Диафрагменные насосы относятся к классу объемных. Они предназначены, в первую очередь, для эксплуатации мало- и среднедебитных нефтяных скважин которые, в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем, являются основным фондом нефтяной промышленности России.
Насос состоит из гидравлической и приводной части. В гидравлическую часть входит всасывающий и нагнетательный клапаны, гидравлическая полость в которую поступает, а затем вытесняется добываемая жидкость и диафрагма, разделяющая насос на две части. Диафрагма выполняет две функции. Первая —вытеснение добываемой жидкости и вторая — изолирование приводной части от агрессивной добываемой среды. Приводная часть в зависимости oт конструктивного исполнения может содержать, различные узлы. Ее сдачей является создание усилия и его передача на диафрагму. По способу передачи энергии бесштанговые диафрагменные насосы можно разделить на две группы, и первую из которых входят насосы с погружным электроприводом, а во вторую — с поверхностным гидроприводом.
В качестве привода в диафрагменных насосах для добычи нефти наиболее часто используется электропривод. Были попытки использовать в качестве привода соленоидные (электромагнитные) и линейные электродвигатели, применение которых приводит к значительным упрощениям в трансмиссии [16].
Соленоидный двигатель является наиболее простым по конструкции из названных и компактным. Недостатками его являются низкий КПД и большая скорость движения рабочего органа. В настоящее время преодолеть эти недостатки является невозможным, что затрудняет применение подобного двигателя для насосов, предназначенных для добычи нефти.
Линейный двигатель позволяет по сравнению с соленоидным уменьшить скорость поступательного движения якоря, но, к сожалению, имеет относительно низкий КПД (порядка 30 %), а, следовательно, и высокую рабочею температуру обмоток. Так как диафрагменные насосы предназначены в первую очередь для малодебитных скважин, то охлаждение линейных электродвигателей затруднено, поэтому в настоящее время они не используются.
Роторный асинхронный электродвигатель является в настоящее время самым распространенным типом привода для погружных насосных установок, благодаря достаточно высокому КПД (свыше 80%) и высокой технической и технологической отработанности изготовления, эксплуатации и ремонта.
Система привода от двигателя к диафрагме называется трансмиссией и подразделяйся на механическую и гидравлическую.
В диафрагменных насосах с механическим приводом диафрагмы имеется толкатель, который жестко связан с диафрагмой. В период хода нагнетания диафрагма испытывает нагрузку, равную давлению, создаваемому насосом, поэтому с ростом давления, создаваемого насосом, срок службы диафрагмы резко уменьшается. По этой причине при механическом приводе диафрагмы параметры насоса, как правило, жестко связаны с прочностными параметрами диафрагмы и ограничены сроком ее службы. Так как давление, развиваемое погружными насосами для добычи нефти, достаточно велико (порядка 10 МПа), то данный вид трансмиссии не может быть использован в насосах, предназначенных для долговременной работы в скважинах.
В насосах с гидравлическим приводом диафрагмы между ней и исполнительным органом насоса находится жидкая рабочая среда, которая, вытесняясь из рабочей камеры рабочим органом (например, — плунжером), воздействует на диафрагму, а через нее — на перекачиваемую среду. При этом диафрагма является лишь разделительным органом, отделяющим рабочую среду и исполнительные органы насоса от перекачиваемой среды. Давление сред по обе стороны диафрагмы практически одинаково. Если отклонение диафрагмы от нейтрального положения выбрано с таким расчетом, что напряжения в материале диафрагмы незначительны, то работоспособность диафрагмы и срок ее службы определяется пределом выносливости материала при многократном изгибе в месте крепления диафрагмы к корпусу насоса. Кроме того, к достоинству этого типа трансмиссии относится возможность передачи больших мощностей при малых размерах элементов, большой срок службы, обуславливаемый в значительной степени самосмазыванием всех элементов трансмиссии рабочей жидкостью и простыми средствами предохранения трансмиссии от перегрузок. К особенностям данного вида трансмиссии следует отнести высокие требования, предъявляемые к качеству изготовления ее элементов, а также к самой рабочей жидкости, свойства которой должны оставаться стабильными при длительной работе в условиях повышенной температуры и давления. В связи с решением данных задач современными структурами машиностроения и нефтехимии именно данный тип трансмиссии используется для диафрагменных насосов для добычи нефти.
