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 размешен впускной клапан для сообщения этой камеры с независимым источником газа или газожидкостной смеси при выполнении такта всасывания; приводной части, включающей коленчатый вал; резервуара для перекачиваемой жидкости и всасывающего коллектора, сообщенного с указанным резервуаром, отличающаяся тем, что поршневой элемент каждой насосной секции выполнен в виде плунжера, снабженного дополнительным поршнем, включающим поршневой элемент со штоком, размешенный в дополнительной камере, соосной с рабочей камерой насоса, причем в теле указанного поршневого элемента установлены открывающийся при такте нагнетания обратный клапан и дроссель, а поршневая камера дополнительного поршня сообщена с дополнительным клапанным узлом, сообщенным, в свою очередь, со всасывающим коллектором установки.

2. Установка для нагнетания газожидкостной смеси по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный клапанный узел включает корпус с размешенными в нем всасывающим и нагнетательным клапанами, причем полость указанного корпуса под всасывающим клапаном сообщена со всасывающим коллектором установки, а полость над нагнетательным клапаном - с нижней частью бустерной камеры.

3. Установка для нагнетания газожидкостной смеси по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что шток дополнительного поршня каждой насосной секции жестко связан с соответствующим ее плунжером, а дополнительная камера выполнена в виде наставки-удлинителя, жестко скрепленной с рабочим цилиндром соответствующей насосной секции.

4. Установка для нагнетания газожидкостной смеси по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что дополнительная камера выполнена в плунжере каждой насосной секции, а в штоке дополнительного поршня выполнен сквозной осевой канал, сообщенный с центральной частью полости корпуса дополнительного клапанного узла, причем, указанный шток жестко скреплен с крышкой рабочего цилиндра.

5. Установка для нагнетания газожидкостной смеси по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный клапанный узел включает корпус и клапанный элемент, открывающийся при такте всасывания, причем полость корпуса над клапанным элементом сообщена с поршневой камерой дополнительного поршня и с полостью рабочей камеры насосной секции под ее всасывающим клапаном, а полость корпуса под клапанным элементом - со всасывающим коллектором.

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, которое может быть принято за прототип заявляемого технического решения.

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. 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 коленчатом валу 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 достигает 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.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение, является исключение отрицательных моментов на коленчатом валу привода установки для нагнетания газожидкостной смеси (и соответственно ударов в приводной части), что дает возможность использовать при бурении и освоении скважин широкораспространенные плунжерные насосы с малым числом плунжеров, в частности, триплекс-насосы, т.е. повышение надежности работы установки в целом, упрощение и удешевление ее конструкции, за счет исключения отдельного подпорного насоса с его системами привода, обвязки и управления, а также снижение массы установки и повышение ее долговечности. Для решения поставленной технической 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; приводной части, включающей коленчатый вал; резервуара для перекачиваемой жидкости и всасывающего коллектора, сообщенного с указанным резервуаром.

Характерной особенностью установки является то, что поршневой элемент каждой насосной секции выполнен в виде плунжера, снабженного дополнительным поршнем, включающим поршневой элемент со штоком, размещенный в дополнительной камере, соосной с рабочей камерой насоса. При этом в теле указанного поршневого элемента установлены открывающийся при такте нагнетания обратный клапан и дроссель. Поршневая камера дополнительного поршня сообщена с дополнительным клапанным узлом, сообщенным, в свою очередь, со всасывающим коллектором установки. Дополнительный клапанный узел включает корпус с размещенными в нем всасывающим и нагнетательным клапанами. Полость корпуса под всасывающим клапаном сообщена со всасывающим коллектором установки, а полость над нагнетательным клапаном - с нижней частью бустерной камеры. Шток дополнительного поршня может быть жестко связан с плунжером, а дополнительная камера может быть выполнена в виде наставки-удлинителя, жестко скрепленной с рабочим цилиндром. Дополнительная камера может также быть выполнена в плунжере каждой насосной секции. При этом в штоке дополнительного поршня выполнен сквозной осевой канал, сообщенный с полостью корпуса дополнительного клапанного узла. Шток в этом случае жестко скреплен с крышкой рабочего цилиндра. Дополнительный клапанный узел может включать корпус и один клапанный элемент, открывающийся при всасывании. При этом полость корпуса над клапанным элементом сообщена с поршневой камерой дополнительного поршня и с полостью рабочей камеры насосной секции под ее всасывающим клапаном, а полость корпуса под клапанным элементом - со всасывающим коллектором.

