ДонНТУ   Портал магістрів

Вяльдіна Тетьяна Михайлівна

Факультет гірничо-геологічний

Кафедра технологія і техніка геологорозвідувальних робіт

Спеціальність Технологія та техніка розвідки родовищ корисних копалин

Розробка погружного гідроприводного насоса для відкачування зашламованої рідини зі свердловини

Науковий керівник: к.т.н., проф. Пилипець Віктор Івановіч

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі роботи
• 3. Аналітичний огляд конструкцій заглибних насосів
• 3.1 Аналітичний огляд існуючих конструкцій заглибних безштангових гідроприводних насосів з золотниковим розподілом рідини
• 3.2 Аналітичний огляд існуючих конструкцій заглибних безштангових гідроприводних насосів з клапанним розподілом рідини
• 4. Обгрунтування напряму роботи і вибору конструкції заглибного безштангового гідроприводного насосу
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

У зв'язку зі скороченням ресурсів поверхневих вод, використання підземних вод для різних цілей значно збільшується, тому створення високонапірної і високопродуктивної техніки для відкачування рідини з свердловин має велике народногосподарське значення. Необхідність в такій техніці для водовідливу шахт випробовує гірничодобувна промисловість.

Проведений аналіз показує, що одним з найбільш цікавих і перспективних підйомників рідини є заглибні гидропоршневі насоси з гидравлічними двигунами з клапанним розподілом силової рідини.

При виконанні роботи вдосконалена конструкція гідравлічного двигуна насосу для відкачки зашламленной рідини, оскільки часто клапана гідродвигуна зависають, забиваючись шламом. Доводиться витягувати насос на поверхню і розбирати.

При виконанні наукової роботи підібрана методика розрахунку робочих параметрів удосконаленого гідравлічного насосу. Обрано конструктивні і розраховані робочі параметри гідравлічного насосу.

Виконані розрахунки гідравлічного двигуна діаметром 89мм підтверджують працездатність конструкції насосного агрегату при відкачці зашламованої рідини з глибини до 1000 м при використанні звичайних наземних приводних насосів типу НБ, що входять в комплект бурової установки для буріння на тверді корисні копалини.

Розроблено технологію проведення відкачування рідини занурювальним гідравлічним насосом.

1. Актуальність теми

У зв'язку зі скороченням ресурсів поверхневих вод, використання підземних вод для різних цілей значно збільшується. Тому створення високонапірної і високопродуктивної техніки для відкачування рідини з свердловин має велике народногосподарське значення. Необхідність в такій техніці для водовідливу шахт випробовує гірничодобувна промисловість.

В даний час у нас в країні і за кордоном використовується багато різноманітних технічних засобів для штучного підйому рідини, розроблених для різних умов експлуатації, що відрізняються конструктивно і за принципом дії. Їх аналіз показує, що одним з найбільш цікавих і перспективних підйомників рідини є заглибні гидропоршневиє насоси.

Погружной насос з гідроприводом являє собою механізм об'ємного типу, особливість якого полягає в тому, що одне і те ж кількість рідини з однієї і тієї ж глибини може бути відкачано при різних витратах і, відповідно, тиску робочої рідини. І навпаки, при певних параметрах силового насоса можна відкачати різний об'єм рідини з різної глибини. Це досягається вибором відповідного співвідношення площ поршнів насоса і двигуна.

Гидропоршневі насоси відрізняються один від одного по:
– типу силового гідроциліндра і насосної частини;
– типу розподільного механізму двигуна;
– розподілу навантаження при ході поршнів вверх і вниз;
– способу доставки в свердловину і по відведенню відпрацювала рідини з свердловини і т.д.

При відкачці сильно зашламованних рідин відомими гідропоршневими насосними агрегатами з клапанним гідродвигуном відбувається заклинювання клапанної групи шламом, що змушує часто витягувати насос на поверхню для його розбирання і очищення.

У зв'язку з цим, удосконалення конструкції гідродвигуна заглибного насоса для відкачування зашламленної рідини зі свердловин діаметром більше 59мм глибиною до 1000м, є актуальною науковою задачею.