Однако, в случае применения гидравлического привода диафрагмы, необходимо в конструкции насоса предусмотреть устройство для поддержания заданного нейтрального положения диафрагмы. Наиболее простыми являются устройства открытого типа, когда конструкция насоса обеспечивает гарантированную утечку из полости насоса в диафрагменную камеру, а оттуда, при образовании некоторого определенного избытка рабочей жидкости, он сбрасывается в нагнетательный канал диафрагменного насоса. В этом случае в насосе должен быть достаточный объем рабочей жидкости для обеспечения необходимого срока службы насоса.
Устройства по поддержанию нейтрального положения диафрагмы (иначе называемая системой компенсации утечек — СКУ) позволяют регулировать объем рабочей жидкости в диафрагменной камере, добавляя ее туда или сбрасывая избыток в сливную линию силового насоса. При использовании такой системы потери рабочей жидкости минимальны, однако наличие такой системы усложняет конструкцию насоса. В других случаях может быть применена комбинированная система, при которой недостаток рабочей жидкости в диафрагменной камере компенсируется из гидравлической системы насоса, а избыток — сбрасывается и нагнетательный канал диафрагменного насоса. Конкретный выбор одного из способов поддержания нейтрального положения диафрагм зависит от конструкции насоса и, в частности, от конструкции диафрагм.
Как уже указывалось выше, одной из наиболее важных частей насоса является диафрагма. Часто именно ее долговечность определяет долговечность насоса, так как клапаны имеют достаточный ресурс и их конструкция хорошо отработана, а приводная часть насоса отделена от агрессивной среды диафрагмой и поэтому имеет также высокие показатели долговечности. Так как особенности исполнения диафрагм зависят от конструкции насоса, то в начале рассмотрим их.
Скважинные диафрагменные насосы могут быть как одностороннего, так и двустороннего действия. Насосы одностороннего действия позволяют значительно упростить конструкцию и уменьшить габариты. Однако, при этом появляется значительная неравномерность загрузки привода, что снижает его КПД и надежность. Этот недостаток можно существенно ослабить при применении рекуператоров энергии холостого хода. При этом снижается необходимая установочная мощность привода и улучшаются условия его работы, повышается общий КПД. В то же время наличие рекуператора усложняет конструкцию насоса. Кроме того, выход из строя рекуператора приводит к прекращению работы насоса. Поэтому насосы одностороннего действия изготавливаются небольшой мощности (3—5 кВт).
Насосы двухстороннего действия имеют при одной и той же установочной мощности электродвигателя подачу в 1,5—1,7 раз большую, чем насос одностороннего действия, из-за отсутствия. Холостого хода и более равномерную нагрузку на электродвигатель. Поэтому этот принцип может быть рекомендован при изготовлении насосов большой мощности (свыше 5 кВт)
В насосах используются различные конструкции диафрагм.
Плоская — наиболее простая и технологичная форма диафрагмы. При использовании гидравлического привода легко устанавливается точка наибольшего прогиба, что упрощает проектирование устройств компенсации. К недостаткам данной конструкции относится небольшая предельно допустимая величина прогиба подобных диафрагм, что делает затруднительным применение их в насосах, рассчитанных на большие подачи (свыше 20 м3/сут).
Сильфом — этот тип диафрагм позволяет изменять объем диафрагменной камеры в несколько раз. Кроме того, величина и направление изменения ее объема могут легко контролироваться, что облегчает создание устройств компенсации смещения нейтрального положения диафрагмы при гидравлическом приводе. К недостаткам данной конструкции следует отнести сравнительно большой мертвый объем, а также значительные деформации материала диафрагмы в местах перегибов гофр. Кроме того, при определенных условиях диафрагмы сильфонного типа могут терять свою устойчивость и складываться не подлине, а поперек. Эти диафрагмы могут быть рекомендованы для насосов большой производительности (свыше 20 м3/сут).
