установка для нагнетания газожидкостной смеси

Формула изобретения

1. Установка для нагнетания газожидкостной смеси, состоящая из нескольких насосных секций возвратно-поступательного действия, каждая из которых включает рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой с поршневым элементом, всасывающий и нагнетательный клапаны, дополнительную (бустерную) камеру, в верхней части которой смонтирован указанный нагнетательный клапан, под которым размещен впускной клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания, причем в нижней части дополнительной камеры, в месте сообщения ее с рабочей камерой, установлен разделительный клапан, открываемый в сторону нагнетательного клапана, приводной части, включающей коленчатый вал, и резервуара для перекачиваемой жидкости, отличающаяся тем, что каждая насосная секция установки снабжена перепускным устройством, размещенным вне дополнительной камеры и сообщенным с нижней частью последней над разделительным клапаном и с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем, а поршневой элемент каждой насосной секции выполнен в виде плунжера.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанное перепускное устройство выполнено в виде золотникового распределителя, снабженного линией управления, сообщенной с рабочей полостью соответствующей насосной секции.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанное перепускное устройство выполнено в виде золотникового клапана, включающего корпус и размещенный в нем золотник, причем золотник механически соединен с коленчатым валом приводной части, полость подвода жидкости клапана сообщена с дополнительно камерой соответствующей насосной секции, а полость отвода жидкости клапана - с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанное перепускное устройство выполнено в виде тарельчатого клапана, включающего корпус и запорный орган, причем последний механически соединен с коленчатым валом приводной части, полость подвода жидкости клапана сообщена с дополнительной камерой соответствующей насосной секции, а полость отвода жидкости клапана - с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем.

Описание изобретения к патенту

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области насосостроения и, в частности, может быть использовано для нагнетания газожидкостной смеси при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин.

Известно устройство для осуществления способа аэрации промывочной жидкости, преимущественно для бурения и освоения нефтяных и газовых скважин, выполненное по авт. св. СССР N 142150, кл. F 04 B 23/06, 1961.

Это устройство содержит поршневой насос, имеющий рабочий цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, подпорный насос и посторонний источник газа под избыточным давлением.

Недостатком известного устройства является значительное снижение коэффициента заполнения рабочей камеры насоса в период такта всасывания, связанное с повышенной сжимаемостью газа, что, в свою очередь, ведет к значительному снижению объемной подачи насоса. Для компенсации объемных потерь приходится увеличивать мощность приводных устройств и существенно увеличивать габариты самих насосов, что весьма неэкономично в указанной области применения.

Известно также устройство для нагнетания газожидкостной смеси, выполненное по авт. св. СССР N 714044, кл. F 04 B 23/10, 1980.

Это устройство содержит состоящий из нескольких секций поршневой насос, имеющий в каждой секции рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой, всасывающий и нагнетательный клапаны, источник газожидкостной смеси или газа. Характерной особенностью известного устройства является то, что в каждой секции насоса между рабочим цилиндром и его нагнетательным клапаном установлена дополнительная камера, снабженная впускным клапаном для сообщения этой камеры с источником газожидкостной смеси или газа в период выполнения насосом такта всасывания. При этом объем дополнительной камеры по меньшей мере равен рабочему объему цилиндра.

В период выполнения насосом такта всасывания газожидкостную смесь или газ с заданным избыточным давлением вводят непосредственно в рабочую камеру поршневого насоса, в зону, примыкающую к нагнетательному клапану, и одновременно через всасывающий клапан насоса из всасывающего коллектора (с помощью подпорного насоса) вводят перекачиваемую жидкость с избыточным давлением, равным давлению вводимой смеси или газа. При этом газожидкостная смесь или газ накапливается над жидкостью под нагнетательным клапаном (в период выполнения насосом такта всасывания) и при совершении насосом такта нагнетания вытесняется через нагнетательный клапан в коллекторную часть насоса. Для исключения накопления газожидкостной смеси или газа в мертвом объеме рабочей камеры при работе насоса количество вводимой газожидкостной смеси или газа не должно превышать объема части камеры, непосредственно примыкающей к нагнетательному клапану.

