Вопрос 4.51. Принцип действия гидропоршневого насосного агрегата

ГПНА по принципу действия скважинного насоса можно разде­лить на три группы соответственно с насосами одинарного, двойного и дифференциального действия (рис. 4.76).

Рабочая жидкость непрерывно нагнетается с поверхности сило­вым насосом насосного блока по каналу 3 в гидродвигатель 4. Золот­ник, совмещенный с гидродвигателем, переключает подачу рабочей жидкости поочередно в полости над и под поршнем 5 гидродвигате­ля и соответственно выход отработанной жидкости в канал 2 из по­лостей под и над поршнем. Так как давление нагнетаемой рабочей жидкости существенно больше давления отводной рабочей жидко­сти, то под действием перепада давления между этими полостями поршень гидродвигателя совершает возвратно-поступательное дви­жение вверх и вниз.

Конструктивно золотник выполнен в виде фасонной втулки, ко­торая перемещается в своем цилиндре с подводящими и отводящими каналами и управляется штоком 6 поршня гидродвигателя.

С поршнем 5 гидродвигателя шток 6 жестко связывает поршень 9 скважинного насоса 10, который также совершает возвратно-посту­пательное движение. Насос откачивает жидкость из скважины.

В насосе одинарного действия (рис. 4.76, а) при ходе поршня 9 вверх нагнетательный клапан 13 закрыт, так как на него действует значительно большее давление со стороны линии 1 выхода скважинной жидкости. При ходе поршня 9 вниз закрывается всасывающий клапан 12 и открывается нагнетательный клапан 13, жидкость из ци­линдра насоса 10 вытесняется в линию 1 выхода скважинной жидко­сти. Полость над поршнем через отверстие 8 сообщается с затрубным пространством скважины.

В насосе двойного действия (рис. 4.76, б) подача скважинной жид­кости происходит при ходе поршня 9 вверх и вниз, то есть при прочих

-239-

Рис. 4.76. Принципиальные схемы гидропоршневых насосов одинарного (а),

двойного (б) и дифференциального (в) действия:

1 - выход скважинной жидкости; 2 - выход рабочей жидкости; 3 - вход рабочей жидкости; 4 - гидродвигатель с золотником; 5 - поршень гидродвигателя; 6 - шток;

7 - уплотнение штока; 8 - отверстие; 9 - поршень скважинного насоса;

10 - скважинный насос; 11 - вход скважинной жидкости; 12 - всасывающий клапан;

13 - нагнетательный клапан

равных условиях почти в 2 раза больше подачи насоса одинарного действия. В них, например, при ходе поршня вверх одновременно происходит всасывание в полость под поршнем и нагнетание жидко­сти в линию 1 из полости над поршнем.

Гидропоршневой насосный агрегат дифференциального типа (рис. 4.76, в) работает за счет перепада давления Ар, создаваемого разно­стью между давлением рабочей жидкости и давлением откачиваемой жидкости. Поршень 9 насоса 10 изготовлен сквозным, и в нем распо­ложен нагнетательный клапан 13. Работает насос аналогично ШСН. Движение поршневой группы вниз происходит под действием силы, равной произведению этого перепада давления на площадь сечения штока. При этом закрывается всасывающий клапан 12, открывается нагнетательный клапан 13 и в канал 1 выталкивается часть откачива­емой жидкости в объеме штока 6, входящего в цилиндр насоса 10.

При крайнем нижнем положении поршневой группы посредством продольной канавки в штоке над и под золотником создается давле­ние рабочей жидкости.

Поскольку нижняя головка золотника диаметром больше верх­ней, то золотник под действием разности сил (произведение давле-

- 240 –

ния на площадь) поднимается вверх и сообщает полость над порш­нем 5 двигателя с полостью выкида скважинкой жидкости 1.

Так как под поршнем двигателя всегда действует давление нагне­таемой рабочей жидкости, то на поршень 5 двигателя начинает дей­ствовать сила, обусловленная перепадом давления р, и система нач­нет движение вверх. При этом закрывается нагнетательный клапан 13, открывается всасывающий клапан 12, происходит нагнетание сква-жинной жидкости и всасывание свежей порции в цилиндр насоса.