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

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемой установки (дополнительный поршень, дополнительный клапанный узел, обратный клапан, дроссель и др.) могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники и, в частности, при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной задачи - повышение надежности установки в целом за счет устранения отрицательных моментов на коленчатом валу ее приводной части, упрощение конструкции установки - исключение подпорного насоса и его привода. Кроме того, оно позволяет с успехом применять плунжерные насосы, хорошо зарекомендовавшие себя в последнее десятилетие при бурении нефтяных и газовых скважин.

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) с дополнительным поршнем, жестко связанным с плунжером указанной секции и размещенным в наставке-удлинителе рабочего цилиндра секции;

фиг. 2 - вариант выполнения изобретения, характеризующийся расположением дополнительного поршня в полости, выполненной в плунжере секции плунжерного насоса и со штоком дополнительного поршня, жестко связанным с рабочим цилиндром секции;

фиг. 3 - вариант выполнения изобретения, характеризующийся выполнением дополнительного клапанного узла, включающего корпус и один клапанный элемент, открывающийся при такте всасывания, и сообщенный с поршневой камерой дополнительного поршня, со всасывающим коллектором установки и с полостью рабочей камеры насосной секции под ее всасывающим клапаном.

В соответствии с настоящим предполагаемым изобретением установка для нагнетания газожидкостной смеси состоит из нескольких насосных секций возвратно-поступательного действия (на фиг. 1 показана одна секция плунжерного насоса 1 одинарного действия). Каждая секция включает рабочий цилиндр 2 с образованной в нем рабочей камерой 3. В указанной камере размещен поршневой элемент, выполненный в виде плунжера 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 непосредственно над нагнетательным клапаном 11 сообщена с нагнетательным коллектором 12, по которому газожидкостная смесь гложет направляться к потребителю. Под нагнетательным клапаном 11 в бустерной камере 5 установлен впускной клапан 13, по которому в камеру 5 от независимого источника (на фиг. не показан) подается под давлением газ или газожидкостная смесь. Плунжер 4 снабжен дополнительным поршнем 14, включающим поршневой элемент со штоком 15. При этом в теле указанного поршневого элемента установлены обратный клапан 16, открывающийся при такте нагнетания, и дроссель 17.

Поршневой элемент дополнительного поршня 14 размещен в дополнительной камере 25, соосной с рабочей камерой насоса. Поршневая полость 27 дополнительной камеры 25 каждой насосной секции 1 сообщена трубопроводом 18 с центральной частью полости 19 дополнительного клапанного узла 20, включающего всасывающий клапан 21 и нагнетательный клапан 22. При этом полость 19 указанного корпуса под всасывающим клапаном 21 сообщена трубопроводом 23 со всасывающим коллектором 9 установки, а полость 19 над нагнетательным клапаном 22 сообщена трубопроводом 24 с нижней частью бустерной камеры 5. Шток 15 дополнительного поршня 14 жестко связан с плунжером 4, а дополнительная камера 25 для размещения дополнительного поршня 14 выполнена в виде полой наставки-удлинителя, жестко скрепленной с рабочим цилиндром 2. В дополнительной камере 25 образованы штоковая 26 и поршневая 27 полости.

Описание работы установки.

