верхнего цилиндра 6 над плунжером большего диаметра 7 соединено с затрубным кольцевым пространством посредством, как минимум, одного отверстия 24, всасывающего клапана 25, установленного в перегородке 10 и канала 26. В верхней части рабочего насоса расположена ловильная головка 27, соединяющая рабочий насос с колонной насосно-компрессорных труб 22, по которым нагнетаемая насосом пластовая жидкость подается на поверхность. В ловильную головку 27 может быть установлен обратный клапан 28.
В варианте насоса (фиг. 2) монолитный плунжер 5 выполнен в виде гладкого штока, а нижний цилиндр 4 - в виде корпуса уплотнительного (сальникового) узла, внутри которого установлено уплотнение 29 в виде манжет, уплотнительных колец или сальниковой набивки.
Маслозаполненный привод 3 скважинного насоса двойного действия может представлять собой гидропривод, шарико-винтовую передачу или другую передачу, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное. Также в качестве привода может быть использован линейный электродвигатель.
Скважинный насос двойного действия работает следующим образом.
При спуске насосного агрегата в скважину под действием гидростатического давления всасывающий клапан 25 и нагнетательный клапан 8 открываются, добываемая жидкость поступает в полость над полым плунжером цилиндра 6 рабочего насоса соответственно через отверстие 24, всасывающий клапан 25, а затем через открытый нагнетательный клапан 8, отверстие 21, перепускную магистраль 19 и канал 23 в перегородке 10 жидкость заполняет колонну насосно-компрессорных труб 22 до уровня жидкости в затрубном кольцевом пространстве скважины. При включении погружного электродвигателя 1, крутящий момент через кинематически связанную с ним гидрозащиту 2 передается на привод рабочего насоса 3, преобразующий вращательное движение электродвигателя 1 в возвратно-поступательное движение штока привода рабочего насоса 13. При движении соединенных между собой верхнего полого плунжера большего диаметра 7 и нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5, которые также могут соединяться между собой шарнирным узлом 12, из нижней точки вверх, всасывающий клапан 25 закрыт, а нагнетательный 8 и обратный 28 клапана открыты. Пластовая жидкость нижним монолитным плунжером меньшего диаметра 5 из полости верхнего цилиндра большего диаметра 6 через отверстие 21 в муфте 11, перепускную магистраль 19, канал 23, обратный клапан 28 и колонну насосно-компрессорных труб 22 вытесняется на поверхность. При этом пространство под нижним монолитным плунжером меньшего диаметра 5 заполняется маслом из маслозаполненного корпуса привода рабочего насоса 3 через канал 15 в основании 16. Отверстие 17 в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 служит для сброса в полость скважины утечки пластовой жидкости, возникающей в зазоре между цилиндрической поверхностью нижнего монолитного плунжера 5 и внутренней поверхностью нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 вследствие перепада давления между столбом пластовой жидкости в колонне насосно-компрессорных труб 22 и затрубном кольцевом пространстве скважины. Вследствие того, что в течение рабочего цикла насоса двойного действия цилиндрическая поверхность нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5 перекрывает отверстие 17 в корпусе нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 и не выходит из контакта с внутренней поверхностью нижнего цилиндра меньшего диаметра 4, находящейся ниже отверстия 17, предотвращается попадание пластовой жидкости во внутреннюю полость маслозаполненного привода рабочего насоса 3. Дополнительной герметизаций внутренней полости привода рабочего насоса 3 может служить установка между цилиндрической поверхностью монолитного плунжера меньшего диаметра 5 и внутренней поверхностью цилиндра меньшего диаметра 4, в нижней части монолитного плунжера меньшего диаметра 5, уплотнения контактного типа, например, манжетного, или сальникового уплотнения 18, служащего дополнительным уплотнением привода рабочего насоса 3. При движении соединенных между собой верхнего полого плунжера большего диаметра 7 и нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5, которые также могут соединяться между собой шарнирным узлом 12 из верхней точки вниз, нагнетательный клапан 8 закрыт, всасывающий клапан 25 открыт, пластовая жидкость из цилиндра 6 нагнетательным клапаном 8, установленным в верхнем полом плунжере 7, через отверстие 21 в муфте 11, перепускную магистраль 19, канал 23, обратный клапан 28 и колонну насосно-компрессорных труб 22, вытесняется на поверхность, одновременно происходит заполнение цилиндра 6 пластовой жидкостью из затрубного кольцевого пространства через отверстие 24, всасывающий клапан 25 и канал 26, а масло из полости нижнего цилиндра меньшего диаметра 4, находящейся под нижним монолитным плунжером меньшего диаметра 5 вытесняется через канал 15 в основании 16 в маслозаполненный корпус привода рабочего насоса 3
Общая суммарная подача скважинного насоса двойного действия за время рабочего цикла движения плунжеров 5 и 7 вверх и вниз будет определяться объемом пластовой жидкости, заполняемой верхний цилиндр 6 большего диаметра, однако, за счет того, что подача жидкости распределяется как на ход плунжеров 5 и 7 вверх, так и на ход плунжеров 5 и 7 вниз, осевое усилие на шток привода 13 и на привод 3 будет, определяться при ходе вверх произведением перепада давления в насосно-компрессорных трубах и в затрубном кольцевом пространстве на площадь нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5, а при ходе вниз произведением перепада давления в насосно-компрессорных трубах и в затрубном кольцевом пространстве на разность площадей верхнего плунжера большего диаметра 7 и нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5.
При равенстве площади сечения нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5 разности площадей сечения верхнего полого плунжера большего диаметра 7 и нижнего монолитного плунжера меньшего диаметра 5 осевое усилие на шток привода рабочего насоса 13 распределится равномерно на весь рабочий цикл.
Равномерное распределение нагрузки на привод рабочего насоса в течение рабочего цикла, наряду с предотвращением попадания пластовой жидкости в полость нижнего цилиндра меньшего диаметра 4 повышает надежность скважинного насоса двойного действия.