2. Мета і задачі роботи

Мета роботи – удосконалення конструкції гідравлічного двигуна погружного гідравлічного насосу для проведення відкачок сильно зашламованної рідини з свердловин діаметром більше 59мм глибиною до 1000м.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні завдання:

1. Аналіз існуючих конструкцій заглибних насосів з гидравлічними двигунами з клапанним і золотниковим розподілом силової рідини.
2. Удосконалення методики розрахунку погружного гидронасоса з клапанним гідродвигунів і визначення його робочих параметрів.
3. Удосконалення конструкції заглибного гідравлічного насоса з клапанним гідродвигуном.
4. Розробка технології використання вдосконаленої конструкції гідравлічного насосу з клапанним гідродвигуном при проведенні відкачок рідини з свердловини.

Методи досліджень: поставлені завдання вирішуються шляхом узагальнення і аналізу патентних і літературних джерел, проведення теоретичних досліджень, виконання дослідно-конструкторських робіт.

Наукова новизна: уточнена методика розрахунку погружного гідравлічного насосу з клапанним гідродвигуном, що дозволяє вивчити закономірності роботи вдосконаленого пристрою з можливістю вибору ефективного поєднання конструктивних розмірів механізму і параметрів гідросистеми: гідронасос-свердловина.

Наукове значення роботи: полягає в можливості використання отриманої теоретичної моделі та застосування здобутих знань у буровій галузі.

Практичне значення роботи: виражається в створенні ефективної конструкції гідравлічного насосу з клапанним гідродвигуном за рахунок можливості усунення заклинювання клапанів гідравлічного двигуна частинками твердої фази при відкачці сильно зашламованої рідини.

3. Аналітичний огляд конструкцій заглибних насосів

Занурювальні гідропоршневі насосні агрегати в даний час застосовуються у світовій практиці для відкачування рідких корисних копалин (нафти, води), для проведення гідрогеологічних досліджень в свердловинах, для створення місцевої промивки при бурінні в зонах поглинання бурового розчину.

Оскільки гідропоршневі насосні агрегати є пристроями об'ємного гідроприводу, то передача енергії до занурювальним насосним агрегатам від наземних насосів здійснюється безперервно рухаються потоком робочої рідини, що несе кінетичну енергію. Тому особливістю таких агрегатів є їх здатність передавати велику кількість енергії з потоком рідини, які мають порівняно невеликі витрати, але високий тиск. Ця особливість дозволяє створювати потужні агрегати невеликих габаритів для свердловин малих діаметрів.

Доцільно підкреслити, що гнучкість систем з гідроприводом дозволяє легко змінювати свої параметри відповідно до мінливих у часі параметрами експлуатаційної системи, що важливо зокрема при експлуатації високодебітних свердловин, оскільки це дозволяє точно дотримуватися оптимальні технологічні режими експлуатації свердловин, які змінюються протягом всього періоду їх життя. Ця особливість заглибних гідроприводних насосних агрегатів створює економічним ефект від скорочення капітальних витрат на неодноразове переобладнання свердловин, яке доводиться проводити в міру збільшення дебітів обводнених свердловин, наприклад, установками глибинних штангових насосів[1].

Оскільки метою роботи є удосконалення гідропоршневих насосів для роботи в зашламованному середовищі, то наша увага більшою мірою звернена на механізми з клапанним розподілом робочої рідини, оскільки клапани можуть самоущільнення у міру зносу їх робочої поверхні. У меншій мірі проаналізовано золотникові і клапанно-золотникові механізми.

3.1 Аналітичний огляд існуючих конструкцій заглибних безштангових гідроприводних насосів з золотниковим розподілом рідини

Відомий гідравлічний насос, розроблений кафедрою техніки розвідки РКК Єкатеринбурзького гірничого інституту, в якому встановлений двигун з клапанно-золотниковим розподілом (рис. 1).

Робоча рідина, що нагнітається з поверхні силовим насосом по водонапірних трубах, має постійний доступ в нижню порожнину циліндру 6 через кільцевий зазор між корпусом 7 і циліндром через вікна 10.

Якщо при цьому золотник 9 знаходиться у верхньому положенні, то поршень 8 завдяки тиску робочої рідини на його нижню поверхню почне переміщуватися вгору, оскільки верхня порожнина циліндру 6 в цьому випадку з'єднана зі свердловиною через вихлопні вікна і канал 11 в штоку.

