Семыкин Д.С. МТМ-20-01. Отчет по НИР. Отчет по дисциплине Научноисследовательская работа Темы Исследование рабочего процесса диафрагменного насоса с погружным электродвигателем и механической трансмиссией для добычи нефти
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Факультет Инженерной механики Кафедра Машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Оценка: Рейтинг: Проверил: Кривенков С.В. (подпись) (фамилия, имя, отчество) (дата) Отчет по дисциплине Научно-исследовательская работа Темы: Исследование рабочего процесса диафрагменного насоса с погружным электродвигателем и механической трансмиссией для добычи нефти ВЫПОЛНИЛ: Студент группы МТМ-20-01 (номер группы) Семыкин Дмитрий Сергеевич (фамилия, имя, отчество) (подпись) (дата) Москва, 2021 2 МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Факультет Инженерная механика Кафедра Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ ДАНО студенту Семыкину Дмитрию Сергеевичу группы МТМ-20-01 (фамилия, имя, отчество в дательном падеже) (номер группы) Тематика НИР: Исследование рабочего процесса диафрагменного насоса с погружным электродвигателем и механической трансмиссией для добычи нефти Содержание отчета по выполнению НИР: 1. Аналитический обзор современной научно-технической, методической литературы и диссертаций 2. Патентный поиск 3. Основные проблемы, пути решения проблемы и предполагаемый результат 4. Основные выводы Рекомендуемая литература: 1. Скважинные насосные установки для добычи нефти. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов В.С., Пекин С.С. — Учебное пособие. -М.: Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002. — 824 с. 2. Диссертация «Повышение эффективности скважинных диафрагменных насосных установок путем совершенствования привода». Кривенков С.В., М: РГУ нефти и газа, 1994г. 3. Каталог нефтепромыслового оборудования АО «Ижевский электромеханический завод «КУПОЛ», АО «НПО «ИМЕКС» Электронасос погружной диафрагменный серии ЭДН5 Р (ЦК6033.00.00.000). Руководитель: к.т.н. доцент Кривенков С.В. (уч.степень) (должность) (подпись) (фамилия, имя, отчество) Задание принял к исполнению: студент Семыкин Д.С. (подпись) (фамилия, имя, отчество) 3 Оглавление Введение ................................................................................................................... 4 1 Аналитический обзор современной научно-технической, методической литературы и диссертаций ..................................................................................... 5 2 Патентный поиск ................................................................................................ 14 3 Неблагоприятные факторы, основные причины отказов скважинного диафрагменного насоса ........................................................................................ 31 3.1 Неблагоприятные факторы гидравлической части .................................. 31 3.2 Неблагоприятные факторы приводной части и корпуса насоса ............. 35 4 Критерии отказов и предельных состояний скважинного диафрагменного насоса ...................................................................................................................... 38 5 Стратегия эксплуатации и ремонта скважинного диафрагменного насоса, структура ремонтного цикла, содержание операций текущего, и капитального ремонтов ................................................................................................................. 41 6 Расчет параметров безотказности элементов диафрагменного насоса ..... 44 6.1 Расчет параметров безотказности клапанов диафрагменного насоса .... 44 6.2 Расчет параметров безотказности диафрагмы насоса .............................. 50 7 Вероятность безотказной работы диафрагменного насоса ........................ 52 8 Задание показателей надежности диафрагменного насоса ........................ 54 9 Основные проблемы, пути решения проблемы и предполагаемый результат ................................................................................................................................. 56 Выводы ................................................................................................................... 58 Список использованных источников .................................................................. 59 4 Введение На сегодняшний день месторождения, открытые в 60-е годы прошлого века, находятся в поздней стадии эксплуатации, характеризующейся малыми дебитами, высокой обводненностью и высоким содержанием механических примесей. Ввиду истощения запасов легкой нефти, осуществляется переход добычи к трудноизвлекаемым запасам. Решением проблемы высокого содержания механических примесей при добыче нефти стало разработка установок электроприводных диафрагменных насосов. Сегодня все больший интерес к запасам трудноизвлекаемой нефти проявляют правительство и крупные нефтедобывающие компании. В России доля «трудной» нефти растет, и на данный момент она превышает 65 % от общего объема. Очевидно, что столь высокий процент получается в том числе за счет истощения легкоизвлекаемых запасов «черного золота» [1]. Диафрагменные насосы предназначены для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных скважин, которые в настоящие время и в ближайшем обозримом будущем, будут являются основным фондом нефтяной промышленности России, поэтому разработка данного вида насосного оборудования будет иметь особую актуальность [2]. 