Такое выполнение устройства позволяет существенно снизить энергозатраты процесса нагнетания аэрированной жидкости, что обусловлено тем, что практически исключается влияние остаточного количества газа в рабочей камере после завершения насосом такта нагнетания, благодаря чему существенно повышается коэффициент наполнения рабочей камеры во время такта всасывания.

Однако недостатком этого устройства является то, что дополнительная камера и полость рабочего цилиндра насоса соединены между собой напрямую, составляя общий объем, который почти в два раза превышает рабочий объем цилиндра насоса. Это фактически увеличивает мертвое пространство в рабочем цилиндре насоса и в соответствии с эффектом пневматического аккумулятора приводит к замедлению снижения давления в рабочем цилиндре насоса при такте всасывания.

Остаточное давление в рабочем цилиндре способствует изменению знака момента вращения на коленчатом валу приводной части насоса.

Происходит это следующим образом.

Цикл каждого рабочего цилиндра складывается из такта всасывания и такта нагнетания, а давление в нем соответственно меняется от давления вводимого газа до максимального давления нагнетания, и наоборот.

При этом секции насоса, находящиеся в такте нагнетания, создают прямой момент на коленвалу насоса, а секции, находящиеся в такте всасывания, - противомомент.

В некоторых фазах поворота коленвала насоса, когда сумма противомоментов превышает сумму прямых моментов, суммарный момент оказывается отрицательным.

Для трехплунжерного насоса с дополнительными камерами такие условия возникают, когда одна из секций только вступает в такт всасывания, и давление в ее рабочей камере снизилось еще незначительно, вторая - находится в заключительной части такта всасывания (давление близко к минимальному), а третья находится в начальной стадии такта нагнетания (когда процесс сжатия только начался, и давление в рабочей камере не достигло еще больших значений).

Особенно существенно этот недостаток проявляется в получивших в последнее время в указанной области широкое распространение плунжерных насосах одностороннего действия с малым количеством плунжеров (например, в триплекс - насосах). Величина отрицательного момента достигается 10% от номинального при степенях сжатия, больших 10. При этом в приводной части насоса возникают удары вследствие наличия в нем технологических зазоров, что недопустимо, т. к. приводит к уменьшению долговечности насоса.

Известна также установка для нагнетания аэрированной жидкости, содержащая источник газожидкостной смеси или газа и поршневой насос с клапанным распределением, в котором между выходом из рабочего цилиндра и нагнетательным клапаном установлена дополнительная (или бустерная) камера, соединенная через впускной клапан с источником газожидкостной смеси или газа. В дополнительной камере в зоне между ее впускным клапаном и выходом из рабочего цилиндра установлена разделительная перемычка, снабженная обратным клапаном, открываемом в сторону нагнетательного клапана, и дросселем, преимущественно регулируемым. (См. авт. свид. СССР N 1039295, кл. F 04 B 23/10, 1983). Это техническое решение может быть принято за прототип заявляемой установки.

Введение в конструкцию установки разделительной перемычки с обратным клапаном, открываемым в сторону нагнетательного клапана, и дросселем обеспечивает уменьшение энергозатрат процесса нагнетания за счет исключения подпорного насоса, а также обеспечивает дозирование степени аэрирования жидкости в зависимости от требований эксплуатации. Однако и это установка имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что для предотвращения увеличения давления в рабочей полости насоса в такте всасывания (во избежание появления стука) процесс истечения из бустерной в рабочую камеру должен быть точно увязан с давлением нагнетания и скоростью плунжера. При постоянном диаметре дросселирующего отверстия в перемычке между указанными камерами это условие не обеспечивается, поскольку обе величины - давление нагнетания и скорость плунжера - являются переменными и сочетаются случайным образом. Давление нагнетания зависит от параметров скважины и меняется по мере заполнения последней газожидкостной смесью. Скорость же плунжера зависит от установленной передачи в трансмиссии привода плунжерного насоса и при этом меняется по синусоидальному закону в соответствии с фазой поворота коленчатого вала.

Возможно также и засорение дроссельного отверстия между бустерной и рабочей камерами. Выполнение дросселя регулируемым при его расположении в перемычке между двумя указанными камерами весьма усложнит конструкцию, если вообще возможно.