Коли поршень досягає верхнього положення, золотник 9 своїм торцем упреться в обмежувач 5, перемістить його вгору і стисне пружину 3. При подальшому підйомі поршня золотник зміститься в нейтральне положення, що характеризується одночасним перекриттям вихлопних вікон[2].

Завдяки цьому тиск в верхній порожнини циліндра 6 різко зросте. За рахунок сукупної дії на золотник тиску рідини з боку верхньої порожнини циліндра 6 і пружини 3 він пройде мертве положення, відкриє впускні вікна і закриє вихлопні вікна. Робоча рідина отримає доступ у верхню порожнину циліндра 6 і додатково перемістить золотник 9 в крайнє нижнє положення. При цьому впускні вікна повністю відкриються, а вихлопні закриються[3].

Під тиск робочої рідини на верхню порожнину поршня 8 вся система рухомих деталей переміститься вниз. У нижньому положенні поршня виступ золотника 9 упреться в обмежувач. Золотник зупиниться і при подальшому русі поршня переміститься в нейтральне положення, а потім завдяки тиску рідини з боку нижньої порожнини циліндра пройде його і забере верхнє положення. Верхня порожнина циліндру 6 з'єднається з атмосферою.

Розпочнеться черговий хід поршня 9 вгору. При цьому відпрацювала рідина з верхньої порожнини циліндра буде витіснена через вихлопні вікна і канал 11 у верхню порожнину над поршнем 13 насоса насоса, де вона змішається з відкачуваної зі свердловини рідиною.

Таким чином, поршень гідродвигуна 9 і пов'язаний з ним поршень насоса 13 будуть здійснювати зворотно-поступальний рух. При русі поршня 13 вгору відбудеться всмоктування рідини зі свердловини в нижню порожнину циліндра через клапан 14 і нагнітання змішаної робочої і відкачуваної рідини з верхньої порожнини циліндра насоса в водопідйомне труби. При русі поршня 13 вниз він витіснить рідину з нижньої порожнини циліндра насоса через клапан 12 і його верхню порожнину і частково (в обсязі штока) в підйомні труби[4].

Відомий погружной гідронасос Г. І. Неудачина і В. І. Пилипця (рис. 2) має клапано-золотниковий розподіл робочої рідини і систему ущільнень сальників і поршнів, здатних працювати в абразивному середовищі.

Клапано-золотниковий вузол 2,3 розподілу робочої рідини розташований у верхній кришці циліндра гідродвигуна 5 і переключається поршнем 4 в крайніх його положеннях. Особливістю конструкції є наявність спеціального пристрою 1, що дозволяє в разі непередбаченої зупинки клапанів гідродвигуна в проміжному положенні переставляти їх у крайнє положення без підйому погружного агрегату на поверхні. Подача насоса, при діаметрі циліндра 150 мм, становить 15 м3 / ч, напір до 800 м.

До недоліків золотникових і клапано-золотникових механізмів слід віднести можливість відкачування , в основному, змащувальних рідин, наприклад нафти. При відкачці зашламованої води, яка володіє абразивним ефектом, моторесурс таких заглибних гідродвигунів незначний.

3.2 Аналітичний огляд існуючих конструкцій заглибних безштангових гідроприводних насосів з клапанним розподілом рідини

Відомий реверсивний гідроциліндр Г. І. Неудачина для приводу погружних поршневих насосів диференціального дії (рис. 3) складається з двох клапанів, сідла яких виконані в кришці циліндра, забезпеченою отворами для робочої рідини, штовхача, що взаємодіє з розподільними клапанами. Перемикання клапанів здійснюється поршнем.

Недоліком конструкції є відсутність захисту випускного клапана від дії швидкісного напору рідини і можливість роботи тільки в строго вертикальних свердловинах, так як випускний клапан не має центрировки в радіальному напрямку і рухається разом з поршнем.

Відома гидропоршневиє насосна установка Г. І. Неудачина і В. І. Пилипця (рис. 4). Вона має клапанний розподіл робочої рідини і насос подвійної дії.