Цилиндрическая — эти диафрагмы также позволяют изменить объем диафрагменной камеры в несколько раз, причем при этом не образуется мест с высокой степенью деформации. Кроме того, эти диафрагмы более просты по конструкции, чем сильфонные. Однако, при применении цилиндрических диафрагм трудно определить направление их максимального прогиба, что затрудняет проектирование устройств компенсации. В целом применение подобных диафрагм оправдано при проектировании насосов на большие подачи и давления.
Рис. 1.190. Сильфонная диафрагма:
D — наружный диаметр; d — внутренний диаметр; δ — толщина оболочки
Рис. 1.191. Диафрагма:
а — балонная, б — рукавовидная
Различаются насосы и количеством диафрагм. Количество диафрагм зависит как от типа насоса — одностороннего или двухстороннего действия, так и от его конструкции. Например, рабочие диафрагмы, деформация которых изменяет объем рабочих камер, и вспомогательные, связанные с устройством компенсации. В целях увеличения надежности насоса могут быть установлены двойные диафрагмы, так, чтобы прорыв одной из них не вывел бы насос из строя. Таким образом, количество диафрагм диктуется очень большим числом факторов. В нефтяной промышленности нашли применение одно- и двухдиафрагменные насосы.
Диафрагмы, используемые при добыче нефти, изготовлены из эластичных материалов. Условия эксплуатации предъявляют целый ряд требований к выбору материала. Во-первых, материал должен быть стоек к действию нефти и пластовой воды, имеющей, как правило, кислую реакцию. Во вторых, материал должен быть износостоек к абразивному действию механических примесей (зачастую с высокой твердостью), содержащихся в добываемой жидкости. В третьих, материал должен выдерживать большое количество циклов нагружения. Как правило, для изготовления диафрагм используется маслобензостойкая резина.
Для работы в нефтяной промышленности был предложен целый ряд конструкций погружных диафрагменных насосов. Ниже дано описание нескольких наиболее перспективных схем таких насосов для добычи нефти
На рис. 1.192 показана схема погружного объемного насоса с линейным двигателем, гидромеханическим рекуператором энергии холостого хода и разделительной диафрагмой. Данная схема была разработана в ОКБ БН под двигатель института электродинамики АН УССР [16]. Мощность двигателя составила 2,5 кВт, КПД — 25 %, подача насоса — 2 м3/сут, напор — 1200 м.
Над линейным двигателем 1 установлен корпус диафрагменного насоса 2. Рабочий орган 3 линейного электродвигателя 1 соединен с рабочим цилиндром 4, имеющим закрытый нижний конец. Рабочий цилиндр 4 одет на неподвижный полый плунжер 5, во внутреннюю полость которого вставлена сменная втулка 6 Внутренний канал полого плунжера 5 соединен с нижней частью диафрагменной камеры 7. Диафрагменная камера 7 разделена плоской диафрагмой 8 на две части. Верхняя часть диафрагменной камеры 7 имеет канал 9, в который выходят всасывающий 10 и нагнетательный 11 клапаны. Входное отверстие всасывающего клапана 10 закрыто фильтрующей сеткой 12. Для использования энергии холостого хода и снижения усилия развиваемого линейным двигателем при рабочем ходе, в конструкции насоса предусмотрен рекуператор, состоящий из вспомогательного цилиндра 13, поршнем которого является рабочий цилиндр 4, нескольких плунжеров 14, нижний торец которых соединен гидроканалом 15 со вспомогательным цилиндром 13, и пружины сжатия 16. Для компенсации утечек рабочей жидкости из системы рекуперации, ее полость при помощи канала 17, перекрытого клапаном 18, соединена с внутренней полостью электродвигателя 7. Для поддержания нейтрального положения диафрагмы 8 в насосе 2 предусмотрен специальный механизм компенсации, состоящий из золотника 19, связанного штоком с центральной частью диафрагмы 8. Плунжер золотника 19 перекрывает в нейтральном положении верхний 20 и нижний 27 каналы, соединяющие полость под диафрагмой 8 с полостью электродвигателя 7. В каналах 20 и 27 установлены обратные клапаны 22 и 23.