Различное расположение рабочих полостей в двигательной и на­сосной частях позволяет создать много схем ГПНА.

Реализованные серийные или опытные образцы представляют собой в основном агрегаты с двигателем и насосом двойного или диф­ференциального действия. Наиболее просты в конструктивном ис­полнении ГПНА дифференциального типа, однако, у агрегатов двой­ного действия более высокий коэффициент полезного действия и более плавный режим работы.

В настоящее время давление на выходе силового поверхностного насоса достигает 21 МПа, иногда его повышают до 35 МПа. В целом коэффициент полезного действия ГПНУ невысокий. Экономическая эффективность применения ГПНУ по сравнению с насосным обору­дованием других типов возрастает

с увеличением глубины подвески ГПНА. ГПНУ позволяют эксп­луатировать скважины с высотой подъема до 4500 м, с максималь­ным дебитом до 800 м³/сут при высоком содержании в скважинкой продукции воды (до 98%), песка (до 2%) и агрессивных компонен­тов. Увеличение высоты подъема и подачи можно достигнуть приме­нением тандемов-агрегатов, у которых в одном корпусе монтируют­ся два и более насосов, а также гидродвигателей, соединенных общим штоком, но работающих параллельно.

Перспективы применения ГПНУ связывают с эксплуатацией сква­жин, в которых работа штанговых насосов оказывается невозможной, а также при разбуривании месторождений кустами скважин, что по­зволяет обслуживать одной ГПНУ несколько ГПНА.

Вопрос 4.52. Схема работы и принцип действия диафрагменного насоса

Скважинные диафрагменные насосы предназначены для работы в условиях больших пескопроявлений (значительного содержания механических примесей) или для откачки агрессивных жидкостей, так как перекачиваемая жидкость соприкасается только с клапана­ми, диафрагмой и стенками рабочей полости. Подача У ЭДН состав­ляет 4...16 м³/сут при напоре 650...1700м. Межремонтный период их при откачке агрессивных сред с массовым содержанием механических

-241-

Рис. 4.77. Схема диафрагменного насоса:

1 - двигатель; 2 - конический редуктор; 3 - кулачок-эксцентрик; 4 - рабочий плунжер; 5 – клапанный регулятор работы диафрагмы; б- диафрагма; 7 - клапан насоса.

-242-

примесей до 1,8% существенно больше, чем межремонтный период скважинных штанговых насосов и ЭЦН.

Наиболее важной особенностью глубинных диафрагменных насо­сов является расположение всех рабочих органов насоса, кроме всасы­вающего и нагнетательного клапанов, в маслозаполненной герметич­ной камере. Эта камера отделена от добываемой жидкости гибкой ди­афрагмой. Таким образом, воздействию добываемой жидкости подвер­гается минимально возможное количество деталей глубинного насоса.

Схема диафрагменного насоса (рис. 4.77) - конструктивно объеди­няет насосные узлы с маслозанолненным асинхронным электродвига­телем. С ротором электродвигателя жестко связана ведущая шестерня конического редуктора. На ведомой шестеренке смонтирован эксцен­трик, создающий поступательное движение плунжеру насоса.

Возвратное движение плунжера осуществляется с помощью ци­линдрической пружины. Все камеры электродвигателя и насоса, вплоть до диафрагмы, заполнены жидким маслом. Для компенсации изменения объема масла при нагреве в нижней части двигателя име­ется резиновый мешок-сильфон. Количество масла, закачиваемого рабочим поршнем под диафрагму, должно обеспечивать необходимую величину перемещения диафрагмы, зависящую от условий эксплуа­тации. Специальное клапанное устройство, связанное с движением диафрагмы насоса, автоматически регулирует объем закачиваемого масла. При лишнем количестве масла толкатель диафрагмы откры­вает клапан сброса масла, при недостаточном - клапан поступления масла. Шариковые всасывающий и нагнетательный клапаны диаф­рагменного насоса смонтированы в его головке. В этой же головке закреплены всасывающий и нагнетательный патрубки с пескоотделителем. Добываемая жидкость поступает к всасывающему патруб­ку через фильтр. Электродвигатель оснащен кабельным вводом для подсоединения специального кабеля. Система разборных уплотнений герметизирует основные узлы агрегата, упрощая его ремонт.