При подачі робочої рідини в свердловинний гидропоршневиє насосний агрегат, вона заповнить корпус і пройде в нижню порожнину циліндра двигуна, викликаючи підйом жорстко зв'язаних між собою порожнистим штоком поршнів і відповідно насоса і гідродвигуна спільно з врівноважуючим штоком[5].

Використання такого пристрою дозволяє підвищити тиск в нагнітальному каналі насоса, що дозволяє створювати інтенсивну промивку з метою продавлювання шламових пробок. Гідродвигун може працювати в середовищі з невеликою кількістю твердої фази.

4. Обгрунтування напряму роботи і вибору конструкції заглибного безштангового гідроприводного насосу

В результаті проведеного аналізу встановлено, що відомі гидродвигатели з золотниковим розподілом можуть працювати тільки в змащувальну середовищі, а пристрої з клапанним розподілом робочої рідини можуть працювати тільки в злегка зашламленной рідини. Однак при заклинюванні хоча б одного з клапанів доводиться витягувати весь занурений агрегат на поверхню для розбирання і очищення клапанної групи гідродвигуна.

Тому пропонується вдосконалений гідродвигун (рис. 5), здатний працювати в сильно зашламованій рідини.

Гідродвигун даної конструкції має двохклапанний розподіл робочої рідини, що володіє здатністю до самоущільненню у міру зносу робочих поверхонь. Крім того в агрегаті застосовується система м'яких гумових ущільнень у сальників і поршнів, здатних працювати в абразивному середовищі. Тому в якості робочої рідини може застосовуватися відкачувана рідина, вода або глинистий розчин[6].

Верхній перехідник вдосконаленого гідродвигуна виконаний рухомим і в разі заклинювання впускного клапана шламом верхній перехідник опускається, його виступ потрапляє в проточку клапана і клапан з обертанням опускається на своє сідло. Гідродвигун знову включається в роботу[7].

На рис. 6 приведена схема установки погружного насоса в свердловині.

Висновки

В результаті проведеного аналізу існуючих конструкцій водопідйомній техніки для досліджень вибрано погружной поршневий насос з гідродвигунів має двохклапанний розподіл робочої рідини.

З метою усунення заклинювання клапанів гідродвигуна частинками твердої фази при відкачці сильно зашламованої рідини у пропонованій конструкції на клапані виконані дві проточки. Верхній перехідник виконаний рухомим і на ньому є два виступи. При заклинюванні шламом одного з клапанів, вимикають наземний насос, опускають колону труб, дається обертання, виступи потрапляють в проточку клапана і шлам розтирається, а клапан опускається в сідло.

Таким чином, розроблена конструкція має значну перевагу – верхній перехідник виконаний рухомим і заклинювання клапанів можна усунути не витягуючи агрегат на поверхню.

При виконанні наукової роботи підібрана методика розрахунку робочих параметрів удосконаленого гидронасоса

Обрано конструктивні і розраховані робочі параметри гідронасосу.

Розроблено технологію проведення відкачування рідини занурювальним гідронасосом.

Виконані розрахунки гідродвигуна діаметром 89мм підтверджують працездатність конструкції насосного агрегату при відкачці зашламованої рідини з глибини до 1000 м при використанні звичайних наземних приводних насосів типу НБ, що входять в комплект бурової установки для буріння на тверді корисні копалини.

Перелік посилань

1. Пилипец.В.И. Насосы для подъема жидкости. – Донецк: РИА, 2000. – 244 с.
2. Богданов Н.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти.– М.Недра, 1968
3. Неудачин. Г. И., Пилипец. В. И. Разработка гидрокачалки для привода штанговых насосов – М.: ЦНИИЭИУголь, №12, 1976.
4. Неудачин. Г. И.., Пилипец. В. И Погружной пневматический насос.– М.: ЦНИИЭИУголь, №27, 1976
5. Пилипец В.И. Применение погружных насосов с гидроприводом для откачки жидкости из буровых скважин. – Свердловск: СПИ. В кн.: Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. 1981.
6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. – М.: Недра, 1978.
7. Неудачин Г.И., Коломоец А. В., Калиниченко О. И., Пилипец В. И. Проектирование и расчет забойных буровых механизмов и погружных насосов. Учебное пособие. – Донецк: ДМТ, 1977. .