Описание конструкции
В состав скважинного насосного агрегата входит корпус 1 с верхним и нижним переходниками 2 и 3. В корпусе 1 расположен гидродвигатель, который состоит из поршня 4, установленного в цилиндре 5 с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей 6 и 7. Выпускной клапан 8 гидродвигателя установлен в центраторе 9 с отверстиями 10, размещенном в верхней части цилиндра 5 над поршнем 4. Хвостовик 11 выпускного клапана 8 размещен в полости поршня 4. В верхнем переходнике 2 выполнена камера, в которой установленный разгрузочный поршень 12, жестко соединен с впускным клапаном 13 гидродвигателя. Полость 14 над разгрузочным поршнем 12 соединена с выпускным окном 15, а полость 16 под ним – с впускным окном 17 посредством канала 18. В полости 14 выполнены уступы 19 и установлена пружина 20. Надпоршневая полость 6 цилиндра 5 гидродвигателя соединена с выпускным окном 15 каналом 21 в впускном клапане 13 и разгрузочном поршне 12. Подпоршневая полость 7 цилиндра 5 гидродвигателя соединена с впускным окном 17 каналами 18 и 22, проточкой 23 на разгрузочном поршне 12, каналами 24 и 25, зазором между корпусом 1 и цилиндром 5, отверстием 26. Канал 25, выполненный в линии между подпоршневой полостью цилиндра 5 гидродвигателя и выпускным окном 15 перекрыт клапаном 27, который имеет пустой ступенчатый хвостовик 28, установленный в канале 21. Над клапаном 27 установлена пружина 29.
Под гидродвигателем в корпусе 1 расположен насос, состоящий из цилиндра 30, разделенного поршнем 31 на надпоршневую и подпоршневую полости 32 и 33. Поршень 31 соединен с поршнем 4 гидродвигателя штоком 34, который пропущен через сальниковую перегородку 35. Всасывающий и нагнетательный клапана 36 и 37 насоса установлены, соответственно, в каналах 38 и 39, выполненных в нижнем переходнике 3 и соединенных с подпоршневой полостью 33 цилиндра 30 насоса. В нижнем переходнике 3 выполнены каналы 40 и 41, в которых расположены дополнительные всасывающий и нагнетательный клапана 42 и 43 насоса. Каналы 40 и 41 соединены с надпоршневой полостью цилиндра 30 насоса зазором между корпусом 1 и цилиндром 30 и отверстием 44.
При работе насос может располагаться в водоподъемных трубах 45, которые размещают в скважине (не показаны). Для подачи рабочей жидкости к насосу применяются силовые трубы 46.
На рисунке представлен общий вид скважинного насосного агрегата.
Принцип действия данного устройства
При подаче рабочей жидкости по силовым трубам 46 она через впускное окно 17 в верхнем переходнике 2 подается в канал 18. Из канала 18 рабочая жидкость подается в полость 16 под разгрузочным поршнем 12. Так как площадь разгрузочного поршня 12 равняется площади впускного клапана 13 сверху, то эти элементы остаются неподвижными, при этом впускной клапан 13 перекрывает доступ рабочей жидкости в надпоршневую полость 6 цилиндра 5 гидродвигателя. Одновременно рабочая жидкость из канала 18 поступает в подпоршневую полость 7 цилиндра 5 гидродвигателя через канал 22, проточку 23 на разгрузочном поршне 12, каналы 24 и 25, кольцевой зазор между корпусом 1 и цилиндром 5 и отверстие 26.
Под давлением рабочей жидкости поршень 4 двигается вверх. При этом жидкость из надпоршневой полости 6 выдавливается в водоподъемные трубы 45 через отверстия 10 центратора 9, канал 21 в впускном клапане 13 и разгрузочном поршне 12, выпускное окно 15. Клапан 27 удерживается в начальном положении за счет пружины 29, сила предыдущего натяга которой должна превышать усилие, которое действует на клапан 27 со стороны канала 25. Поскольку поршень 4 соединен штоком 34, который пропущен через сальниковую перегородку 35, с поршнем 31 насоса, то последний также двигается вверх. При этом жидкость из надпоршневой полости 32 цилиндра 30 насоса выдавливается в водоподъемные трубы 45 через отверстие 44, дополнительный нагнетательный клапан 43, установленный в канале 41 нижнего переходника 3. Одновременно жидкость из скважины всасывается в подпоршневую полость 33 через всасывающий клапан 36, установленный в канале 38 нижнего переходника 3.