Наиболее ответственными узлами агрегата являются редуктор, диафрагма и клапаны.

Вопрос 4.53. Схема работы и принцип действия струйного насоса

В последние десятилетия ведутся активные поиски новых спосо­бов добычи нефти, особенно в области эксплуатации наклонных сква­жин. При использовании бесштанговых гидроприводных струйных на­сосных установок вместо УСШН в скважинах со значительной кри­визной ствола энергетические затраты существенно снижаются, а меж­ремонтный период (МРП) скважинного оборудования увеличивается.

-243-

Компактность, высокие монтажеспособность, эффективность и сте­пень унификации узлов позволяют применять гидроприводные на­сосные установки при эксплуатации кустовых скважин в труднодос­тупных районах Сибири и на морских месторождениях.

Изменение условий эксплуатации многих нефтяных месторож­дений, связанное с увеличением числа объектов разработки в труд­нодоступных северных районах и на континентальном шельфе, выз­вало возрождение интереса к струйным насосным установкам.

Струйные насосы являются разновидностью гидроприводных насосов, и они обладают всеми достоинствами этого вида оборудо­вания.

Благодаря своим конструктивным особенностям струйные аппа­раты отличаются высокой надежностью и эффективностью, особен­но в осложненных условиях эксплуатации, например, при добыче пластовой жидкости со значительным содержанием механических примесей и коррозионно-активных веществ из наклонно направлен­ных скважин.

К преимуществам струйных насосов относят их малые габариты, большую пропускную способность и возможность стабильно отби­рать пластовую жидкость с высоким содержанием свободного газа. Кроме того, проста конструкция установок, отсутствуют движущие­ся детали, возможно исполнение струйного насоса в виде свободно­го, сбрасываемого агрегата.

В струйном насосе или инжекторе (рис. 4.78) поток откачивае­мой жидкости перемещается от забоя скважины до устья скважины за счет получения энергии от потока рабочей жидкости, подаваемого поверхностным силовым насосом с устья скважины.

Нагнетание скважинной жидкости осуществляется благодаря яв­лению эжекции в рабочей камере, т.е. смешению скважинной жидко­сти с рабочим потоком жидкости, обладающим большой энергией, см. рис. 4.78.

Режим работы струйного насоса характеризуется следующими параметрами: рабочий напор Н_р затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение В-В) и на выходе из него (сечение С-С), полезный напор Н_П, создаваемый
насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насо­сом (сечение С-С) и перед ним (сечение А-А); расход рабочей жид­кости Q₁; полезная подача Q₀. КПД струйного насоса равен отноше­нию полезной мощности к затраченной и может достигать величины КПД = 0,2...0,35:

-244-

Рис. 4.78. Схема струйного насоса (а) и движение жидкостей в нем (б):

1 - подвод откачиваемой жидкости; 2- подвод рабочей жидкости;

3 - входное кольцевое сопло; 4- рабочее сопло; 5- камера смешения; б - диффузор;

I — невозмущенная откачиваемая жидкость; II - пограничный слой;

III - невозмущенная рабочая жидкость (ядро)

Такое значение КПД струйных насосов обусловлено большими потерями энергии, сопровождающими рабочий процесс: в камере смешения (на вихреобразование и гидравлическое трение жидкости о стенки камеры); в элементах насоса, подводящих и отводящих жид­кость (в рабочем и кольцевом сопле и диффузоре).

