В насосах используются различные конструкции диафрагм.

Плоская — наиболее простая и технологичная форма диаф­рагмы. При исполь­зовании гидравлического привода легко ус­танавливается точка наи­боль­ше­го прогиба, что упрощает проек­тирование устройств компенсации. К недос­тат­кам данной кон­струкции относится небольшая предельно допустимая ве­ли­чи­на прогиба подобных диафрагм, что делает затруднительным при­менение их в насосах, рассчитанных на большие подачи (свыше 20 м³/сут).

Сильфом — этот тип диафрагм позволяет изменять объем ди­афрагменной ка­меры в несколько раз. Кроме того, величина и направление изменения ее объе­ма могут легко контролироваться, что облегчает создание устройств ком­пен­сации смещения нейтрального положения диафрагмы при гидравлическом при­воде. К недостаткам данной конструкции сле­дует отнести сравнительно боль­шой мер­твый объем, а также значительные дефор­мации материала диаф­раг­мы в местах пе­регибов гофр. Кроме того, при определен­ных условиях диаф­раг­мы сильфонного типа могут терять свою устойчивость и складываться не под­лине, а поперек. Эти диафрагмы могут быть рекомендованы для насосов боль­шой производительности (свыше 20 м³/сут).

Цилиндрическая — эти диафрагмы так­же позволяют изменить объем диаф­раг­­менной камеры в несколько раз, причем при этом не образуется мест с вы­со­кой степенью деформации. Кроме того, эти диафрагмы более просты по конст­рук­ции, чем сильфонные. Однако, при применении цилиндрических диаф­рагм труд­но определить направление их максимального проги­ба, что затрудняет проек­тирование устройств компенсации. В целом применение подобных диаф­рагм оправдано при проек­тировании насосов на большие подачи и давления.

Рис. 1.190. Сильфонная диафрагма:

D — наружный диаметр; d — внутренний диаметр; δ — толщина оболочки

Рис. 1.191. Диафрагма:

а — балонная, б — рукавовидная

Различаются насосы и количеством диафрагм. Количество ди­афрагм зави­сит как от типа насоса — одностороннего или двух­стороннего действия, так и от его конструкции. Например, рабо­чие диафрагмы, деформация которых изме­няет объем рабочих камер, и вспомогательные, связанные с устройством ком­пен­са­ции. В целях увеличения надежности насоса могут быть установ­лены двой­ные диафрагмы, так, чтобы прорыв одной из них не вывел бы насос из строя. Таким образом, количество диафрагм диктуется очень большим числом фак­торов. В нефтяной промыш­ленности нашли применение одно- и двухдиаф­раг­менные насосы.

Диафрагмы, используемые при добыче нефти, изготовлены из эластичных ма­териалов. Условия эксплуатации предъявляют целый ряд требований к вы­бо­ру материала. Во-первых, матери­ал должен быть стоек к действию нефти и плас­товой воды, име­ющей, как правило, кислую реакцию. Во вторых, материал дол­­жен быть износостоек к абразивному действию механических примесей (за­час­тую с высокой твердостью), содержащихся в до­бываемой жидкости. В третьих, материал должен выдерживать большое количество циклов наг­ру­же­ния. Как правило, для изго­товления диафрагм используется маслобензостойкая ре­зина.

Для работы в нефтяной промышленности был предложен целый ряд конст­рук­ций погружных диафрагменных насосов. Ниже дано описание нескольких наи­более перспективных схем таких насосов для добычи нефти

На рис. 1.192 показана схема погружного объемного насоса с линейным дви­гателем, гидромеханическим рекуператором энер­гии холостого хода и раз­де­лительной диафрагмой. Данная схема была разработана в ОКБ БН под дви­га­тель института электроди­намики АН УССР [16]. Мощность двигателя сос­та­ви­ла 2,5 кВт, КПД — 25 %, подача насоса — 2 м³/сут, напор — 1200 м.

