Погружной поршневой насос с гидроприводом

Аннотация

О. И. Калиниченко, К. В. Акутина – Погружной поршневой насос с гидроприводом
В статье рассмотрен погружной поршневой насос с гидроприводом, разработка нового исполнения ПГН.

Погружные насосы с гидроприводом (ПГН), разработанные в Донецком национальном техническом университете (ДонНТУ) под руководством Г. И. Неудачина, по техническим характеристикам существенно превосходят аналогичные отечественные и зарубежные агрегаты, использующиеся для откачек жидкости из скважин. Показатели применения таких ПГН расширены возможностью подъема жидкости с большим содержанием механических примесей с глубин до 1000 м, в том числе при эксплуатации в стволах и наклонных скважинах. Специфической областью применения ПГН является также использование их в компоновке бурильной колонны для создания обратной промывки на забое бурящейся скважины.

К настоящему времени создано ряд насосов, отличающихся конструктивно и функциональным назначением. Эти машины постоянно совершенствуются. По результатам экспериментальных и теоретических исследований создана научная база и главные предпосылки обоснования параметров ПГН. Вместе с тем, опыт проектирования и применения насосных агрегатов показывает, что существуют общие сдерживающие условия широкого практического применения этих прогрессивных технико-технологических средств. К таким условиям, в первую очередь, следует отнести недостаточную механическую надежность гидродвигателя как основного образующего узла ПГН.

В ходе опытно-конструкторских работ возможность получения нового уровня надежности ПГН была ограничена выбором доступных инженерных решений, направленных на сохранение установочных соотношений конструктивных параметров гидродвигателя в течение его длительной работы в скважине. Обеспечение такого требования обусловило необходимость изменения как конструкции, так и характера взаимодействия элементов системы гидродвигателя: впускной клапан - выпускной клапан - поршень. Эта задача решалась из предпосылки, предполагающей техническое исполнение элементов системы, с гарантированным сохранением размеров перемещений ее элементов при одновременном увеличении прочностных характеристик, прежде всего, выпускного клапана, воспринимающего существенные нагрузки в периоды отрыва его от клапанной коробки.

Результатом разработки явилось новое исполнение ПГН, схематический чертеж которого показан на рис. 1.

Структурно ПГН представляет собой два объединенных корпусом исполнительных узла: гидродвигатель и насосный блок (насос). Поршень гидродвигателя механически и кинематически связан с поршнем насоса. Оба узла ПГН имеют независимые рабочие камеры, объем которых ограничен соответствующими цилиндрами.

В расточенной части поршня гидродвигателя свободно размещены клапанная пружина и выпускной клапан. В хвостовике выпускного клапана выполнены пазы, длина которых соответствует ходу поршня. Механическая связь поршня и выпускного клапана обеспечивается пальцем 1. Распределительный узел гидродвигателя включает клапанную коробку с системой осевых и радиальных каналов, впускной и обратный клапаны. В исходном положении поршень и выпускной клапан, опирающийся на пружину, находятся в крайнем нижнем положении. Впускной и обратный клапаны закрыты.

При подаче жидкости в гидросистему, под поршнем формируется сила R=P(F_n-f_ш), обеспечивающая ускоренное движение системы поршень-выпускной клапан на пути S ( P - рабочее давление в камере гидродвигателя; F_n - площадь поршня; f_ш - площадь штока).

В процессе перемещения поршня жидкость, находящаяся в верхней камере цилиндра вытесняется по смещенным каналам клапанной коробки и далее, через открывшийся обратный клапан поступает в скважину или водоподъемные трубы. При движении поршня вверх одновременно по пазам хвостовика выпускного клапана перемещается палец 1. В конце хода S толкатель 2 взаимодействует с хвостовиком впускного клапана. На этой фазе происходит сжатие пружины, при этом клапанная группа (система впускной клапан – выпускной клапан) остается в исходном положении за счет силы давления жидкости, прижимающей впускной клапан к седлу. Пройдя расстояние S₁, поршень соударяется с выпускным клапаном. За счет энергии удара и силы сжатой пружины клапанная группа переместится вверх. Выпускной клапан своей тарелкой будет прижат к нижней поверхности клапанной коробки, закрывая ее смещенные каналы. Одновременно впускной клапан откроет доступ жидкости и в надпоршневую полость цилиндра.

Движение поршня вниз обеспечивается результирующей силой R=Pf_ш . При перемещении поршня вниз выпускной клапан останется прижатым к поверхности клапанной коробки за счет давления в надпоршневой камере цилиндра. Клапанная группа сохраняет верхнее положение до контакта пальца и нижней поверхности паза выпускного клапана. В этот момент произойдет перестановка клапанов в исходное положение. Доступ жидкости в верхнюю полость цилиндра прекратится. Жидкость будет поступать только в подпоршневую полость цилиндра. Цикл работы гидродвигателя повторится.

При работе гидродвигателя его поршень и связанный с ним поршень насоса совершают возвратно-поступательное движение. При движении поршня насоса вверх нижняя (подпоршневая) полость цилиндра насоса через всасывающий клапан заполняется жидкостью, поступающей из скважины и верхней полости цилиндра насоса. При движении поршня насоса вниз выполняется вытеснение жидкости из нижней полости цилиндра насоса через нагнетательный клапан в водоподъемные трубы или скважину.

Предложенное конструктивное исполнение гидродвигателя ПГН за счет отсутствия в подвижной системе поршень – выпускной клапан элементов непроизвольного нарушения связи и установленных соотношений размеров перемещения поршня и клапанов является фактором повышенной надежности ПГН при его длительной эксплуатации в скважине.

Список использованной литературы

1. Волков А. С., Волокитенков А. А. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости. – М.: Недра, 1970. – 183 с.
2. Пилипец В. И. Насосы для подъема жидкости. – Донецк, 2000. – 243 с.
3. Фазлуллин М. И., Романов В. Г. Вскрытие и обработка продуктивных пластов при бурении на промышленные воды. //Обзор. ВИЭМС. Техн. и технол. геол-развед. работ; орг. пр-ва.  –М., 1979. – 67 с.