5 1 Аналитический обзор современной научно-технической, методической литературы и диссертаций Диафрагменные (мембранные) насосы (Рисунок 1.1) относятся к классу объемных. Они предназначены для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных скважин. Отличительными конструктивными особенностями диафрагменного насоса являются изоляция его исполнительных органов от перекачиваемой среды эластичной диафрагмой (мембраной) и работа этих органов в герметичной полости, заполненной чистой жидкостью [2]. Рисунок 1.1 – Схема скважинного диафрагменного насоса: 1 - токоввод; 2 - обратный клапан для прокачки; 3 - нагнетательный клапан; 4 - всасывающий клапан; 5 - резиновая диафрагма; 6 - возвратная пружина; 7 - плунжерный насос;8 - эксцентриковый привод; 9 - редуктор; 10 - электродвигатель; 11 – компенсатор [3] 6 Отличительные особенности мембранных насосов определяют соответствующие области применения. Наибольшее значение в этом случае играют крайне высокая химическая стойкость и компактность насосов. Современная ситуация в науке и техники такова, что какое-либо открытие, будь то новый вид материала или технология, побуждает его внедрение в уже имеющиеся отрасли путем улучшения имеющегося оборудования или технологии с учетом новых знаний [4]. В нефтяной промышленности погружные диафрагменные насосы предназначены для эксплуатации малодебитных скважин преимущественно с агрессивной продукцией (Рисунок 1.2), с продукцией, содержащей механические примеси, с пескопроявлениями, c высокой обводненностью продукции, c кривыми и наклонными стволами, а также для добычи высоковязких нефтей. Рисунок 1.2 - Области применения скважинных насосных установок для добычи нефти [5] Область применения скважинных диафрагменных насосов: • максимальная массовая концентрация твердых частиц до 10 г/л; 7 • содержание попутной воды в перекачиваемой среде в любой пропорции; • максимальная кинематическая вязкость однофазной перекачиваемой жидкости в точке подвеса не более 100 сСт (мм 2 /с), при которой обеспечивается работа электронасоса без изменения КПД не более 300 сСт (мм 2 /c); • максимальное объемное содержание попутного нефтяного газа на приеме насоса до 20 % со снижением подачи до 50% от номинального значения; • водородный показатель попутной воды 6,0÷8,5 pH; • максимальная концентрация сероводорода 0,01 г/л; • рабочий диапазон изменения температуры от 5 до 90 С [3]. Исходя из области применения диафрагменных насосов показатель максимальной массовой концентрации твердых частиц является одним из самых высоких в скважинной насосной технике. Это связано с тем, что откачиваемая продукция не контактирует с подвижными деталями погружного агрегата, будучи отделенной от них диафрагмой. Базовый принцип работы мембранного насоса (рисунок 1.3) любой конструкции заключается в следующем: мембрана, выгибаясь в сторону «от камеры», увеличивает её объём и тем самым создаёт в камере область пониженного давления, в результате чего в насос засасывается порция жидкости. При выгибании диафрагмы в противоположную сторону объём камеры уменьшается, повышается давление – и жидкость выталкивается наружу. Однако, подобный эффект был бы невозможен без ещё двух необходимых элементов – впускного и выпускного клапанов. Они работают в паре, одновременно, но зеркально: • при всасывающем движении мембраны открывается впускной клапан, разрешая проход жидкости из исходной ёмкости в рабочую камеру – 8 выпускной же при этом закрыт для сохранения низкого давления в камере; • при выталкивающем ходе мембраны открывается выпускной клапан, давая выход жидкости из камеры – при этом входной клапан закрывается, чтобы жидкость не вышла обратно в ёмкость. Таким образом, обеспечивается ток жидкости в единственно правильном направлении – из ёмкости в насос и из насоса далее в систему. Для срабатывания клапанов какое-либо внешнее управляющее воздействие не требуется, они запираются и открываются самостоятельно, под влиянием тока жидкости [6]. Рисунок 1.3 – Принципиальная схема диафрагменного насоса: а – такт всасывания; б – такт нагнетания; 1 – всасывающий патрубок; 2 – всасывающий клапан; 3 – рабочая камера; 4 – диафрагма; 5 – шток; 6 – нагнетательный патрубок; 7 – нагнетательный клапан [6] Насос состоит из гидравлической и приводной части. Основным элементом гидравлической части, как и всего