Таким образом, выполнение перемычки с дроссельным отверстием между двумя указанными камерами не решает задачу избавления от указанных выше отрицательных моментов на коленчатом валу привода насосной установки, хотя и полезно с точки зрения устранения подпорного насоса.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение, является устранение отрицательных моментов на коленчатом валу привода бустерной насосной установки, что дает возможность использования для нагнетания газожидкостной смеси в процессе бурения и освоения скважин широкораспространенных плунжерных насосов с малым количеством плунжеров (в частности, триплекс - насосов), т.е. повышение надежности работы установки в целом, упрощение конструкции установки для нагнетания газожидкостной смеси, снижение ее массы и повышение долговечности. Для решения поставленной задачи установка для нагнетания газожидкостной смеси состоит из нескольких насосных секций возвратно-поступательного действия, каждая из которых включает рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой с поршневым элементом, всасывающий и нагнетательный клапаны, дополнительную (бустерную) камеру, в верхней части которой смонтирован указанный нагнетательный клапан, под которым размещен впускной клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания, причем в нижней части дополнительной камеры, в месте сообщения ее с рабочей камерой, установлен разделительный клапан, открываемый в сторону нагнетательного клапана; приводной части, включающей коленчатый вал, и резервуара для перекачиваемой жидкости.

Характерной особенностью установки является то, что каждая ее насосная секция снабжена перепускным устройством, размещенным вне дополнительной камеры и сообщенным с нижней частью последней над разделительным клапаном и с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем, а поршневой элемент каждой насосной секции выполнен в виде плунжера. Указанное перепускное устройство выполнено в виде золотникового распределителя, снабженного линией управления, сообщенной с рабочей камерой соответствующей насосной секции. Кроме того, указанное перепускное устройство может быть выполнено в виде золотникового клапана, включающего корпус и размещенный в нем золотник, который механически соединен с коленчатым валом приводной части. Полость подвода жидкости клапана сообщена с дополнительной камерой, а полость отвода жидкости клапана - с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем. Помимо этого, указанное перепускное устройство может быть выполнено в виде тарельчатого клапана, включающего корпус и запорный орган. При этом последний механически соединен с коленчатым валом приводной части. Полость подвода жидкости клапана сообщена с дополнительной камерой соответствующей насосной секции, а полость отвода жидкости клапана - с резервуаром для перекачиваемой жидкости или с дополнительным потребителем.

Примечание. Место отвода жидкости из дополнительной камеры устанавливается таким образом, чтобы в нижней части камеры над разделительным клапаном оставался гарантированный запас жидкости, исключающий попадание газовой фракции в рабочий цилиндр насоса.

Возможность осуществления настоящего предлагаемого изобретения доказывается использованием в отечественной практике способов нагнетания газожидкостной смеси с использованием поршневых насосов и устройств для их осуществления, разработанных и реализованных в ряде отечественных установок (см. приводные выше аналоги и прототип) при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого устройства, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники, в частности в области бурения и освоения нефтяных и газовых скважин: указанное перепускное устройство, размещенное вне дополнительной камеры, может быть выполнено в виде золотникового распределителя, золотникового или тарельчатого клапана, известных из гидравлики, механические и гидравлические соединения и трубопроводы также известны из общего машиностроения и обычны в практике нагнетания жидкостей.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы в достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной задачи - повышение надежности насосной установки в целом за счет устранения отрицательных моментов на коленчатом валу ее приводной части, упрощение конструкции установки - вместо конструктивно трудноосуществимого регулируемого дросселя внутри дополнительной камеры каждой насосной секции устанавливается перепускное устройство вне этой камеры.

Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет с успехом применять для указанной цели широко распространившиеся в последнее время в практике бурения и освоения нефтяных и газовых скважин плунжерные насосы одинарного действия, включающие малое число плунжерных секций (например, триплекс-насосы), исключая снижение долговечности установки за счет устранения ударов в приводной части насоса, т.е. повышая его долговечность.