Струйный насос работает следующим образом. При истечении рабочей жидкости со скоростью У₍, из сопла в затопленное простран­ство сразу за передним срезом сопла на поверхности струи возникает область смешения. Быстрые частицы проникают в окружающий мед­ленный поток невозмущенной жидкости, подсасываемый через коль­-
цевой проход в камеру со скоростью У_о и передают ей энергию. Этот процесс, основанный на интенсивном вихреобразовании, происходит в непрерывно утолщающемся по длине струйном пограничном слое. Вместе с тем внутренняя область рабочей струи, а именно ее ядро и внешняя область невозмущенной подсасываемой жидкости - по­ стоянно уменьшаются и на расстоянии Ь от рабочего сопла потоки рабочей и откачиваемой жидкости уже полностью перемешаны. На
дальнейшем участке камеры смешения происходит только выравни­вание профиля скоростей потока жидкости. Чаще всего в струйных насосах применяют цилиндрические камеры смешения, технологи­ческие простые в изготовлении и обеспечивающие относительно вы­сокий КПД.

-245-

Для преобразования достаточно высокой скорости потока в 1 мере смешения в давление поток направляется в диффузор.

Вопрос 4.54. Скважинный струйный насос

Струйный насос имеет два основных элемента: сопло и диффузор, состоящий иногда из нескольких деталей (см. рис 4.79).

К соплу подается рабочая жидкость под большим давлением. Она выходит из сопла в камеру смешения со значительной кинетической энергией. Откачивамая жидкость поступает в ту же камер и увлекается струей рабочей жидкости в горловину диффузора. В смесительной камере и начале горловины диффузор потоки жидкости смешиваются, и кинетическая энергия рабочей жидкости частично передается откачиваемой. Далее в диффузоре кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, и смесь вы ходит из насоса с определенным давлением. Все эти процессы сопровождаются большой потерей энергии и поэтом; КПД насоса невелик.

Такие насосы широко и давно используются в промышленности и сельское хозяйстве, в частности, для отбора воды из неглубоких колодцев, скважин, котлованов и для других подобных нужд.

В качестве рабочего агента использу­ется пластовая вода с ППД. Давление ра­бочего агента 9...17 МПа, глубина спуска оборудования 600...2200 м, отбор инжек­тируемой жидкости до 160 м³/сут, расход рабочего агента 100 м³/сут. Эти насосы не имеют движущихся и трущихся частей, поэтому при небольших напорах они достаточно долговечны, даже при содер­жании в откачиваемой жидкости механических примесей, песка.

Для очистки скважин от песчаных пробок был разработан глу­бинный аппарат (рис. 4.79). Он состоит из сопла 5 и диффузора 2,3,4, включающих износостойкую горловину 4, и начало раструба диффу­зора 3. Последние две детали выполняются из износоустойчивой ста-

-246-

ли с высокой твердостью или из керамики, поскольку в этой части насоса жидкость с песком идет с большой скоростью (порядка 80... 120 м/сек).

Глубинный аппарат спускается в скважину на специальных сдво­енных (концентричных) трубах. Внешний ряд труб соединяется с насосом и между собой резьбой. Внутренний ряд имеет уплотнение -резиновое кольцо, входящее в посадочное место, нижней детали (ме­сто соединения показано на рис. 4.79). По кольцевому пространству труб к глубинному насосу подается рабочая жидкость. Она проходит фильтр 1 и по каналам детали 6 подходит к соплу 5. Жидкость, от­качиваемая из скважины, проходит через фильтр 8 и обратный клапан 7 к смесительной камере, находящейся между соплом 5 и горловиной диффузора 4. При спуске аппарата до песчаной пробки он упирается в нее пятой 14. Если пробка не плотная, аппарат погружается в нее и начинает отбирать песчаную пульпу, поднимая ее на поверхность. Если пробка плотная, то при спуске аппарата пята поднимает шток 12 и шар клапана 10. Тогда рабочая жидкость проходит по каналам, де­талей 9 и 11 к трем соплам 13. Жидкость, выходя из них, с большой скоростью размывает плотную песчаную пробку. Во время размыва пробки при снижении подачи струйного насоса или кратковремен­номпрекращении отбора жидкости из скважины клапан 7 предотв­ращает уход рабочей жидкости через сопло в скважину или жидко­сти из труб через диффузор.

