1458

Также фирмой REDA выпускаются погружные винтовые ус­ тановки с извлекаемыми с помощью канатной техники рабочи­ ми органами «винт — обойма». В данных установках погружной электродвигатель, кабель, протектор и редуктор устанавливают­ ся на эксплуатационную колонну. Винтовая пара устанавлива­ ется и извлекается при помощи одножильного каната. Это обес­ печивает замену рабочих органов без использования агрегата для подземного ремонта скважин. Замену рабочих органов можно произвести с использованием лубрикатора, постоянно контро­ лируя давление в скважине.

В современной конструкции применяются НКТ 4'/2" (114 мм), которые используются в качестве лифтовой колонны внутри обсадной трубы диаметром 7" (178 мм). Имеется система с НКТ диаметром 3'/2" (89 мм), способная обеспечить дебит до 500 барр/сутки.

На сегодняшний день практически все зарубежные фирмы проводят опытно-конструкторские и экспериментально-промыш­ ленные работы по созданию установок ЭВН, однако ни одна из фирм не наладила до сих пор серийного производства УЭВН (полностью) из-за недостаточной работоспособности разраба­ тываемого оборудования.

1.12. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ

ДИАФРАГМЕННЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДОБЫЧИ

НЕФТИ

Диафрагменные насосы относятся к классу объем­ ных. Они предназначены, в первую очередь, для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных скважин которые, в настоя­ щее время и в ближайшем обозримом будущем, являются ос­ новным фондом нефтяной промышленности России.

Насос состоит из гидравлической и приводной части. В гид­ равлическую часть входит всасывающий и нагнетательный кла­ паны, гидравлическая полость в которую поступает, а затем вы­ тесняется добываемая жидкость и диафрагма, разделяющая на­ сос на две части. Диафрагма выполняет две функции. Первая — вытеснение добываемой жидкости и вторая — изолирование при­ водной части от агрессивной добываемой среды. Приводная часть

в зависимости от конструктивного исполнения может содержать различные узлы. Ее задачей является создание усилия и его пе­ редача на диафрагму. По способу передачи энергии бесштанговые диафрагменные насосы можно разделить на две группы, в первую из которых входят насосы с погружным электроприво­ дом, а во вторую — с поверхностным гидроприводом.

В качестве привода в диафрагменных насосах для добычи нефти наиболее часто используется электропривод. Были по­ пытки использовать в качестве привода соленоидные (электро­ магнитные) и линейные электродвигатели, применение которых приводит к значительным упрощениям в трансмиссии [16].

Соленоидный двигатель является наиболее простым по кон­ струкции из названных и компактным. Недостатками его явля­ ются низкий КПД и большая скорость движения рабочего орга­ на. В настоящее время преодолеть эти недостатки является не­ возможным, что затрудняет применение подобного двигателя для насосов, предназначенных для добычи нефти.

Линейный двигатель позволяет по сравнению с соленоид­ ным уменьшить скорость поступательного движения якоря, но, к сожалению, имеет относительно низкий КПД (порядка 30 %), а, следовательно, и высокую рабочую температуру обмоток. Так как диафрагменные насосы предназначены в первую очередь для малодебитных скважин, то охлаждение линейных электро­ двигателей затруднено, поэтому в настоящее время они не ис­ пользуются.

Роторный асинхронный электродвигатель является в настоя­ щее время самым распространенным типом привода для погруж­ ных насосных установок, благодаря достаточно высокому КПД (свыше 80 %) и высокой технической и технологической отра­ ботанности изготовления, эксплуатации и ремонта.

Система привода от двигателя к диафрагме называется транс­ миссией и подразделяется на механическую и гидравлическую.

В диафрагменных насосах с механическим приводом диаф­ рагмы имеется толкатель, который жестко связан с диафрагмой. В период хода нагнетания диафрагма испытывает нагрузку, рав­ ную давлению, создаваемому насосом, поэтому с ростом давле­ ния, создаваемого насосом, срок службы диафрагмы резко умень­ шается. По этой причине при механическом приводе диафраг­ мы параметры насоса, как правило, жестко связаны с прочнос­

тными параметрами диафрагмы и ограничены сроком ее служ­ бы. Так как давление, развиваемое погружными насосами для добычи нефти, достаточно велико (порядка 10 МПа), то данный вид трансмиссии не может быть использован в насосах, пред­ назначенных для долговременной работы в скважинах.

