RU2436998C1

RU2436998C1 - Pump unit for liquid pumping to well

Info

Publication number: RU2436998C1
Application number: RU2010123148/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Валентинович Степанов (RU); Николай Валентинович Степанов
Original assignee: Николай Валентинович Степанов
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-20

Abstract

FIELD: engines and pumps. ^ SUBSTANCE: pump unit includes reversible motor 1 with hydroprotection, actuator 2, rolling screw-nut and piston pump 3 connected to lines of low 9 and high 14 pressure. Unit is installed in casing 4 connected to line 9 and includes pump 3 of double action, the working cavities 5 and 6 of which are connected by means of two branch pipes 11 and 12 to cavity of casing 4 and high pressure line 14 through the valve block 10 installed outside the casing. Valve block 10 includes pairs 16, 17 of valves, which are connected to branch pipes 11 and 12. Oil-filled actuator 2 has fixed erection method and is hydraulically balanced with pressure in pump 3. ^ EFFECT: increasing the head, capacity and service life of pump unit. ^ 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к насосным установкам для закачки жидкости в скважину и, в особенности, к плунжерным насосным установкам.The invention relates to pumping units for pumping fluid into a well and, in particular, to plunger pumping units.

Известен установленный горизонтально или под небольшим углом к горизонту в трубе насосный агрегат, состоящий из электродвигателя с гидрозащитой и центробежного насоса. В верхней части трубы, противоположной входному патрубку, установлен клапан для сброса газа, содержащегося в нагнетаемой жидкости. Выходной патрубок соединен с насосно-компрессорными трубами [Патент США №5203682].Known installed horizontally or at a small angle to the horizontal in the pipe pump unit, consisting of an electric motor with hydraulic protection and a centrifugal pump. In the upper part of the pipe, opposite the inlet pipe, a valve is installed to discharge the gas contained in the pumped liquid. The outlet pipe is connected to the tubing [US Patent No. 5,203,682].

Недостатком насосного агрегата является низкий коэффициент полезного действия центробежного насоса и взаимозависимость давления нагнетания и расхода.The disadvantage of the pumping unit is the low efficiency of the centrifugal pump and the interdependence of discharge pressure and flow rate.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является насос с приводом типа винт-гайка качения от реверсивного электродвигателя, вал которого соединен 61 винтом привода. Гайка привода находится в шпоночном соединении с корпусом и соединена посредством полого штока, охватывающего винт, и штанги с плунжером насоса. Для обеспечения реверса электродвигателя и возвратно-поступательного движения гайки и соединенного с ней плунжера насоса привод содержит демпферы, установленные по концам хода гайки, при взаимодействии которых происходит увеличение силы тока, что служит сигналом к реверсу электродвигателя. В качестве насоса используется плунжерный насос с шариковыми клапанами. Насос производит откачку жидкости из затрубного пространства скважины в полость насосно-компрессорных труб [Патент РФ №2347947].The closest technical solution that we have chosen as a prototype is a pump with a screw-nut type drive from a reversible electric motor, the shaft of which is connected by 61 drive screws. The drive nut is keyed to the housing and is connected by means of a hollow rod that encloses the screw and a rod with a pump plunger. To ensure the reverse of the electric motor and the reciprocating movement of the nut and the pump plunger connected to it, the drive contains dampers installed at the ends of the nut stroke, the interaction of which increases the current strength, which serves as a signal to reverse the electric motor. As a pump, a plunger pump with ball valves is used. The pump pumps the fluid from the annulus of the well into the cavity of the tubing [RF Patent No. 2347947].

Недостатком насоса является отсутствие охлаждения двигателя при установке агрегата на поверхности. При этом для замены наименее надежных элементов насоса - клапанов требуется остановка агрегата и разборка насоса, что в условиях низких температур может привести к замерзанию воды. Только один конец винта зафиксирован, а другой - не зафиксирован относительно корпуса, что не позволяет применять насос в горизонтальном положении и приводит к существенному снижению допустимой нагрузки и частоты вращения привода, и, как следствие, снижению напора, производительности и ресурса насосного агрегата. Система управления электродвигателем не обеспечивает надежного реверса. Кроме того, насос одностороннего действия не обеспечивает значительную по объему и непрерывную подачу жидкости.The disadvantage of the pump is the lack of engine cooling when installing the unit on the surface. At the same time, to replace the least reliable elements of the pump - valves, it is necessary to stop the unit and disassemble the pump, which at low temperatures can lead to freezing of water. Only one end of the screw is fixed, and the other is not fixed relative to the housing, which does not allow the pump to be used in a horizontal position and leads to a significant reduction in the permissible load and speed of the drive, and, as a result, a decrease in pressure, capacity and resource of the pump unit. The motor control system does not provide a reliable reverse. In addition, a single-acting pump does not provide a significant volume and continuous flow of fluid.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков.The objective of the invention is to eliminate these disadvantages.