В конце своего движения вверх поршень 4 контактирует с выпускным клапаном 8, который находится в центраторе 9, и перемещает последний вверх к контакту выпускного клапана 8 с впускным клапаном 13. Выпускной клапан 8 перекрывает канал 21 и при последующем совместимом ходе с поршнем 4 поднимает впускной клапан 13, открывая доступ рабочей жидкости в надпоршневую полость 6 цилиндра 5 гидродвигателя. За счет действия давления рабочей жидкости на клапаны 8 и 13 снизу они двигаются вверх вместе с разгрузочным поршнем 12, сжимая пружину 20, потому что давление в полости 14 над разгрузочным поршнем 12 равняется давлению в водоподъемных трубах 45. При этом разгрузочный поршень перекрывает каналы 22 и 24, отрезая подпоршневую полость от впускного окна 17. При последующем перемещении разгрузочный поршень 12 поднимает клапан 27, сжимая пружину 29, за счет взаимодействия с хвостовиком 28 последнего. Это продолжается до упора разгрузочного поршня 12 в уступы 19.
Так как канал 25 соединяется с выпускным окном 15, то в связанной с ним подпоршневой полости 7 цилиндра 5 давление падает до уровня давления в водоподъемных трубах 45. За счет действия рабочей жидкости на поршень 4 со стороны надпоршневой полости 6 он начинает двигаться вниз. При этом поршень 31 насоса также двигается вниз. Жидкость из подпоршневой полости 33 выдавливается в водоподъемные трубы 45 через нагнетательный клапан 37, установленный в канале 39 нижнего переходника 3. Одновременно жидкость всасывается в надпоршневую полость 32 цилиндра 30 насоса через отверстие 44, дополнительный всасывающий клапан 42, установленный в канале 40 нижнего переходника 3.
В конце своего движения вверх поршень 4 бьёт по хвостовику 11 выпускного клапана 8 и отрывает выпускной клапан 8 от впускного клапана 13. Так как жидкость имеет возможность перетекать из впускного окна 17 в выпускное окно 15, то давление под впускным клапаном 13 и в надпоршневой полости 6 падает. Под действием пружин 20 и 29 клапаны 13 и 27 возвращаются в начальное положение. Впускной клапан 13 перекрывает доступ рабочей жидкости в надпоршневую полость 6 цилиндра 5 гидродвигателя. Клапан 27 перекрывает канал 25, перекрывая подпоршневую полость 7 от выпускного окна 15. Одновременно разгрузочный поршень 12 своей проточкой 23 соединяет каналы 22 и 24, подключая подпоршневую полость 7 к впускному окну, откуда к ней начинает поступать рабочая жидкость.
Далее цикл работы скважинного насосного агрегата повторяется.
На анимации показан принцип работы насоса при откачке жидкости из скважины.
Анимация – Принцип работы скважинного насосного агрегата (количество кадров-24, количество повторений-7)
Аналитический обзор
Наиболее близким аналогом к изобретению, которое рассматривается является скважинный насосный агрегат ( [3] Стр.177, рис. 3.94), который включает корпус с верхним и нижним переходниками, в котором размещены гидродвигатель, который состоит из поршня, установленного в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей, впускного и выпускного клапана, установленного в центраторе в верхней части цилиндра над поршнем, с хвостовиком, размещенным в полости поршня, и насос, состоящий из цилиндра, разделенного на надпоршневую и подпоршневую полости поршнем, соединенным с поршнем гидродвигателя штоком, который пропущен через сальниковую перегородку, расположенную между гидродвигателем и насосом, а также всасывающий и нагнетательный клапана насоса, соединенные каналами с подпоршневой полостью цилиндра насоса, и впускное и выпускное окна для подачи и слива рабочей жидкости, выполненные в верхнем переходнике корпуса, соединенном с цилиндром гидродвигателя. При этом всасывающий клапан насоса установлен в полости поршня насоса и соединен каналом с надпоршневой полостью цилиндра насоса.