Внасосах с гидравлическим приводом диафрагмы между ней

иисполнительным органом насоса находится жидкая рабочая среда, которая, вытесняясь из рабочей камеры рабочим органом (например, — плунжером), воздействует на диафрагму, а через нее — на перекачиваемую среду. При этом диафрагма является лишь разделительным органом, отделяющим рабочую среду и исполнительные органы насоса от перекачиваемой среды. Дав­ ление сред по обе стороны диафрагмы практически одинаково. Если отклонение диафрагмы от нейтрального положения выб­ рано с таким расчетом, что напряжения в материале диафрагмы незначительны, то работоспособность диафрагмы и срок ее служ­ бы определяется пределом выносливости материала при много­ кратном изгибе в месте крепления диафрагмы к корпусу насоса. Кроме того, к достоинству этого типа трансмиссии относится возможность передачи больших мощностей при малых размерах элементов, большой срок службы, обуславливаемый в значитель­ ной степени самосмазыванием всех элементов трансмиссии ра­ бочей жидкостью и простыми средствами предохранения транс­ миссии от перегрузок. К особенностям данного вида трансмис­ сии следует отнести высокие требования, предъявляемые к ка­ честву изготовления ее элементов, а также к самой рабочей жид­ кости, свойства которой должны оставаться стабильными при длительной работе в условиях повышенной температуры и дав­ ления. В связи с решением данных задач современными струк­ турами машиностроения и нефтехимии именно данный тип трансмиссии используется для диафрагменных насосов для до­

бычи нефти.

Однако, в случае применения гидравлического привода ди­ афрагмы, необходимо в конструкции насоса предусмотреть уст­ ройство для поддержания заданного нейтрального положения диафрагмы. Наиболее простыми являются устройства открыто­ го типа, когда конструкция насоса обеспечивает гарантирован­ ную утечку из полости насоса в диафрагменную камеру, а отту­ да, при образовании некоторого определенного избытка рабо­

чей жидкости, он сбрасывается в нагнетательный канал диаф­ рагменного насоса. В этом случае в насосе должен быть доста­ точный объем рабочей жидкости для обеспечения необходимого срока службы насоса.

Устройства по поддержанию нейтрального положения диаф­ рагмы (иначе называемая системой компенсации утечек — СКУ) позволяют регулировать объем рабочей жидкости в диафрагмен­ ной камере, добавляя ее туда или сбрасывая избыток в сливную линию силового насоса. При использовании такой системы по­ тери рабочей жидкости минимальны, однако наличие такой си­ стемы усложняет конструкцию насоса. В других случаях может быть применена комбинированная система, при которой недо­ статок рабочей жидкости в диафрагменной камере компенсиру­ ется из гидравлической системы насоса, а избыток — сбрасыва­ ется в нагнетательный канал диафрагменного насоса. Конкрет­ ный выбор одного из способов поддержания нейтрального по­ ложения диафрагм зависит от конструкции насоса и, в частно­ сти, от конструкции диафрагм.

Как уже указывалось выше, одной из наиболее важных час­ тей насоса является диафрагма. Часто именно ее долговечность определяет долговечность насоса, так как клапаны имеют доста­ точный ресурс и их конструкция хорошо отработана, а привод­ ная часть насоса отделена от агрессивной среды диафрагмой и поэтому имеет также высокие показатели долговечности. Так как особенности исполнения диафрагм зависят от конструкции насоса, то в начале рассмотрим их.

Скважинные диафрагменные насосы могут быть как одно­ стороннего, так и двустороннего действия. Насосы односторон­ него действия позволяют значительно упростить конструкцию и уменьшить габариты. Однако, при этом появляется значитель­ ная неравномерность загрузки привода, что снижает его КПД и надежность. Этот недостаток можно существенно ослабить при применении рекуператоров энергии холостого хода. При этом снижается необходимая установочная мощность привода и улуч­ шаются условия его работы, повышается общий КПД. В то же время наличие рекуператора усложняет конструкцию насоса. Кроме того, выход из строя рекуператора приводит к прекраще­ нию работы насоса. Поэтому насосы одностороннего действия изготавливаются небольшой мощности (3—5 кВт).