Для успешного решения поставленной задачи в известном насосном агрегате, включающем насос, сообщающийся с линиями низкого и высокого давления, привод винт-гайка качения, установленный в маслозаполенном корпусе, содержащем эластичную оболочку, демпферы, реверсивный электродвигатель, ведущий вал которого соединен с винтом привода, один конец которого установлен в подшипнике, а гайка, находящаяся в подвижном соединении с корпусом, соединена с уплотненной штангой привода насоса посредством охватывающего винт полого штока, другой конец винта установлен в подшипнике, соединенном с корпусом при помощи кронштейнов, проходящих через прорези в полом штоке, который входит в подвижное соединение с корпусом, и его ход ограничен по меньшей мере одним датчиком перемещения, а внешняя поверхность эластичной оболочки сообщается с соседней с приводом рабочей камерой насоса двойного действия, рабочие камеры которого соединены двумя патрубками с линиями низкого и высокого давления через блок клапанов; электродвигатель, привод и насос установлены в кожухе, соединенном с линией низкого давления; блок клапанов содержит соединенные с патрубками две пары клапанов, причем в каждой паре вход одного клапана соединен с полостью кожуха агрегата, а выход соединен с соответствующей рабочей камерой насоса и входом другого клапана пары, выход которого соединен с линией высокого давления.To successfully solve the problem in a known pump unit, including a pump in communication with low and high pressure lines, a rolling screw-nut drive installed in an oil-filled housing containing an elastic shell, dampers, a reversible electric motor, the drive shaft of which is connected to the drive screw, one the end of which is mounted in the bearing, and the nut, which is in a movable connection with the housing, is connected to the sealed rod of the pump drive by means of a hollow rod enclosing the screw, the other end This is mounted in a bearing connected to the housing by means of brackets passing through the slots in the hollow stem, which is movably connected to the housing, and its stroke is limited by at least one displacement sensor, and the outer surface of the elastic shell communicates with the working chamber adjacent to the drive double-acting pump, the working chambers of which are connected by two nozzles to low and high pressure lines through a valve block; an electric motor, a drive and a pump are installed in a casing connected to a low pressure line; the valve block contains two pairs of valves connected to the nozzles, and in each pair the inlet of one valve is connected to the cavity of the casing of the unit, and the outlet is connected to the corresponding working chamber of the pump and the inlet of the other valve of the pair, the outlet of which is connected to the high pressure line.

Указанные признаки позволяют устранить недостатки, присущие прототипу, за счет фиксации обеих концов винта привода в подшипниках, использования датчиков перемещения для управления реверсом электродвигателя, охлаждения двигателя жидкостью, протекающей в кожухе, а также использования насоса двойного действия. Система клапанов, вынесенных за пределы насоса, обеспечивает быструю замену вышедшего из строя клапана и позволяет производить его замену с падением производительности, но без остановки закачки.These signs can eliminate the disadvantages inherent in the prototype by fixing both ends of the drive screw in the bearings, using displacement sensors to control the reverse of the electric motor, cooling the engine with liquid flowing in the casing, and also using a double-acting pump. The system of valves outside the pump provides a quick replacement of a failed valve and allows it to be replaced with a drop in performance, but without stopping the injection.

На фиг.1 схематично приведена конструкция насосного агрегата. На фиг.2 - схема соединения клапанов в клапанном блоке, на фиг.3 представлена схематично конструкция привода насоса, а на фиг.4 - узел крепления подшипника винта.Figure 1 schematically shows the design of the pumping unit. Figure 2 is a diagram of the connection of the valves in the valve block, figure 3 shows a schematic design of the pump drive, and figure 4 - the mounting unit of the bearing of the screw.