насоса, является диафрагма 9 (Рисунок 1.4). Часто именно ее долговечность определяет долговечность насоса, так как клапаны имеют достаточный ресурс и их конструкция хорошо отработана, а приводная часть насоса отделена от агрессивной среды диафрагмой и поэтому имеет также высокие показатели долговечности [2]. а) б) в) Рисунок 1.4 – Конструкции диафрагм насоса: а) плоская, б) цилиндрическая, в) сильфонная Также вместе с диафрагмой в гидравлическую часть диафрагменного насоса входят всасывающий и нагнетательный клапаны. Они могут быть различными по конструкции, но чаще всего в нефтяных диафрагменных насосах применяются шариковые клапаны (Рисунок 1.5). Рисунок 1.5 – Шариковый клапан Шариковый клапан имеет простейшую конструкцию, состоит из седла и подвижного запорного элемента в виде сферы. Герметичность обеспечивается за счет посадки шара на посадочную поверхность седла. Шариковые клапаны применяются в большом количестве случаев, так как они имеют простую конструкции и хорошо себя зарекомендовали [7]. 10 В приводную часть диафрагменного насоса входит механическая трансмиссия (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 – Конструкция модернизированного привода диафрагменного насоса [3] Задачей данного привода является увеличение хода плунжера за счет применения кривошипно-шатунного механизма и снижение числа двойных ходов плунжера за счет четырехступенчатого редуктора, что в свою очередь, увеличивает межремонтный период работы насоса. Принцип работы трансмиссии заключается в следующем, вращающий момент от погружного электродвигателя передается на первую ступень редуктора, где установлена коническая передача (рисунок 1.6), предназначенная для изменения оси вращения и возможности использования редуктора в ограниченных габаритах скважины. Далее вращающий момент передается на последовательные цилиндрические ступени. На выходе из редуктора установлен кривошипно-шатунный механизм для превращения вращательного движения колес в возвратно-поступательное движение плунжера. Вся система механической трансмиссии заполнена маслом. Плунжер, совершая возвратно-поступательное движение создает повышенное давление, либо разряжение, что в свою очередь заставляет прогибаться диафрагму и перекачивать пластовый флюид. 11 На тему совершенствования работы УЭДН написано очень мало диссертаций. Из них стоит выделить работу к.т.н. Кривенкова Сергея Валерьевича «Повышение эффективности скважинных диафрагменных насосных установок путем совершенствования привода» [8]. В данной диссертации было установлено, что существенное расширение области применения скважинных диафрагменных насосов может быть достигнуто за счет использования гидравлической трансмиссии. В работе была разработана поэтапная математическая модель рабочего процесса диафрагменного насоса, которая позволяет без предварительных экспериментальных исследований рассчитать его основные конструктивные параметры и характеристики. При этом доказано, что сжимаемость рабочей жидкости оказывает существенное влияние на характер протекания процессов в гидроприводе диафрагменного насоса. Предложены в результате анализа математической модели безразмерные критерии подобия, определяющие характер протекания процессов в системе, которую образуют диафрагменный насос со столбом жидкости в НКТ. Выявлены основные критерии подобия, определяющие характер протекания колебательных процессов в системе диафрагменного насоса, а также предложены критерии этих процессов. Установлено, что при подачах менее 50 м 3 /сутки [8]: a) колебательные процессы в канале НКТ не оказывают существенного влияния на работу диафрагменного насоса и ими можно пренебречь; b) характер нагрузки не оказывает значительного влияния на параметры работы диафрагменного насоса. Определено, что для диафрагменных насосов исследуемой конструкции: 12 a) оптимальная длина хода поршневой группы диафрагменного насоса находится в интервале 100 – 150 мм, а оптимальный диаметр силового поршня – в интервале 40-50 мм. b) рациональная область применения находится в интервале подач от 5 до 40 м 3 /сутки. Подтверждены экспериментальными исследованиями диафрагменного насоса результаты теоретических исследований, а также в результате промысловых испытаний работоспособность м эффективность новой конструкции диафрагменной насосной установки. На рисунке 1.7 представлена схема диафрагменного насоса (а) и структурная схема диафрагменного насоса (б). а) б) Рисунок 1.7 – а) Схема диафрагменного насоса: 1 - погружной электродвигатель; 2 – силовой насос; 3 – гидроприводной силовой золотник; 4 13 – пилотный золотник; 5 – силовой поршень; 6 – промежуточный шток; 7 – насосный поршень; 8,9 – диафрагмы; 10,11 – всасывающие клапаны; 12,13 – нагнетательные клапаны. б) Структурная схема диафрагменного насоса: 1 – силовой насос; 2 – предохранительный клапан; 3 – силовой золотниковый гидрораспределитель; 4 – силовой