Насос работает следующим образом. При включении электродвигателя 7, его рабочий орган 3 начинает вместе с рабочим цилиндром 4 перемещаться вниз. При этом начинает увеличиваться свободный объем в рабочем цилиндре 4 и рабочая жидкость начинает перетекать в него по каналу в полом плунжере 5 из диафрагменной камеры 7. Диафрагма допускается, всасывающий клапан 10 открывается и пластовая жидкость, пройдя через сетку фильтра 12, попадает в наддиафрагменную зону диафрагменной камеры 7. Одновременно рабочая жидкость, вытесняемая рабочим цилиндром 4 из вспомогательного цилиндра 13, поступает под плунжеры 14. Плунжеры 14, выдвигаясь из своих пазов, сжимают пружину 16. Осуществляется цикл всасывания.
Рис. 1.192. Схема бесштангового объемного насоса с линейным двигателем, гидромеханическим рекуператором энергии холостого хода и плоской разделительной диафрагмой с гидравлическим приводом
При достижении рабочим органом 3 электродвигателя 1 своей нижней точки, происходит реверсирование движения рабочего органа 3. Рабочий орган 3 электродвигателя 1 начинает движение вверх. В дополнение к усилию, развиваемому линейным двигателем, высвобождается энергия сжатой пружины 16, которая начинает перемещать плунжеры 14 вниз. Рабочая жидкость, вытесняемая из-под плунжеров 14, давит на нижнюю кромку рабочего цилиндра 4. Таким образом, усилие, развиваемое пружиной 16, складывается с усилием, развиваемым электродвигателем 1. При перемещении рабочего цилиндра вверх, его внутренний объем уменьшается и рабочая жидкость по каналу в плунжере 5 поступает в диафрагменную камеру 7, вызывая перемещение диафрагмы 8 вверх. Объем наддиафрагменной зоны диафрагменной камеры 7 уменьшается, обрывается нагнетательный клапан // и пластовая жидкость попадает в колонну насосно-компрессорных труб. Осуществляется цикл нагнетания. При этом, если к концу хода из-за утечек рабочей жидкости из системы рекуперации, плунжеры 14 уже дошли до нижнего положения, а рабочий цилиндр 4 продолжает движение вверх, то под ним во вспомогательном цилиндре 13 возникает разряжение, клапан 18 открывается и рабочая жидкость из полости электродвигателя 1 поступает в систему рекуперации.
Контроль крайних положении диафрагмы 8' осуществляется следующим образом. В случае, если диафрагма 8 в конце цикла всасывания имеет прогиб больше максимально допустимого, плунжер золотника 19, перемещаясь вниз, открывает верхний канал 20. Клапан 22 открывается и под диафрагму 8 поступает рабочая жидкость из полости электронасоса 1. В случае, если в конце цикла нагнетания диафрагма 8 получает прогиб больше максимально допустимого, то плунжер золотника 19, перемещаясь вверх, открывает нижний канал 21. Клапан 23 открывается и избыток жидкости сбрасывается в полость электродвигателя 1.
Диафрагма отделяет внутренние полости погружного агрегата от перекачиваемой среды и препятствую попаданию свободного газа в цилиндр насоса, значительно снижая влияние вредного объема в насосе. Пленение подачи насоса осуществляется путем замены сменной втулки 6 на другую с большей площадью поперечного сечения (для увеличения подачи) или с меньшей площадью поперечного сечения (для уменьшения подачи). В связи с тем, что Институт электродинамики АН УССР не смог довести надежность своего электродвигателя до требуемой величины, работы по созданию подобного насоса были приостановлены. В связи с вышеизложенным в настоящее время в нефтяной промышленности применяются бесштанговые объемные насосы только с роторным электродвигателем.