Устройство работает таким образом. Рабочая жидкость подается по бурильным трубам через впускное окно в верхнем переходнике корпуса в подпоршневую полость цилиндра гидродвигателя и поднимает его поршень вверх. Жидкость из надпоршневой полости цилиндра насоса сливается через выпускное окно. В это время поршень насоса также двигается вверх и жидкость через всасывающий клапан насоса всасывается в подпоршневую полость цилиндра насоса. В крайнем верхнем положении своего хода поршень гидродвигателя переставляет впускной и выпускной клапаны. Выпускной клапан перекрывает выпускное окно, а впускной клапан открывает доступ рабочей жидкости в надпоршневую полость цилиндра гидродвигателя. За счет того, что усилие, которое действует на поршень гидродвигателя сверху будет больше чем усилие, которое действует на него снизу, то поршень гидродвигателя будет двигаться вниз вместе с поршнем насоса, который при этом нагнетает жидкость из подпоршневой полости цилиндра насоса через нагнетательный клапан. В крайнем нижнем положении своего хода поршень гидродвигателя бьёт по хвостовику выпускного клапана и переставляет впускной и выпускной клапаны в начальное положение. Далее цикл работы повторяется.
Признаки ближайшего аналога, которые совпадают с признаками
изобретения: корпус с верхним и нижним переходниками, в котором размещены гидродвигатель, состоящий из поршня, установленного в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей, впускного и выпускного клапана, установленного в центраторе в верхней части цилиндра над поршнем, с хвостовиком, размещенным в полости поршня, и насос, что состоит из цилиндра, разделенного на надпоршневую и подпоршневую полости поршнем, соединенным с поршнем гидродвигателя штоком, который пропущен через сальниковую перегородку, расположенную между гидродвигателем и насосом, а также всасывающий и нагнетательный клапана насоса, соединенные каналами с подпоршневой полостью цилиндра насоса, и впускное и выпускное окна для подачи и слива рабочей жидкости, выполненные в верхнем переходнике корпуса, соединенном с цилиндром гидродвигателя.
Недостатками известной конструкции скважинного насосного агрегата является низкая подача и высота подъема жидкости.
Низкая подача жидкости обусловлена тем, что для нагнетания жидкости используется только одна полость цилиндра насоса. Нагнетание жидкости реализуется при ходе поршня насоса вниз (только на половине рабочего цикла насосу). Ход поршня насоса вверх используется для всасывания жидкости в цилиндр насоса.
Низкая высота подъема жидкости обусловлена тем, что при нагнетании жидкости насосом поршень гидродвигателя двигается вниз за счет разницы сил, действующих на него сверху и снизу. Эта результирующая сила, отнесенная к площади поршня насоса, определяет давление жидкости при нагнетании, а следовательно, и высоту подъема жидкости. Но для нормальной работы гидродвигателя этого скважинного насосного агрегата необходимо постоянное действие давления рабочей жидкости в подпоршневой полости цилиндра гидродвигателя, что обусловливает действие усилия на поршень гидродвигателя снизу на всем протяжении рабочего цикла. В таком случае насос развивает меньшее давление, чем в ситуации, когда бы под поршнем гидродвигателя не было бы давления рабочей жидкости.
Заключительная часть
Планируемый результат и перспективы дальнейших исследований
В результате проведенной работы был разработан новый, усовершенствованный по сравнению с его аналогами скважинный насосный агрегат, специально адаптированный под условия бурения геологоразведочных скважин. Была проведена оценка технологических и эксплуатационных качеств разработанного устройства.
Помимо всего прочего была составлена программа на языке программирования Delphi и проведены все необходимые расчеты, доказывающие работоспособность скважинного насосного агрегата.
К одному из его основных недостатков можно отнести то, что данный агрегат дифференциального действия, а также низкую подачу и высоту откачки жидкости. Но в дальнейшем совершенствование устройства может решить данную проблему, так как за счет обеспечения периодического соединения подпоршневой полости цилиндра гидродвигателя с выпускным окном и нагнетания жидкости из надпоршневой полости цилиндра насоса, достигается большая высота подъема и подача жидкости. Следовательно, разработанный скважинный насосный агрегат нельзя считать совершенным во всех отношениях, но путем его дальнейшей модернизации его можно сделать еще более универсальным и совершенным.