Над линейным двигателем 1 установлен корпус диафрагменного насоса 2. Рабочий орган 3 линейного электродвигателя 1 соединен с рабочим цилиндром 4, имеющим закрытый нижний конец. Рабочий цилиндр 4 одет на неподвижный по­лый плун­жер 5, во внутреннюю полость которого вставлена сменная втулка 6 Внутренний канал полого плунжера 5 соединен с нижней частью диаф­раг­мен­ной камеры 7. Диафрагменная камера 7 раз­делена плоской диафрагмой 8 на две час­ти. Верхняя часть диаф­рагменной камеры 7 имеет канал 9, в который вы­хо­дят всасыва­ющий 10 и нагнетательный 11 клапаны. Входное отверстие вса­сы­ваю­щего клапана 10 закрыто фильтрующей сеткой 12. Для использования энер­гии холостого хода и снижения усилия развиваемого линейным двигателем при ра­бочем ходе, в конструк­ции насоса предусмотрен рекуператор, состоящий из вспо­мога­тельного цилиндра 13, поршнем которого является рабочий цилиндр 4, нес­кольких плунжеров 14, нижний торец которых со­единен гидроканалом 15 со вспо­могательным цилиндром 13, и пружины сжатия 16. Для компенсации уте­чек рабочей жидкости из системы рекуперации, ее полость при помощи канала 17, перекрытого клапаном 18, соединена с внутренней полостью элек­тро­дви­га­те­ля 7. Для поддержания нейтрального положения ди­афрагмы 8 в насосе 2 пре­дус­мот­рен специальный механизм ком­пенсации, состоящий из золотни­ка 19, свя­занного штоком с цен­тральной частью диафрагмы 8. Плунжер золотника 19 пе­рекры­вает в нейтральном положении верхний 20 и нижний 27 кана­лы, сое­ди­няю­щие полость под диафрагмой 8 с полостью элект­родвигателя 7. В каналах 20 и 27 установлены обратные клапаны 22 и 23.

Насос работает следующим образом. При включении элект­родвигателя 7, его рабочий орган 3 начинает вместе с рабочим ци­линдром 4 перемещаться вниз. При этом начинает увеличивать­ся свободный объем в рабочем цилиндре 4 и рабочая жидкость начинает перетекать в него по каналу в полом плунжере 5 из диафрагменной камеры 7. Диаф­рагма допускается, всасывающий клапан 10 открывается и пласто­вая жидкость, пройдя через сетку фильтра 12, попадает в наддиафрагменную зону диафрагменной камеры 7. Одновременно рабочая жид­кость, вытесняемая рабочим цилиндром 4 из вспомогательного цилиндра 13, пос­тупает под плунжеры 14. Плунжеры 14, выдвигаясь из своих пазов, сжи­мают пружину 16. Осуществля­ется цикл всасывания.

Рис. 1.192. Схема бесштангового объемного насоса с линейным двигателем, гидромеханическим рекуператором энергии холостого хода и плоской разделительной диафрагмой с гидравлическим приводом

При достижении рабочим органом 3 электродвигателя 1 сво­ей нижней точ­ки, происходит реверсирование движения рабо­чего органа 3. Рабочий орган 3 электродвигателя 1 начинает дви­жение вверх. В дополнение к усилию, раз­ви­вае­мому линейным двигателем, высвобождается энергия сжатой пружины 16, ко­то­рая начинает перемещать плунжеры 14 вниз. Рабочая жидкость, вы­тес­няе­мая из-под плунжеров 14, давит на нижнюю кромку рабочего цилиндра 4. Та­ким образом, усилие, развиваемое пружиной 16, складывается с усилием, раз­ви­ваемым электродвига­телем 1. При перемещении рабочего цилиндра вверх, его внут­ренний объем уменьшается и рабочая жидкость по каналу в плун­жере 5 пос­тупает в диафрагменную камеру 7, вызывая переме­щение диафрагмы 8 вверх. Объем наддиафрагменной зоны ди­афрагменной камеры 7 уменьшается, обрывается нагнетатель­ный клапан // и пластовая жидкость попадает в колонну насосно-компрессорных труб. Осуществляется цикл нагнетания. При этом, если к концу хода из-за утечек рабочей жидкости из сис­темы рекуперации, плун­же­ры 14 уже дошли до нижнего поло­жения, а рабочий цилиндр 4 продолжает дви­­жение вверх, то под ним во вспомогательном цилиндре 13 возникает раз­ря­же­ние, клапан 18 открывается и рабочая жидкость из полости электродвигателя 1 поступает в систему рекуперации.

Контроль крайних положении диафрагмы 8' осуществляется следующим обра­зом. В случае, если диафрагма 8 в конце цикла всасывания имеет прогиб боль­ше максимально допустимого, плунжер золотника 19, перемещаясь вниз, отк­рывает верхний канал 20. Клапан 22 открывается и под диафрагму 8 пос­ту­пает рабочая жидкость из полости электронасоса 1. В случае, если в конце цик­ла нагнетания диафрагма 8 получает прогиб больше максимально допустимого, то плунжер золотника 19, перемеща­ясь вверх, открывает нижний канал 21. Кла­пан 23 открывается и избыток жидкости сбрасывается в полость элект­род­ви­га­те­ля 1.