Насосы двухстороннего действия имеют при одной и той же установочной мощности электродвигателя подачу в 1,5—1,7 раз большую, чем насос одностороннего действия, из-за отсутствия холостого хода и более равномерную нагрузку на электродвига­ тель. Поэтому этот принцип может быть рекомендован при из­ готовлении насосов большой мощности (свыше 5 кВт).

В насосах используются различные конструкции диафрагм.

Плоская — наиболее простая и технологичная форма диаф­ рагмы. При использовании гидравлического привода легко ус­ танавливается точка наибольшего прогиба, что упрощает проек­ тирование устройств компенсации. К недостаткам данной кон­ струкции относится небольшая предельно допустимая величина прогиба подобных диафрагм, что делает затруднительным при­ менение их в насосах, рассчитанных на большие подачи (свыше 20 м3/сут).

Сильфон — этот тип диафрагм позволяет изменять объем ди­ афрагменной камеры в несколько раз. Кроме того, величина и направление изменения ее объема могут легко контролировать­ ся, что облегчает создание устройств компенсации смещения ней­ трального положения диафрагмы при гидравлическом приводе.

Рис. 1.190. Сильфонная диафрагма:

D — наружный диаметр; d — внутренний диаметр; 8 — толщина оболочки

при этом не образуется мест с высокой степенью деформации. Кроме того, эти диафрагмы более просты по конструкции, чем сильфонные. Однако, при применении цилиндрических диаф­ рагм трудно определить направление их максимального проги­ ба, что затрудняет проектирование устройств компенсации. В целом применение подобных диафрагм оправдано при проек­ тировании насосов на большие подачи и давления.

D

8

г*а

а

Рис. 1.191. Диафрагма:

а — балонная; б — рукавовидная

Различаются насосы и количеством диафрагм. Количество ди­ афрагм зависит как от типа насоса — одностороннего или двух­ стороннего действия, так и от его конструкции. Например, рабо­ чие диафрагмы, деформация которых изменяет объем рабочих камер, и вспомогательные, связанные с устройством компенса­ ции. В целях увеличения надежности насоса могут быть установ­ лены 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 промыш­ ленности 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, матери­ ал должен быть стоек к действию нефти и пластовой воды, име­ ющей, как правило, кислую реакцию. Во вторых, материал дол­ жен быть износостоек к абразивному действию механических примесей (зачастую с высокой твердостью), содержащихся в до­ бываемой жидкости. В третьих, материал должен выдерживать большое количество циклов нагружения. Как правило, для изго­ товления 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 энер­ гии холостого хода и разделительной диафрагмой. Данная схема была разработана в ОКБ БН под двигатель института электроди­ намики 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 диафрагмен­ ного насоса 2. Рабочий орган 3 линейного электродвигателя 1 соединен с рабочим цилиндром 4, имеющим закрытый нижний конец. Рабочий цилиндр 4 одет на неподвижный полый плун­ жер 5, во внутреннюю полость которого вставлена сменная втул­ ка 6. Внутренний канал полого плунжера 5 соединен с нижней частью диафрагменной камеры 7. Диафрагменная камера 7 раз­ делена плоской диафрагмой с?на две части. Верхняя часть диаф­ рагменной камеры 7 имеет канал 9, в который выходят всасыва­ ющий 10 и нагнетательный 11 клапаны. Входное отверстие вса­ сывающего клапана 10 закрыто фильтрующей сеткой 12. Для использования энергии холостого хода и снижения усилия раз­ виваемого линейным двигателем при рабочем ходе, в конструк­ ции насоса предусмотрен рекуператор, состоящий из вспомога­ тельного цилиндра 13, поршнем которого является рабочий ци­ линдр 4, нескольких плунжеров 14, нижний торец которых со­ единен гидроканалом 15 со вспомогательным цилиндром 13, и пружины сжатия 16. Для компенсации утечек рабочей жидкости из системы рекуперации, ее полость при помощи канала 17, пе­

рекрытого клапаном 18, соединена с внутренней полостью элек­ тродвигателя 7. Для поддержания нейтрального положения ди­ афрагмы 8 в насосе 2 предусмот­ рен специальный механизм ком­ пенсации, состоящий из золотни­ ка -19, связанного штоком с цен­ тральной частью диафрагмы 8.