При чистке скважины от песчаной пробки струйный аппарат и сдвоенные трубы подвешивают на крюке в скважине. При помощи специального вертлюга к трубам подводится рабочая жидкость и от­водится откачиваемая пульпа. Промывочный агрегат подает рабочую жидкость по трубам, а затем по шлангу высокого давления к вертлю­гу. На этом трубопроводе смонтирован перепускной кран для регу­лировки режима работы струйного насоса.

Отводимая часть рабочей жидкости по шлангу подается в сква­жину или в какую-либо емкость. По мере чистки пробки и спуска труб подъемником их наращивают, используя сдвоенные трубы, подвезен­ные на лафете.

Вопросы для самоконтроля

1. Конструкция и обозначения обсадных труб.

2. Материалы для изготовления обсадных труб, группы прочности.

3. Конструкция колонных головок.

4. Принцип подвески обсадных колонн в колонной обвязке.

5. Назначение и параметры фонтанных арматур.

6. Как производится подвеска НКТ в трубной головке?^;

7. Классификация фонтанных арматур. Схемы.

8. Тройниковая фонтанная арматура, ее особенности.

9. Крестовиковая фонтанная арматура, ее особенности.

-247-

10. Конструкция шиберных прямоточных задвижек.

11. Конструкция плашечных прямоточных задвижек.

12. Преимущества и недостатки клиновой задвижки.

13. Преимущества и недостатки пробкового крана.

14. Регуляторы дебита фонтанных арматур.

15. Как испытывается фонтанная арматура?

16. Назначение и конструкции манифольдов фонтанных арматур.

17. Принцип действия газлифта.

18. Конструкция и принцип действия пусковых газлифтных кла­панов.

19. Схема расположения оборудования ШСНУ, назначение узлов.

20. Конструкция невставных скважинных насосов.

21. Конструкция вставных скважинных насосов.

22. Где в насосе расположен узел нагнетательного клапана?

23. Назначение и виды плунжеров.

24. От чего зависит зазор между плунжером и цилиндром?

25. Как обрабатывается рабочая поверхность плунжера и цилин­дра?

26. Режим работы скважинного насоса, динамограмма, деформа­ция штанг.

27. Подача скважинных штанговых насосов, коэффициент по­дачи.

28. Условия работы штанг, причины обрыва.

29. Конструкция НКТ.

30. Принцип расчета НКТ.

31. Кинематическая схема станка — качалки, назначение узлов.

32. Нагрузки в точке подвеса штанг.

33. Что такое кинематическое совершенство станка - качалки?

34. Назначение и сущность грузового уравновешивания.

35. От чего зависит мощность двигателя станка - качалки?

36. КПД штанговой насосной установки.

37. Типы и конструкции редукторов станков - качалок.

38. Конструкции балансирных станков - качалок.

39. Как проверить правильность уравновешивания станка - ка­чалки?

40. Как смазывать шарнирные подшипниковые узлы?

41. Натяжение ремней клиноременной передачи.

42. Регулирование параметров работы станка - качалки.

43. Конструкция канатной подвески.

44. Назначение и конструкция устьевого оборудования.

45. Сравнительная характеристика УЭЦН и ШСНУ.

46. Схема УЭЦН, назначение узлов.

47. От чего зависит подача и напор УЭЦН?

-248-

48. Назначение текстолитовых шайб в рабочих колесах насоса.

49. В чем особенность модульных насосов?

50. Назначение и принцип работы гидрозащиты электродвигателя.

51. Как проверяется герметичность муфты кабельного ввода?

52. Какое значение должна иметь изоляция кабеля?

53. Назначение и принцип работы обратного и спускного кла­панов.

54. Область применения электровинтовых насосных установок.

55. По какому принципу соединены винтовые пары ЭВН?

56. Сравнение открытой и закрытой систем гидропоршневых на­сосных установок.

57. Как осуществляется привод гидропоршневого насоса?

58. Какова компоновка электродиафрагменного насоса?

59. Принцип действия струйного насоса.

60. Область применения струйных насосов

-249-

Дата добавления: 2014-11-06