За рубежом основным разработчиком погружных диафрагменных насосов была германская фирма Pleuger Underwasserpussy Gmb. Ей принадлежит свыше десяти патентов на скважинные диафрагменные насосы различных типов. Наиболее удачная конструкция приведена на рис. 1.193 [36]. Корпус насоса 7 соединен с электродвигателем 2, вал которого вращает конический редуктор 3. Конический редуктор 3 преобразует вращение вала электродвигателя 2 во вращение горизонтального низкоскоростного кулачкового вала 4. Кулачок набегает на толкатель 5, служащий одновременно плунжером диафрагменного насоса. Возврат толкателя 5 осуществляется при помощи пружины 6. Контроль положения диафрагмы осуществляется при помощи золотниковоuj устройства 7, плунжер которого жестко связан с расположенной в рабочей камере 8 диафрагмой 9. При перемещение диафрагмы 9 выше предельного положения открывается канал 10 и избыток масла сбрасывается в сливную линию. При перемещении диафрагмы 9 ниже предельного положения, она ложится на нижнюю стенку рабочей камеры 8, под ней образуется разряжение и по каналу 11 рабочая жидкость из сливной линии поступает под диафрагму.
Рис. 1.193. Схема объемного бесштангового насоса с роторным двигателем, механической трансмиссией и плоской разделительной диафрагмой с гидравлическим приводом
Приведенный патент послужил основой для промышленного выпуска фирмой Pleuger насоса с подачей 10 м3/сутки, давлением 10 МПа и КПД 39,9% [37].
Недостатком данного насоса является необходимость спуска и скважину дополнительной колонны труб для компенсации утечек рабочей жидкости. Кроме того, использование в качестве рабочей только одной поверхности поршня затрудняет создание насосов такого типа для добычи нефти из среднедебитных скважин.
В ОКБ БН была разработана аналогичная конструкция, но не требующая применение дополнительной колонны труб для компенсации утечек [38]. Именно эта конструкция и последующем была принята за основу при создании установок электроприводных диафрагменных насосов (УЭДН). В процессе испытаний и подконтрольной эксплуатации были получены следующие характеристики насоса.
В настоящее время по ТУ 26-06-1464-86 серийно выпускаются установки типа УЭДН5, предназначенные для добычи нефти из малодебитных скважин с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 121,7 мм [38].
Рис. 1.194. Характеристика диафрагменного насоса ОКБ БН
Установка типа УЭДН5 (рис. 1.195) включает в себя погружной диафрагменный электронасос типа ЭДН5 1, комплектное устройство 8 для управления электронасосом и его защиты, кабельную линию с муфтой штекерного типа 4, пояса 5 для крепления кабельном линии к трубам 3, на которых электронасос опускается в скважину, и клапан 2 для слива жидкости из труб перед подъемом электронасоса на поверхность. Наземный трубопровод у устья скважины снабжен электроконтактным манометром 6 и обратным клапаном 7.
Электронасос скважинный диафрагменный (рис 1.196) выполнен в виде вертикального моноблока, состоящего из асинхронного четырехполюсного электродвигателя 2, конического редуктора 3 и плунжерного насоса 5 с эксцентриковым приводом 4 и пружины 6. Все указанные узлы размешены в общей камере, заполненной маслом, и герметично изолированы от перекачиваемой среды. В нижней части насоса установлен резиновый компенсатор (для компенсации температурного изменения объема масла), а в верхней части установлена резиновая плоская диафрагма 7, которая является рабочим органом насоса. Компенсатор и диафрагма, кроме основной функции насоса, обеспечивают герметичность приводной части насоса, т.е. изолируют ее от прокачиваемой жидкости. Над диафрагмой установлены всасывающий 8 и нагнетательный 9 клапаны, монтажный патрубок и защитная сетка.
Рис. 1.195. Установка типа УЭДН5
В верхней части головки электронасоса расположены три токоввода 10 для соединения с муфтой кабельной линии. Внутри монтажного патрубка непосредственно над нагнетательным клапаном установлен шламовый патрубок с муфтой. Монтажный патрубок снабжен муфтой для соединения с насосно-компрессорной трубой диаметром 60 мм.