В дальнейшем настоящее предлагаемое изобретение поясняется примерами его выполнения, схематически изображенными на прилагаемых чертежах, на которых даны:

фиг. 1 - схематическое изображение установки для нагнетания газожидкостной смеси в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением (показана одна секция плунжерного насоса одинарного действия; перепускное устройство выполнено в виде золотникового распределителя, размещенного вне дополнительной (бустерной) камеры и связанного линией управления с рабочей камерой насосной секции);

фиг.2 - вариант выполнения предлагаемого изобретения с перепускным устройством в виде золотникового клапана, смонтированного вне дополнительной камеры и механически связанного с приводной частью установки;

фиг. 3 - вариант выполнения изобретения с перепускным устройством в виде тарельчатого клапана, размещенного вне дополнительной камеры к механически связанного с приводной частью установки.

В соответствии с настоящим предлагаемым изобретением устройство для нагнетания газожидкостной смеси содержит насос возвратно-поступательного действия (поршневой или плунжерный насос одинарного или двойного действия). На фиг. 1 показана одна секция плунжерного насоса одинарного действия 1, которая включает рабочий цилиндр 2 с образованной в нем рабочей камерой 3. В указанной камере размещен плунжер 4. Рабочая камера 3 сообщена с дополнительной (бустерной) камерой 5.

Плунжер 4 посредством механизма возвратно-поступательного действия 6, включающего коленчатый вал 7, связан с приводом насоса (на фиг. не показан). Рабочая камера 3 через всасывающий клапан 8 сообщена со всасывающим коллектором 9, сообщенным в свою очередь с резервуаром для нагнетаемой жидкости 10. В верхней части бустерной камеры 5 установлен нагнетательный клапан 11. Полость камеры 5 непосредственно над нагнетательным клапаном 11 сообщена с нагнетательным коллектором 12, по которому газожидкостная смесь может направляться к потребителю. Под нагнетательным клапаном 11 в бустерной камере 5 установлен впускной клапан 13, через который в камеру 5 от независимого источников (на фиг. не показан) подается под давлением газ или газожидкостная смесь. В нижней части бустерной камеры 5 в месте сообщения ее с рабочей камерой 3 установлен разделительный клапан 14. Нижняя часть бустерной камеры 5, непосредственно над разделительным клапаном 14 сообщена посредством отдельного трубопровода 15 со смонтированным вне бустарной камеры перепускным устройством 16. Последнее выполнено в виде золотникового распределителя, имеющего корпус 17, в котором размещен подпружиненный пружиной 18 золотник 19 (показан золотник катушкообразной формы). Полость корпуса распределительного устройства сообщена отдельным трубопроводом 20 с резервуаром для нагнетаемой жидкости 10. Линия управления 21 золотникового распределителя сообщена с рабочей камерой 3.

В процессе работы при выполнении такта всасывания плунжер 4 перемещается из крайнего левого положения (как это показано на фиг.1) в крайнее правое положение посредством механизма возвратно-поступательного действия 6, 7.

Перекачиваемая жидкость из коллектора 9, связанного с резервуаром 10 через всасывающий клапан 8, попадает в рабочую камеру 3. При этом вследствие создаваемого разрежения и воздействия пружины 18 золотник 19 перемещается в нижнее положение, сообщая посредством трубопроводов 15 и 20 нижнюю часть бустерной камеры 5 с резервуаром 10, в результате чего находящаяся в нижней части бустерной камеры 5 жидкость под давлением газа (или газожидкостной смеси), нагнетаемого от независимого источника в бустерную камеру 5 через впускной клапан 13, вытесняется в резервуар 10 (или к дополнительному потребителю).

Таким образом, к концу такта всасывания в нижней части бустерной камеры 5 находится небольшое количество жидкости, а в верхней части - газожидкостная смесь или газ. Разделительный клапан 14 при этом закрыт. И, поскольку камеры 3 и 5 разъединены, то не требуется создания избыточного давления с помощью подпорного насоса, встроенного в коллектор, как это имеет место в аналоге по авт. свид. СССР N 714044, F 04 B 23/10. А так как из камеры 5 жидкость разгружается в резервуар 10 благодаря работе перепускного устройства 16, в рабочей камере насоса при такте всасывания не будет возникать повышенного давления, и, как следствие, не возникнут отрицательные моменты на коленчатом валу приводной части установки.