Диафрагма отделяет внутренние полости погружного агрегата от пере­ка­чи­вае­мой среды и препятствую попаданию свобод­ного газа в цилиндр насоса, зна­чи­тельно снижая влияние вредного объема в насосе. Пленение подачи насоса осу­ществляется путем замены сменной втулки 6 на другую с большей пло­щадью поперечного сечения (для увеличения подачи) или с меньшей площадью по­перечного сечения (для уменьшения подачи). В связи с тем, что Институт элект­родинамики АН УССР не смог довести надежность своего элект­род­ви­га­те­ля до требуемой вели­чины, работы по созданию подобного насоса были приос­танов­лены. В связи с вышеизложенным в настоящее время в нефтяной про­мышленности применяются бесштанговые объемные на­сосы только с ро­тор­ным электродвигателем.

За рубежом основным разработчиком погружных диафрагменных насосов бы­ла германская фирма Pleuger Underwasserpussy Gmb. Ей принадлежит свыше де­сяти патентов на скважинные диафрагменные насосы различных типов. Наи­бо­лее удачная конструкция приведена на рис. 1.193 [36]. Корпус насоса 7 сое­ди­нен с электродвигателем 2, вал которого вращает конический редуктор 3. Ко­ни­ческий редуктор 3 преобра­зует вращение вала электродвига­теля 2 во вра­ще­ние горизонталь­ного низкоскоростного кулачко­вого вала 4. Кулачок набегает на толкатель 5, служащий одновре­менно плунжером диафрагменного насоса. Возв­рат толкателя 5 осу­ществляется при помощи пружи­ны 6. Контроль по­ло­же­ния диа­фрагмы осуществляется при по­мощи золотниковоuj устройства 7, плун­жер которого жестко связан с расположенной в рабочей каме­ре 8 диаф­раг­мой 9. При перемещение диафрагмы 9 выше предельного положения откры­вает­ся канал 10 и избыток масла сбрасывается в сливную линию. При пере­ме­ще­нии диафрагмы 9 ниже предельного положения, она ложится на нижнюю стен­ку рабочей камеры 8, под ней образуется разряжение и по каналу 11 ра­бо­чая жидкость из сливной линии поступает под диафрагму.

Рис. 1.193. Схема объемного бесштангового насоса с роторным двигателем, механической трансмиссией и плоской разделительной диафрагмой с гидравлическим приводом

Приведенный патент послужил основой для промышленного выпуска фирмой Pleuger насоса с подачей 10 м³/сутки, давлени­ем 10 МПа и КПД 39,9% [37].

Недостатком данного насоса является необходимость спуска и скважину до­­полнительной колонны труб для компенсации уте­чек рабочей жидкости. Кро­­ме того, использование в качестве рабочей только одной поверхности порш­­ня затрудняет созда­ние насосов такого типа для добычи нефти из сред­не­де­битных скважин.

В ОКБ БН была разработана аналогичная конструкция, но не требующая при­менение дополнительной колонны труб для компенсации утечек [38]. Имен­но эта конструкция и последую­щем была принята за основу при создании уста­но­вок электро­приводных диафрагменных насосов (УЭДН). В процессе испы­та­ний и подконтрольной эксплуатации были получены следую­щие харак­терис­ти­ки насоса.

В настоящее время по ТУ 26-06-1464-86 серийно выпускают­ся установки ти­па УЭДН5, предназначенные для добычи нефти из малодебитных скважин с внут­ренним диаметром обсадной колонны не менее 121,7 мм [38].

Рис. 1.194. Характеристика диафрагменного насоса ОКБ БН

Установка типа УЭДН5 (рис. 1.195) включает в себя погружной диаф­раг­мен­ный электронасос типа ЭДН5 1, комплектное устройство 8 для управления элект­ронасо­сом и его защиты, кабельную линию с муфтой штекерно­го типа 4, поя­са 5 для креп­ления кабельном линии к трубам 3, на которых элект­ронасос опус­кается в сква­жину, и клапан 2 для слива жидкости из труб перед подъемом элект­ронасоса на поверхность. Наземный тру­бопровод у устья скважины снаб­жен электроконтактным манометром 6 и обратным клапаном 7.