гидроцилиндр; 5 – пилотный золотниковый гидрораспределитель; 6 – управляемый гидроцилиндр; 7 – исполнительный гидроцилиндр; 8 – блок диафрагм; 9 – клапанная группа [8] 14 2 Патентный поиск Патент SU 1399501 A1. Погружной диафрагменный насос с электроприводом [9]. Авторы: Ивановский Николай Фролович, Ивановский Владимир Николаевич. Погружной диафрагменный насос с электроприводом, содержащий корпус и расположенные в нем две насосные секции, выполненные в виде диафрагм с рабочими и приводными полостями, и вытеснитель с двумя рабо- чими камерами, который кинематически связан с электроприводом, а рабочие камеры гидравлически сообщены с приводными полостями диафрагм, причем рабочие полости диафрагм через всасывающие клапаны сообщены с затрубным пространством и через нагнетательные клапаны - с внутренними полостями подъемных труб, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, он дополнительно снабжен блоком компенсации утечек через вытеснитель, выполненным в виде расположенных в корпусе гидроканалов для сообщения рабочих камер вытеснителя между собой и двух подпружиненных золотников, установленных в гидроканалах с возможностью взаимодействия с диафрагмами в их крайнем нижнем положении. Конструкция уникальна тем, что диафрагмы установлены в выполненных в корпусе двух параллельных цилиндрических расточках Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано, в частности, для подъема жидкости из скважины. Цель изобретения - повышение надежности работы погружного диафрагменного насоса с электроприводом. На рисунке 2.1 представлена принципиальная схема погружного диафрагменного насоса с электроприводом; на рисунке 2.2 разрез А-А и Б-Б погружного диафрагменного насоса с электроприводом. 15 Рисунок 2.1 - Принципиальная схема погружного диафрагменного насоса с электроприводом [9] Рисунок 2.2 – Разрез А-А и Б-Б погружного диафрагменного насоса с электроприводом [9] 16 Погружной диафрагменный насос с электроприводом (не показан) содержит вытеснитель 1, выполненный, на пример, в виде поршневого вытеснителя, который кинематически связан с электроприводом, а верхняя и нижняя рабочие камеры 2 и 3 гидравлически сообщены с приводными полостями 4 5 двух насосных секций, выполненных в виде двух диафрагм 6 и 7, которые через всасывающие клапаны 8 и 9 сообщены с затрубным пространством 10 и через нагнетательные клапаны 11 и 12 - с внутренней полостью 13 подъемных труб 14. Между диафрагмами 6 и 7 и вытеснителем 1 расположен блок 15 компенсации утечек через поршневой вытеснитель 1, выполненный в виде корпуса 16, в котором расположены гидроканалы 17 и 18 и два подпружиненных золотника 19 и 20. Диафрагмы 6 и 7 расположены в параллельно выполненных в корпусе 16 цилиндрических расточках 21 и 22 (рис 2.2). Золотники 19 и 20 могут иметь соответственно упоры 23 и 24 и пружины 25 и 26. Диафрагмы 6 и 7 выполнены, например, в виде сильфонов и содержит соответственно рабочие полости 27 и 28. Верхняя и нижняя рабочие камеры 2 и 3, гидроканалы 17 и 18, приводные полости 4 и 5 заполнены рабочей жид- костью, например, маслом. Погружной диафрагменный насос с электроприводом работает следующим образом, при ходе вытеснителя 1 вниз рабочая жидкость из нижней рабочей камеры 3 перетекает по гидроканалу 18 в приводную полость 5 и вытесняет добываемую жидкость через диафрагму 7 и рабочую полость 28, нагнетательный клапан 12 во внутреннюю полость 13 и подъемник труб 14. Одновременно с этим рабочая жидкость приводной полости 4 через гидроканал 17 поступает в верхнюю рабочую камеру 2. Происходит опускание диафрагмы 6 и всасывание добываемой жидкости через всасывающий клапан 8 в рабочую полость 27. 17 При ходе вытеснителя 1 вверх цикл работы насоса повторяется в обратном порядке. В случае утечки рабочей жидкости из верхней рабочей камеры 2 вытеснителя 1 в нижнюю рабочую камеру 3, при ходе вытеснителя вниз диафрагма 6 в нижнем положении нажимает на упор 23, золотник 19 также перемещается вниз и происходит сообщение верхней рабочей камеры 2 через гидроканал 17 с нижней рабочей камерой 3. Поскольку в нижней камере 3 рабочая жидкость находится под давлением нагнетания, а в верхней камере 2 - под давлением всасывания, то часть рабочей жидкости под действием перепада давлений перетекает из нижней камеры 3 в верхнюю камеру 2, что обеспечивает компенсацию утечек рабочей жидкости. В случае утечки жидкости из нижней рабочей камеры 3 в верхнюю рабочую камеру 2 при ходе вытеснителя 1 вверх, диафрагма 7 в нижнем положении нажимает на упор 24 золотник 20 перемещается вниз и происходит сообщение нижней рабочей камеры 3 через гидроканал 18 с верхней рабочей камерой 2. Поскольку в верхней рабочей камере 2 рабочая жидкость находится под давлением нагнетания, а в нижней рабочей камере 3 - под давлением вса- сывания, то часть рабочей жидкости под действием перепада давлений пере- текает из верхней камеры 2 в нижнюю камеру 3, что обеспечивает компенса- цию утечек рабочей жидкости. Патент RU 6847 U1. Погружной диафрагменный электронасос с вибрационным приводом [10]. Авторы: Карачев А.