При выполнении насосной секцией 1 такта нагнетания плунжер 4 с помощью механизма возвратно-поступательного действия 6, 7 перемещается из крайнего правого положения в крайнее левое. Всасывающий клапан 8 при этом закрыт, и перекачиваемая жидкость из камеры 3 через разделительный клапан 14 вытесняется в бустерную камеру 5, сжимая находящуюся в ней газожидкостную смесь до давления нагнетания, при котором открывается нагнетательный клапан 11, и указанная смесь поступает через нагнетательный коллектор 12 к потребителю.

При этом золотник 19 под давлением жидкости в управляющем трубопроводе 21 перемещается из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение, преодолевая сопротивление пружины 18 и разделяя сообщение между трубопроводами 15 и 19, а следовательно, между бустерной камерой 5 и резервуаром 10. Далее цикл работы установки повторяется.

Таким образом, удается осуществить работу установки с плунжерными насосными секциями для нагнетания газожидкостной смеси с использованием бустерного эффекта без отрицательного воздействия на ее природную часть.

На фиг. 2 показан вариант выполнения изобретения, в котором перепускное устройство 16, размещенное вне бустерной камеры 5, выполнено в виде золотникового клапана. Последний содержит корпус 22 и размещенный в нем золотник 23. Золотник 23 механически (с помощью шарнирно скрепленных друг с другом тяг 24 и 25) соединен с коленчатым валом 7. Полость подвода жидкости 26 корпуса 22 клапана сообщена трубопроводом 27 с нижней частью дополнительной камеры 5 соответствующей насосной секции; а полость отвода жидкости 28 корпуса 22 клапана - посредством трубопровода 29 - с резервуаром 10.

В процессе работы при начале такта всасывания соответствующей насосной секции, определяемого положением коленчатого вала 7, происходят открытие перепускного устройства 16 путем перемещения золотника 23 с помощью шарнирно соединенных тяг 24 и 25 и перепуск жидкости по трубопроводам 27 и 29 из бустерной камеры 5 через сообщенные между собой полости 26 и 28 в резервуар 10.

При выполнении такта нагнетания шарнирно соединенные тяги 24 и 25 благодаря повороту коленчатого вала 7 переводят золотник 23 в положение разобщения полостей 26 и 28 (т.е. переводят клапан в закрытое положение). Всасывающий клапан 8 при этом закрыт, и перекачиваемая жидкость (также как и в первом варианте выполнения изобретения) из камеры 3 через разделительный клапан 14 вытесняется в бустерную камеру 5, сжимая находящуюся в ней газожидкостную смесь до давления нагнетания, при котором открывается нагнетательный клапан 11 и указанная смесь поступает через нагнетательный коллектор 12 к потребителю.

Еще один вариант выполнения изобретения (не меняющий его сути) предусматривает выполнение перепускного устройства 16 в виде смонтированного вне бустерной камеры 5 тарельчатого клапана (фиг.3), включающего корпус 30 и тарельчатый запорный орган 31, приспособленный к взаимодействию с образованным в корпусе 30 седлом 32. Механически с помощью шарнирно соединенных между собой подпружиненной пружиной 34 тяги 35 и тяги 36 запорный орган 31 соединен с коленчатым валом 7 приводной части насосной установки.

Полость подвода жидкости 37 корпуса 30 сообщена трубопроводом 27 с нижней частью бустерной камеры 5, а полость отвода жидкости 38 корпуса 30 - посредством трубопровода 29 с резервуаром 10.

Работа этого варианта выполнения изобретения осуществляется также, как и в предыдущем варианте с золотниковым клапаном.

Во всех вариантах выполнения изобретения запорный (перекрывающий) орган перепускного устройства 16 (катушкообразный золотник 19 - в первом варианте, золотник 23 - во втором и тарель 31 - в третьем варианте) имеют дросселирующие кромки 39, 40 и 41, которые взаимодействуют с кромками соответственно корпусов 17 и 22 и седла 32, обеспечивая точную увязку процесса истечения жидкости из бустерной камеры 5.

Кроме того, линия управления веретенообразного золотника 19 снабжена дросселем и обратным клапаном 42 для возможности регулирования времени возвращения золотника в исходное (нижнее) положение. Указанными конструктивными особенностями обеспечивается согласование времени истечения жидкости из дополнительной камеры со скоростью перемещения плунжера насоса и с давлением нагнетания.