Плунжер золотника 19 перекры­ вает в нейтральном положении верхний 20 и нижний 27 кана­ лы, соединяющие полость под диафрагмой 8 с полостью элект­ родвигателя 7. В каналах 20 и 27 установлены обратные клапаны

22 и 23.

Насос работает следующим образом. При включении элект­ родвигателя 7, его рабочий орган 3 начинает вместе с рабочим ци­ линдром 4 перемещаться вниз. При этом начинает увеличивать­ ся свободный объем в рабочем цилиндре 4 и рабочая жидкость начинает перетекать в него по каналу в полом плунжере 5 из диафрагменной камеры 7. Диаф­ рагма допускается, всасывающий клапан 10 открывается и пласто­ вая жидкость, пройдя через сетку фильтра 12, попадает в наддиафрагменную зону диафрагменной камеры 7. Одновременно рабочая

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

жидкость, вытесняемая рабочим цилиндром 4 из вспомогатель­ ного цилиндра 13, поступает под плунжеры 14. Плунжеры 14, выдвигаясь из своих пазов, сжимают пружину 16. Осуществля­ ется цикл всасывания.

При достижении рабочим органом 3 электродвигателя 1 сво­ ей нижней точки, происходит реверсирование движения рабо­ чего органа 3. Рабочий орган 3 электродвигателя 1начинает дви­ жение вверх. В дополнение к усилию, развиваемому линейным двигателем, высвобождается энергия сжатой пружины 16, кото­ рая начинает перемещать плунжеры 14 вниз. Рабочая жидкость, вытесняемая из-под плунжеров 14, давит на нижнюю кромку рабочего цилиндра 4. Таким образом, усилие, развиваемое пру­ жиной 16, складывается с усилием, развиваемым электродвига­ телем 1. При перемещении рабочего цилиндра вверх, его внут­ ренний объем уменьшается и рабочая жидкость по каналу в плун­ жере 5 поступает в диафрагменную камеру 7, вызывая переме­ щение диафрагмы 8 вверх. Объем наддиафрагменной зоны ди­ афрагменной камеры 7 уменьшается, открывается нагнетатель­ ный клапан 11 и пластовая жидкость попадает в колонну насос­ но-компрессорных труб. Осуществляется цикл нагнетания. При этом, если к концу хода из-за утечек рабочей жидкости из сис­ темы рекуперации, плунжеры 14 уже дошли до нижнего поло­ жения, а рабочий цилиндр 4 продолжает движение вверх, то под ним во вспомогательном цилиндре 13 возникает разряжение, клапан 18 открывается и рабочая жидкость из полости электро­ двигателя 1 поступает в систему рекуперации.

Контроль крайних положений 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, перемеща­ ясь вверх, открывает нижний канал 21. Клапан 23 открывается и избыток жидкости сбрасывается в полость электродвигателя 1.

Диафрагма отделяет внутренние полости погружного агрега­ та от перекачиваемой среды и препятствует попаданию свобод­ ного газа в цилиндр насоса, значительно снижая влияние вред­

ного объема в насосе. Изменение 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 свя­ зи с тем, что Институт электродинамики АН УССР не смог до­ вести надежность своего электродвигателя до требуемой вели­ чины, работы по созданию подобного насоса были приостанов­ лены. В связи с вышеизложенным в настоящее время в нефтя­ ной промышленности применяются бесштанговые объемные на­ сосы только с роторным электродвигателем.

За рубежом основным разработчиком погружных диафраг­ менных насосов была германская фирма Pleuger Underwasserpussy Gmb. Ей принадлежит свыше десяти патентов на скважинные диафрагменные насосы различных типов. Наиболее удачная кон­ струкция приведена на рис. 1.193 [36]. Корпус насоса 1 соединен с электродвигателем 2, вал которого вращает конический редуктор 3.

Конический редуктор 3 преобра­ зует вращение вала электродвига­ теля 2 во вращение горизонталь­ ного низкоскоростного кулачко­ вого вала 4. Кулачок набегает на толкатель 5, служащий одновре­ менно плунжером диафрагменно­ го насоса. Возврат толкателя 5 осу­ ществляется при помощи пружи­ ны 6. Контроль положения диа­ фрагмы осуществляется при по­ мощи золотникового устройства 7, плунжер которого жестко связан с расположенной в рабочей каме­ ре 8 диафрагмой 9. При переме-

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