Вначале несколькими возвратно-поступательными движениями плунжера 4 заполняется рабочая камера 3 насосной секции 1 жидкостью через всасывающий клапан 8 из всасывающего коллектора 9, соединенного с резервуаром 10, без подачи газа или газожидкостной смеси через впускной клапан 13. Далее, после подачи газа через впускной клапан 13 работа установки осуществляется следующим образом. При выполнении такта всасывания плунжер 4 перемещается из крайнего левого положения (фиг. 1) в крайнее правое посредством механизма возвратно-поступательного действия 6, 7. Вместе с плунжером 4 вправо в дополнительной камере 25 внутри наставки - удлинителя перемещается дополнительный поршень 14, жестко связанный штоком 15 с плунжером 4.

Объем, освобождаемый плунжером 4, заполняется жидкостью из бустерной камеры 5, понижая уровень в последней и обеспечивая возможность введения в освободившееся пространство газа или газожидкостной смеси через впускной клапан 13.

При этом находящаяся в штоковой полости 26 жидкость перетекает в поршневую полость 27 через дроссель 17, а обратный клапан 16 в поршне 14 закрыт. Перепад давления на дросселе 17 создает на дополнительном поршне 14 силу, противодействующую ускоренному перемещению плунжера 4 под действием давления газожидкостной смеси, находящейся в бустерной камере 5, за счет чего предотвращается возникновение отрицательного момента на коленчатом валу 7 привода насоса.

Таким образом, часть поршневой полости 27 заполняется через дроссель 17 в поршне 14 за счет перетекания в нее жидкости из штоковой полости 26. Остальной объем поршневой полости заполняется жидкостью, поступающей при такте всасывания из всасывающего коллектора 9 через трубопровод 23, всасывающий клапан 21 и трубопровод 18. Нагнетательный клапан 22 дополнительного клапанного узла 20 при этом закрыт давлением газожидкостной смеси, передающимся из бустерной камеры 5 по трубопроводу 24.

Следовательно, к концу такта всасывания в нижней части бустерной камеры 5 находится некоторое количество жидкости, в верхней части - газожидкостная смесь или газ, а в поршневой полости 27 дополнительной камеры 25 - жидкость, поступившая в нее из всасывающего коллектора 9 и из штоковой полости 26.

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 рабочей камеры 3 вытесняется в бустерную камеру 5, сжимая находящуюся в ней газожидкостную смесь (или газ), поступающую через впускной клапан 13 от независимого источника, до давления нагнетания, при котором открывается нагнетательный клапан 11, и указанная смесь поступает по нагнетательному коллектору 12 к потребителю. При этом жидкость, находящаяся в дополнительной камере 25, перетекает из поршневой полости 27 в штоковую полость 26 через обратный клапан 16 в дополнительном поршне 14, не создавая значительного сопротивления перемещению плунжера 4. В то же время жидкость из поршневой полости 27 вытесняется поршнем 14 через трубопровод 18, нагнетательный клапан 22 дополнительного клапанного узла 20 и трубопровод 24 в нижнюю часть бустерной камеры 5, восполняя 5-10% расхода установки, идущего на создание проточного жидкостного поршня. Всасывающий клапан 21 при этом закрыт. Далее цикл работы насосной секции 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 приводную часть и без применения отдельного подпорного насоса.

Показанный на фиг. 2 вариант выполнения изобретения характеризуется тем, что в плунжере 4 выполнена дополнительная камера в виде полости 28, в которой размещен дополнительный поршень 29 с поршневым элементом 30 и штоком 31. Дополнительный поршень 29 делит полость 28 на две части - поршневую 32 и штоковую 33. В теле поршневого элемента 30 установлены обратный клапан 34 и дроссель 35. Шток 31 дополнительного поршня 29 жестко скреплен с крышкой 36 рабочего цилиндра 2. В штоке 31 выполнен сквозной осевой канал 37, сообщенный трубопроводом 18 с центральной частью полости 19 дополнительного клапанного узла 20. Другой конец осевого канала 37 выведен через поршневой элемент 30 дополнительного поршня 29 в поршневую часть 32 полости 28, выполненной в плунжере 4.