Для крепления защитной сетки и плоского кабеля предусмотрены зажимы и накладки.
Для защиты нагнетательного клапана от твердых частиц в конструкции насоса предусмотрены шламовые трубы, которые соединяются между собой с помощью конической резьбы. Затем их соединяют со шламовым патрубком электронасоса. Верхняя труба сверху закрыта конусом, имеющим радиальные отверстия
Откачиваемая электронасосом жидкость через нагнетательный клапан подается в шламовые трубы и через радиальные отверстия конуса выбрасывается в НКТ.
Рис. 1.196. Электронасос скважинный диафрагменный
Для слива жидкости из колонны НКТ при подъеме электронасоса из скважины используют сливной клапан.
Обозначение установки УЭДН5-12,5-800 ВП 00-1,6 ТУ-26-06-1464-86 расшифровывается следующим образом; У — установка; ЭДН5-12,5-800 — типоразмер электронасоса; Э — привод от погружного электродвигателя; Д — диафрагменный; Н — насос; 5 — номер группы электронасоса для использования в скважинах с внутренним диаметром колонны обсадных труб не менее 121,7 мм; 12,5 — подача, м3/сут; 800 — напор, развиваемый электронасосом, м; ВП 00 — вариант поставки; 1,6 — верхний предел измерения манометра электроконтактного, МПа
При заказе указывается обозначение варианта поставки согласно табл. 1.87 и верхний предел измерения электроконтактного манометра в МПа из ряда 1; 1,6; 2,5. При отсутствии указания о варианте поставки и верхнем пределе измерения электроконтактного манометра установку поставляют в варианте ВП 00-1,6.
Установки типа УЭДН5 поставляют в виде составных частей в одном из вариантов поставки (ВП) согласно табл. 1.87.
С установками любых типоразмеров за отдельную плату поставляют групповые комплекты; запасных частей для проведения среднего и капитального ремонтов (один комплект на пять установок); сменных плунжерных пар, обеспечивающих получение параметров согласно табл. 1.87 (один комплект на пятнадцать установок), монтажных частей (один комплект на десять установок) и инструмента и принадлежностей (один комплект на пятьдесят установок).
Основные показатели установок типа УЭДН5 в номинальном режиме при перекачивании электронасосом воды плотностью 1000 кг/м3 температурой 45 °С при напряжении 350 В и частоте тока 50 Гц приведены в табл. 1.88.
Установки типа УЭДН5 соответствуют восстанавливаемым изделиям группы II, вида I. Климатическое исполнение наземного электрооборудования У1, электронасоса В5.
Установки работают от сети переменного тока напряжением 380 В при частоте тока 50 Гц.
Установки типа УЭДН5 предназначены для перекачивания пластовой среды, состоящей из смеси нефти, воды и газа. Coдержание пластовой воды в перекачиваемой среде не ограничивается. Максимальное массовое содержание твердых частиц 0,2 %; максимальное объемное содержание нефтяного газа на приеме насоса 10%; водородный показатель пластовой воды рН 6,0 — 8,5; максимальная концентрация сероводорода 0,01 г/л.
Рабочий диапазон изменения температуры от 5 до 90 °С.
Таблица 1.87
Число составных частей при варианте поставки
| Число составных частей при варианте поставки | ||||
| ВП 00 | ВП 01 | ВП 02 | ВП 03 | |
| Кабель в сборе: кабель круглый и плоский с кабельной муфтой, уложенные на металлический барабан | ||||
| Стеной клапан | ||||
| Шламовые трубы (верхняя и нижний) Трубка манометра | ||||
| Погружной диафрагменный электронасос типа ЭДН5 | ||||
| Комплект поясов для крепления кабеля | ||||
| Электроконтактный манометр Комплектное устройство | — | |||
| Система электрооборудования | ||||
| Комплект запасных частей |
Таблица 1.88