С. Цель изобретения - повышение надежности работы, долговечности, изготовление насоса меньшего диаметра. 18 Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве эксцентриковый привод электронасоса заменён на шариковый. При этом можно уменьшить диаметр электронасоса за счет замены углового редуктора эксцентриком. Шариковый привод насоса более долговечен в работе и значительно дешевле в изготовлении. На рисунке 2.3 изображен электронасос с шариковым приводом. Электронасос выполнен в виде моноблока вертикального исполнения, в котором размещены - асинхронный четырехполюсный электродвигатель 2 и плунжер насоса 3 с пружиной 4 для возврата плунжера, а также резиновая плоская диафрагма 5 и компенсатор 1 для изменений объёма масла. Диафрагма разделяет рабочую камеру насоса, размещенную сверху диафрагмы и рабочую полость привода, расположенную под диафрагмой и заполненную маслом. Рабочая камера насоса герметично изолирована от привода. Рисунок 2.3 – Принципиальная схема погружного диафрагменного электронасоса с вибрационным приводом [10] 19 В камере под диафрагмой расположены всасывающий 6 и нагнетательный 7 шариковый клапаны. Шариковый привод перемещения плунжера насоса состоит из двух дисков 8 и 11 с полусферами. Между дисками находятся стальные шарики 10. Нижний диск 8 с полусферами закрепляется на валу электродвигателя 2 и вращается вместе с ним опираясь при этом на упорный шариковый подшипник 9. Верхний диск 11 с полусферами изготавливается из одной стальной заготовки вместе с плунжером насоса и не вращается, а выполняет только возвратно-поступательное движение во втулке 13 насоса. Обратное возвращение плунжера в исходное положение осуществляется возвратной пружиной 4 опертой в торец плунжера. На окружности диска диаметрально противоположно ввернуто две латунных шпильки 12, которые концами входят в прорези втулки 13 и предотвращают поворот плунжера при работе. Нижний диск крепится на валу электродвигателя шпонкой, а верхний крепится на плунжере также шпонкой. Привод работает следующий образом. При вращении двигателем 2 нижнего диска 8 шарики 10 перекатываются по его полусферам, передавая колебания плунжеру, а затем и мембране 5, которая перемещаясь выталкивает нефть из скважины на поверхность. Предлагаемая конструкция шарикового привода электронасоса имеет ряд преимуществ перед приводом насоса с эксцентриком: • простота конструкции, меньшие затраты на изготовление; • в связи с возможным уменьшением диаметра насоса появляется возможность эксплуатировать скважины меньшего диаметра, что уменьшит затраты на проходку скважин и их креплению обсадными трубами; 20 • можно иметь запасные диски с увеличенными радиусами полусфер что позволяет изменять ход плунжера, а следовательно и подачу жидкости насосом. Патент RU 2044160 C1. Погружной диафрагменный электронасос [11]. Авторы: Колмаков Иван Алексеевич. Цель изобретения - исключение попадания попутного газа в полость гидравлического привода диафрагмы. Эта цель достигается тем, что в погружном диафрагменном электронасосе, содержащем гидравлический привод диафрагмы, расположенные в головке насоса всасывающий и нагнетательный клапаны, имеется установленный выше диафрагмы компенсатор изменения объема масла, выполненный в виде охватывающего с зазором головку насоса цилиндра, полость которого соединена каналами с полостью гидропривода диафрагмы и с установленным в верхней части клапаном с фильтром. Такое выполнение электронасоса позволяет избавиться от попутного газа в полости гидропривода диафрагмы, тем самым увеличить коэффициент подачи насоса, повысить надежность его работы. На рисунке 2.4 показан: а) насос и его разрез; б) часть насоса с компенсатором; в) клапан с фильтром. Погружной диафрагменный электронасос содержит электродвигатель 1, установленные в корпусе 2, конический редуктор 3, эксцентриковый привод 4 и гидропривод в виде плунжерного насоса 5. От перекачиваемой жидкости механизм насоса изолирован корпусом 6 и эластичной диафрагмой 7. Для подачи жидкости имеются всасывающий 8 и нагнетательный 9 клапаны, установленные вертикально на одной оси в головке 10 насоса. 21 а) б) в) Рисунок 2.4 – а) Принципиальная схема погружного диафрагменного электронасоса; б) часть насоса с компенсатором; в) клапан с фильтром [11] Верхняя часть насоса выполнена следующим образом. В нижней части головки 10 насоса на уровне всасывающего клапана 11 корпуса регулятора 12 22 выполнены два диаметрально расположенных отверстия 13, кольцевой зазор 14 и каналы 15, которые служат для вывода растворенного в масле газа из зоны всасывающего клапана 11 регулятора в компенсатор 16 изменения объема масла. Компенсатор 16 изменения объема масла выполнен в виде охватывающего с зазором головку 10 насоса, в частности ее патрубок 17, цилиндра, полость которого соединена каналами 15 с полостью гидропривода диафрагмы 7 и каналом 18 с фильтром 19 и клапаном 20. Фильтр 19 состоит из спеченных мелких шариков, например, из латуни, бронзы и т.