Электронасос скважинный диафрагменный (рис 1.196) выполнен в виде вер­­тикального моноблока, со­стоящего из асинхронного четырехполюсного элект­ро­двигателя 2, конического ре­дуктора 3 и плунжерного насоса 5 с эксцент­риковым приводом 4 и пружины 6. Все указанные узлы разме­шены в общей камере, за­полненной маслом, и герме­тично изолированы от пере­ка­чи­вае­мой среды. В нижней части насоса установлен резиновый компенсатор (для ком­­пенсации температурного изменения объема масла), а в верхней части уста­нов­­лена резиновая плоская диафрагма 7, которая является рабочим органом на­со­­са. Ком­пенсатор и диафрагма, кроме основной функции насоса, обес­пе­чи­вают герметичность приводной части насоса, т.е. изолируют ее от прока­чивае­мой жид­кости. Над диафрагмой установлены всасывающий 8 и нагнетательный 9 клапаны, монтажный патрубок и защит­ная сетка.

Рис. 1.195. Установка типа УЭДН5

В верхней части головки электро­насоса расположены три токоввода 10 для соеди­нения с муфтой кабельной линии. Внутри монтажного патрубка непос­редст­венно над нагнетательным клапаном установлен шламовый пат­рубок с муф­­той. Монтажный патрубок снабжен муфтой для соединения с насосно-комп­рессорной трубой диамет­ром 60 мм.

Для крепления защитной сетки и плоского кабеля предусмотрены зажи­мы и накладки.

Для защиты нагнетательного клапа­на от твердых частиц в конструкции на­со­са предусмотрены шламовые тру­бы, которые соединяются между собой с по­мощью конической резьбы. Затем их соединяют со шламовым патрубком элект­ронасоса. Верхняя труба сверху закрыта конусом, имеющим радиальные отверс­тия

Откачиваемая электронасосом жид­кость через нагнетательный клапан по­дается в шламовые трубы и через радиальные отверстия конуса выбрасывается в НКТ.

Рис. 1.196. Электронасос скважинный диафрагменный

Для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме электро­насоса из скважины используют сливной клапан.

Обозначение установки УЭДН5-12,5-800 ВП 00-1,6 ТУ-26-06-1464-86 рас­шиф­ровывается следующим образом; У — установка; ЭДН5-12,5-800 — ти­по­раз­мер электронасоса; Э — при­вод от погружного электродвигателя; Д — диаф­­рагменный; Н — насос; 5 — номер группы электронасоса для использова­ния в скважинах с внутренним диаметром колонны обсадных труб не менее 121,7 мм; 12,5 — подача, м³/сут; 800 — напор, развиваемый электронасосом, м; ВП 00 — вариант поставки; 1,6 — верхний предел измерения манометра элект­ро­контакт­ного, МПа

При заказе указывается обозначение варианта поставки со­гласно табл. 1.87 и верхний предел измерения электроконтактного манометра в МПа из ряда 1; 1,6; 2,5. При отсутствии указания о варианте поставки и верхнем пределе измерения элек­троконтактного манометра установку поставляют в варианте ВП 00-1,6.

Установки типа УЭДН5 поставляют в виде составных частей в одном из вариантов поставки (ВП) согласно табл. 1.87.

С установками любых типоразмеров за отдельную плату по­ставляют груп­по­вые комплекты; запасных частей для проведе­ния среднего и капитального ре­мон­тов (один комплект на пять установок); сменных плунжерных пар, обес­пе­чи­вающих получе­ние параметров согласно табл. 1.87 (один комплект на пят­над­­цать установок), монтажных частей (один комплект на десять установок) и инст­румента и принадлежностей (один комплект на пятьдесят установок).

Основные показатели установок типа УЭДН5 в номинальном режиме при перекачивании электронасосом воды плотностью 1000 кг/м³ температурой 45 °С при напряжении 350 В и частоте тока 50 Гц приведены в табл. 1.88.

Установки типа УЭДН5 соответствуют восстанавливаемым изделиям груп­пы II, вида I. Климатическое исполнение назем­ного электрооборудования У1, элект­ронасоса В5.

Установки работают от сети переменного тока напряжением 380 В при частоте тока 50 Гц.

Установки типа УЭДН5 предназначены для перекачивания пластовой среды, состоящей из смеси нефти, воды и газа. Coдержание пластовой воды в перекачиваемой среде не ограничивается. Максимальное массовое содержание твер­дых частиц 0,2 %; максимальное объемное содержание нефтяного газа на прие­ме насоса 10%; водородный показатель пластовой воды рН 6,0 — 8,5; мак­си­мальная концентрация сероводорода 0,01 г/л.

Рабочий диапазон изменения тем­пературы от 5 до 90 °С.

Таблица 1.87