В процессе работы при такте всасывания, осуществляемом насосной секцией 1, плунжер 4 перемещается из крайнего левого положения в крайнее правое, понижая уровень жидкости в бустерной камере 5 и обеспечивая возможность заполнения освободившегося пространства газом или газожидкостной смесью через впускной клапан 13. Одновременно находящаяся в штоковой части 33 полости 28 жидкость перетекает через дроссель 35 в поршневую часть 32 полости 28, чем предотвращается обратный толчок плунжера под действием давления газожидкостной смеси в бустерной камере, который приводит к возникновению отрицательного момента на коленчатом валу 7 приводной части установки в такте всасывания. При всасывании жидкость также поступает из всасывающего коллектора через трубопровод 23, всасывающий клапан 21 дополнительного клапанного узла 20, трубопровод 18 и осевой канал 37 в штоке 31 в поршневую часть 32 полости 28. В процессе нагнетания плунжер 4 движется из крайнего правого положения в крайнее левое, и перекачиваемая жидкость вытесняется из рабочей камеры 3 в бустерную камеру 5, сжимая находящуюся в ней газожидкостную смесь (или газ), поступающую через впускной клапан 13 от независимого источника, до давления, при котором открывается нагнетательный клапан 11, и указанная смесь поступает по нагнетательному коллектору 12 к потребителю. При этом часть жидкости, находящаяся в поршневой части 32 полости 28,перетекает в штоковую часть 33 полости 28 через обратный клапан 34, а остальная жидкость поступает из поршневой части 32 полости 28 через осевой канал 37, трубопровод 18, нагнетательный клапан 22 дополнительного клапанного узла 20 и трубопровод 24 в нижнюю часть бустерной камеры 5 (всасывающий клапан 21 дополнительного клапанного узла 20 при этом закрыт), компенсируя, таким образом, расход жидкости на создание проточного жидкостного поршня (5-10% от производительности установки). Благодаря этому и в этом варианте заявляемой установки не требуется применение отдельного подпорного насоса.

На фиг. 3 показан еще один вариант выполнения изобретения. Этот вариант характеризуется особенностями дополнительного клапанного узла 20, включающего корпус 38 и клапанный элемент 39. Полость корпуса 38 над клапанным элементом 39 сообщена трубопроводом 18 с поршневой камерой 27 дополнительного поршня 17, а полость корпуса 38 под клапанным элементом 39 - трубопроводом 23 - со всасывающим коллектором 9. При этом трубопровод 41 сообщает полость рабочей камеры 3 насоса, находящуюся под всасывающим клапаном 8 насосной секции, с полостью 27 поршневой камеры дополнительного поршня.

В процессе работы при такте всасывания перекачиваемая жидкость поступает из всасывающего коллектора 9 через трубопровод 23, дополнительный клапан 20 и трубопровод 40 в поршневую полость 27. Перепад давления на дросселе 17 создает сопротивление перемещению плунжера 4, препятствуя его ускоренному перемещению под действием давления газожидкостной смеси в бустерной камере 5. Уровень жидкости в камере 5 падает за счет заполнения объема, освобождаемого при такте всасывания плунжером 4, что позволяет ввести в камеру 5 газ через впускной клапан 13. При такте нагнетания плунжер 4 вытесняет жидкость в бустерную камеру 5, сжимая газ или газожидкостную смесь и подавая его через нагнетательный клапан 11 в нагнетательный коллектор 12. При этом часть жидкости из поршневой полости 27 перетекает через обратный клапан 16 в штоковую полость 26, а другая часть жидкости, соответствующая диаметру штока 15, вытесняется через трубопровод 41 в полость рабочей камеры 3 насосной секции 1 под всасывающим клапаном 8. Клапан 8 при этом открывается, пропуская жидкость в бустерную камеру 5, восполняя 5-10% расхода установки, идущего на создание проточного жидкостного поршня. Таким образом, во всех вариантах выполнения изобретения дополнительный поршень выполняет как функцию тормоза поршневого элемента (плунжера) каждой насосной секции, тем самым улучшая условия работы приводной части установки, так и функцию подпорного насоса.