д. В корпусе 6 насоса установлен фильтр 21, а в патрубке 17 выполнены отверстия 22. Имеются также кольцевой зазор 23 между патрубком и насосно- компрессорной трубой и каналы 24 для подачи добываемой жидкости в рабочую камеру 25 над диафрагмой 7. В головке 10 электронасоса выполнены каналы 26, соединяющие камеру 25 с нагнетательным клапаном 9. Электронасос подвешен на насосно-компрессорных трубах 27. Электронасос работает следующим образом. Электродвигатель 1 через конический редуктор 3 и эксцентриковый привод 4 приводит в действие плунжерный насос 5, обеспечивающий колебания эластичной диафрагмы 7 и работу клапанов 8, 9. Пластовая жидкость проходит через фильтр 21, отверстия 22, кольцевой зазор 23 и каналы 24 во всасывающий клапан 8 при цикле всасывания, заполняя объем рабочей камеры 25 над диафрагмой 7, а при цикле нагнетания выталкивается через каналы 26 и нагнетательный клапан 9 в насосно-компрессорные трубы 27. Цикл работы повторяется. При работе насоса проникающий через резиновые уплотнения и компенсатор двигателя попутный газ, растворяясь в масле в виде пузырьков, попадает в полость плунжерного насоса 5 и далее проходит через отверстия 13, кольцевой зазор 14 и каналы 15 в пространство между патрубком 17 и компенсатором 16. Затем газ в составе пеномасляной эмульсии проходит через канал 18, очищается фильтром 19 от масла и сбрасывается клапаном 20 из 23 насоса в полость между фильтром 21 и отверстиями 22 в патрубке 17. Срабатывание клапана 20 происходит при заданном давлении попутного газа. Патент RU 103144 U1. Погружной скважинный диафрагменный насос [12]. Авторы: Болотов Константин Павлович, Абросимова Светлана Альбертовна, Исупов Сергей Васильевич. Отличием заявляемой полезной модели является то, что, узлы насоса выполнены отдельными модулями и соединяются между собой при помощи фланцевых соединений, герметичность стыков обеспечивается кольцевыми радиальными уплотнениями, валы соединяются шлицевыми муфтами, также присоединительно-стыковочные размеры погружного асинхронного электродвигателя, унифицированы с электродвигателями погружных электроцентробежных насосов. Токоввод располагается в головке электродвигателя. Имеется при необходимости возможность присоединения к насосной части установки более мощного электродвигателя и соответственно компенсатора, рассчитанного на больший объем масла. Для защиты кабельной линии от повреждений во время спуско-подъемных операций насоса, в скважине на наружной поверхности корпуса конического редуктора выполнен паз, в котором проходит удлинитель кабельной линии. На рисунке 2.5 показан общий вид погружного скважинного диафрагменного насоса. Погружной скважинный диафрагменный насос состоит из компенсатора температурного расширения масла 1, асинхронного четырехполюсного электродвигателя 2, конического редуктора 3, плунжерного насоса 4 с эксцентриковым приводом 5, возвратной пружиной 6, обратного 7 и сливного 8 клапанов, кабельной линии 9. Пластовая жидкость попадает в насос через щелевую сетку 10, далее при перемещении плоской диафрагмы 11 вниз, открывается всасывающий клапан 12, при движении диафрагмы вверх, клапан закрывается и срабатывает нагнетательный клапан 24 13, после жидкость оказывается в трубке 14, где пройдя систему обратного и сливного клапанов попадет в колонну труб НКТ. Вал электродвигателя 15, соединяется с валом редуктора 16, с помощью шлицевой муфты 17. Остальные элементы установки соединяются на шпильки по фланцам, а герметичность соединений обеспечивается кольцевыми радиальными уплотнениями. Рисунок 2.5 - Погружной скважинный диафрагменный насос [12] Погружной скважинный диафрагменный насос предназначен для работы в вертикальных и наклонных скважинах, для откачки пластовой жидкости. 25 Применение данной конструкции погружного скважинного диафрагменного насоса позволяет: • не меняя насосной части присоединять электродвигатель большей мощности, что дает возможность увеличить напор насоса (высоту подъема пластовой жидкости) и, соответственно, глубину спуска в скважину; • позволяет производить комплектацию и стыковку узлов насоса непосредственно на монтаже перед спуском, снижая себестоимость монтажных работ; • упрощает ремонт и замену отдельных узлов; • электродвигатель унифицирован с асинхронными электродвигателями погружных электроцентробежных насосов по применяемым материалам и присоединительным размерам, что позволяет использовать для ремонта унифицированные комплектующие. Патент RU 2062906 C1. Погружной диафрагменный электронасос [13]. Авторы: Колмаков Иван Алексеевич. Наиболее близким к описываемому техническому решению является насос для подачи жидкости из скважин, содержащий корпус с редуктором, эксцентриковым приводом, гидравлическим приводом диафрагмы, камеру, сбрасываемую клапанную коробку, сливной клапан с подпружиненным поршнем и самоуплотняющейся манжетой. Недостатком такой конструкции насоса является то, что при работе эксцентрикового привода подобного типа возникает вибрация, которая крайне отрицательно воздействует на резиновые уплотнительные кольца, способствует их быстрому износу и, вследствие этого, нарушается 26 герметичность соединения клапанного блока с камерой насоса, что приводит к резкому снижению подачи последнего. Осаждение песка при прохождении пластовой жидкости происходит не только в предназначенной для этого накопительной камере, но и в зазоре между насосно-компрессорной трубой и корпусом сливного клапана, где установлена самоуплотняющаяся манжета. Выдернуть при этом клапанную коробку полностью из насоса представляется проблематичным. Согласно установленному технологическому процессу на местах эксплуатации в целях ускорения вывода на рабочий режим опущенного в скважину насоса, сверху через межтрубное пространство прокачивается технологическая жидкость, которая под большим давлением проходит через приемный фильтр, всасывающий и нагнетательный клапаны насоса, заполняет насосно-компрессорные трубы и выходит в наземный трубопровод, прочищая и прогревая для зимних условий, последний до ввода в общий трубопровод. При этом жидкость, проходя через клапаны, разрушает их. Происходит это потому, что весь поток жидкости проходит через ограниченный зазор между шаром и решеткой клапана, приводя шар в хаотическое колебательное движение. Шар, имея значительную массу, помноженную на скорость потока, ударяется с большой силой в ножку, сламывает ее и разрушает стенки решетки. Резиновые детали клапана просто вымываются потоком жидкости через отверстия в основании решетки. В случае, если опущенный в скважину насос оснащен сбрасываемой клапанной головкой, то давлением технологической жидкости из межтрубного пространства она поднимается вверх, освобождая свое место для прохода жидкости. При этом в обоих случаях насосы полностью теряют свою работоспособность. 27 Технический результат изобретения состоит в повышении надежности и производительности насоса в целом. Технический результат достигается тем, что в известном погружном диафрагменном насосе, содержащем электродвигатель, механическую передачу гидравлический привод диафрагмы, рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным клапанами, расположенными в головке насоса вертикально, соосно один другому. Причем, всасывающий клапан включает шаровой затвор, установленный с возможностью контакта с плоской рабочей поверхностью седла, а рабочая камера сообщена со входом в нагнетательный клапан при помощи вертикального канала, всасывающий клапан снабжен цилиндрической решеткой для поджима седла к головке насоса и установлена в последней со стороны, обращенной к диафрагме, головка в зоне расположения рабочей поверхности седла снабжена внутренней кольцевой канавкой, сообщенной с указанным вертикальным каналом и охватывающей решетку, последняя на торце в зоне расположения канавки снабжена радиальными каналами, выходящими к рабочей поверхности седла всасывающего клапана. Кроме того, нагнетательный клапан снабжен аналогичной цилиндрической решеткой с радиальными каналами и в его корпусе выполнена кольцевая канавка, сообщенная через радиальные каналы в решетке и наклонные каналы в корпусе с напорным трубопроводом. Описанное техническое решение позволяет повысить эффективность и расширить область применения погружных диафрагменных насосов для добычи нефти из скважин с повышенным содержанием попутного газа и песка. На рисунке 2.6 схематично изображены: а) диафрагменный электронасос для добычи нефти из скважин; б) первый вариант выполнения головки насоса с клапанами; в) второй вариант выполнения головки насоса. 28 Электронасос представляет собой моноблочную конструкцию и состоит из электродвигателя 1, конического редуктора 2, эксцентрикового привода 3, плунжерного насоса 4 и головки 5 с клапанами. А) Б) В) Рисунок 2.6 а) диафрагменный электронасос для добычи нефти из скважин; б) первый вариант выполнения головки насоса с клапанами; в) второй вариант выполнения головки насоса [13] Внутренняя полость электронасоса заполнена маслом и изолирована от перекачиваемой среды эластичной диафрагмой 6, расположенной в головке насоса. В нижней части электродвигателя установлен резиновый компенсатор 7, предназначенный для компенсации температурного расширения масла. Нагнетательный клапан 8 помещен в резьбовой корпус 9, который 29 ввинчивается в верхнюю часть головки насоса. Всасывающий клапан 10 размещен на одной оси с нагнетательным клапаном в нижней части головки насоса, при этом его детали: уплотнительная прокладка 11, седло 12, шар 13, решетка 14 в сборе с ножкой, пружина 15 и амортизационные втулки 16 и 17 устанавливаются непосредственно в головку насоса со стороны диафрагмы 6 (рис. 2.6 (б)) или со стороны нагнетательного клапана (рис. 2.6 (в)). Камера, в которую устанавливается всасывающий клапан, имеет кольцевую проточку 13, расположенную в одной плоскости с рабочей поверхностью седла 12 и выходящими радиальными каналами 19 решетки 14, а также соединенную с вертикальными каналами 21 головки насоса. Корпус нагнетательного клапана 9 имеет наклонные каналы 25 и кольцевую проточку 26, соединяющую каналы с внутренней камерой нагнетательного клапана 8. Насос работает следующим образом. Электродвигатель 1 через редуктор 2 и эксцентриковый привод 3 приводит в действие плунжерный насос 4, который, в свою очередь, обеспечивает гидропривод эластичной диафрагмы 6 и работу клапанов 8 и 10. Пластовая жидкость через входное отверстие 20 в головке насоса проходит при всасывающем ходе диафрагмы в рабочую полость 22 и выходит при нагнетательном ходе диафрагмы через вертикальные каналы 21 и нагнетательный клапан 8 в напорный трубопровод 23, на котором подвешен насос. Попутный газ, попадающий при работе насоса в его рабочую полость и камеру всасывающего клапана 24, стремясь занять верхнее положение, через радиальные каналы 19 выходит в кольцевую проточку 18 и вертикальные каналы 21 и оттуда при нагнетательном ходе диафрагмы 6 выбрасывается через нагнетательный клапан 8 в напорный трубопровод 23. При этом в случае, когда через насос прокачивается технологическая жидкость, основной объем ее проходит через каналы 19, проточку 18, каналы 30 21, проточку 26 и каналы 25, минуя отверстия 27 в основаниях решеток клапанов, сохраняя последние в работоспособном состоянии. Вариант расположения всасывающего клапана в головке насоса, указанного на рис. 2.6 (в) способствует тому, что клапан будет работать в одинаковом режиме с нагнетательным клапаном, повысится коэффициент подачи и надежность работы насоса в целом. 31 3 Неблагоприятные факторы, основные причины отказов скважинного диафрагменного насоса Современные установки диафрагменных насосов имеют достаточно хорошие показатели при добыче нефти, а именно: возможность перекачивать агрессивные среды и высокое содержание механических примесей в добываемом флюиде. Поэтому, если опираться на данные возможности диафрагменных насосов, можно судить о дефектах, которые встречаются в диафрагменном насосе. 3.1 Неблагоприятные факторы гидравлической части Самой опасной частью по отношению к выходу из строя является гидравлическая, в которую входят диафрагма (мембрана) и клапанные пары. Во время работы мембранного насоса диафрагма подвергается значительным знакопеременным нагрузкам, в результате чего в местах максимальной деформации диафрагмы могут возникать значительные трещины (Рисунок 3.1.1), которые в свою очередь зачастую приводят к разрыву диафрагмы (Рисунок 3.1.2). Рисунок 3.1.1 – Трещина в диафрагме насоса 32 Рисунок 3.1.2 – Разрыв диафрагмы насоса Качество насоса во многом определяется материалом диафрагмы. Исходя из характеристик материала мембраны, делаются выводы о совместимости мембранного насоса с определенными жидкостями, которые он может перекачивать. Сегодня существует большое разнообразие материалов, из которых изготавливаются мембраны для диафрагменных насосов в различных отраслях промышленности, но основным материалом остаются различные эластомеры. В результате этого возможен вариант диффундирования различных пластовых газов в материал диафрагмы. Это в свою очередь приводит к старению эластомера, ухудшению его свойств, а, следовательно, к образованию трещин, выходу из строя как диафрагмы, так и в целом насосной установки [14] Наряду с диафрагмой насоса клапанные узлы являются одним из основных узлов, от которых зависит работоспособность всего насоса. Клапаны подвержены одновременно механическому, коррозионному и эрозионному износу. В клапанных камерах откладывается песок, парафин смолы, соли и другие продукты выноса из пласта. Все эти осложняющие факторы могут привести к частым подъемам насосов для замены или ревизии клапанных узлов. Исправные клапаны должны быстро и надёжно уплотнять рабочую камеру насоса, выдерживать большие перепады давлений и иметь хорошую износостойкость для обеспечения долговечности насосной 33 установки. Наиболее часто встречающимися дефекта клапанной пары являются: • задиры и риски, возникающие при гидроабразивном износе клапана (Рисунок 3.1.3); • трещины, которые образуются при ударении шарика о седло клапана, в результате чего происходит выкрашивание материала (Рисунок 3.1.4) [15]. Рисунок 3.1.3 – Шарик клапана с задирами Рисунок 3.1.4 – Шарик клапана с выкрашиванием металла Детали клапанной пары изготавливаются из различных материалов, в зависимости от характера откачиваемой среды и приведены в таблице 3.1.1 Таблица 3.1.1 – Материалы клапанной пары [2] |