Насосный агрегат содержит реверсивный электродвигатель 1, привод 2 типа винт-гайка качения и насос 3 двойного действия, установленные в кожухе 4. Насос 3 имеет две рабочие камеры 5 и 6 по обе стороны поршня 7, соединенного с приводом 2 полированной штангой 8. Линия 9 низкого давления соединена с полостью кожуха 4. Блок 10 клапанов соединен патрубками 11 и 12 с рабочими камерами 5 и 6, соответственно и сообщается с полостью кожуха 4 патрубком 13. На выходе блока 10 клапанов имеется линия 14 высокого давления, сообщающаяся с насосно-компрессорными трубами скважины. Для сброса свободного газа при установке кожуха под углом к горизонту имеется отводная линия 15, снабженная клапаном (не показан). В кожухе 1 имеется также кабельный ввод электродвигателя (не показан).The pump unit contains a reversible electric motor 1, a screw type screw-nut drive 2 and a double-acting pump 3 installed in the casing 4. Pump 3 has two working chambers 5 and 6 on both sides of the piston 7 connected to the actuator 2 by a polished rod 8. Line 9 low pressure is connected to the cavity of the casing 4. The valve block 10 is connected by nozzles 11 and 12 to the working chambers 5 and 6, respectively, and is in communication with the cavity of the casing 4 by the nozzle 13. At the output of the valve block 10 there is a high pressure line 14 in communication with the tubing ck Azhinov. To release free gas when installing the casing at an angle to the horizon, there is a discharge line 15 equipped with a valve (not shown). In the housing 1 there is also a cable entry of an electric motor (not shown).

Блок 10 содержит две пары 16 и 17 клапанов 18, 19 и 20, 21, соединенных патрубками 11 и 12 с соответствующими камерами 5 и 6 насоса 3. В каждой паре 16 или 17 вход 22 или 23 одного клапана 18 или 20 соединен с патрубком 13, а выход 24 или 25 соединен с одним из патрубков 11 или 12. Вход 26 или 27 другого клапана 19 или 21 пары соединен с патрубком 11 или 12, а выход 28 или 29 соединен с линией 14 высокого давления.Block 10 contains two pairs of 16 and 17 valves 18, 19 and 20, 21 connected by nozzles 11 and 12 to the corresponding chambers 5 and 6 of pump 3. In each pair 16 or 17, the inlet 22 or 23 of one valve 18 or 20 is connected to the nozzle 13 and the outlet 24 or 25 is connected to one of the nozzles 11 or 12. The inlet 26 or 27 of the other valve 19 or 21 of the pair is connected to the nozzle 11 or 12, and the outlet 28 or 29 is connected to the high pressure line 14.

Привод 2 содержит маслозаполненный корпус 30, в котором ведущий вал 31 электродвигателя 1 через промежуточный вал 32 соединен соосно с передачей 33 винт 34 - гайка 35 качения. Гайка 35 посредством выступов 36 входит в подвижное соединение с пазами 37, выполненными в корпусе 30, обеспечивая продольное перемещение гайки 35 и соединенного с ней соосного полого штока 38, перемещающегося снаружи винта 34. Полый шток 38 соединен со штангой 8, уплотненной в корпусе 30 кольцевым уплотнением 39. Промежуточный вал 32 установлен внутри маслозаполненной эластичной оболочки 40, полость которой сообщается с полостью корпуса 30, а внешняя поверхность посредством патрубка 41 - с полостью камеры 5 насоса 3, обеспечивая равенство давлений внутри и снаружи штанги 8. Один конец 42 винта 34 установлен в подшипнике 43, а другой конец 44 винта - в подшипнике 45. Подшипник 45 соединен с корпусом 30 при помощи кронштейнов 46, проходящих через прорези 47 в полом штоке 38 (фиг.5), обеспечивая фиксировано-фиксированный способ монтажа привода 2 винт-гайка качения. Полый шток 38 снабжен выступами 48, которые входят в подвижное соединение с пазами 37 в корпусе 30.The drive 2 contains an oil-filled housing 30, in which the drive shaft 31 of the motor 1 through the intermediate shaft 32 is connected coaxially with the transmission 33 screw 34 - nut 35 rolling. The nut 35 through the protrusions 36 enters into a movable connection with the grooves 37 made in the housing 30, providing a longitudinal movement of the nut 35 and the connected coaxial hollow rod 38, moving outside the screw 34. The hollow rod 38 is connected to the rod 8, sealed in the housing 30 by an annular seal 39. The intermediate shaft 32 is installed inside the oil-filled elastic shell 40, the cavity of which communicates with the cavity of the housing 30, and the outer surface through the pipe 41 - with the cavity of the chamber 5 of the pump 3, ensuring equal pressure inside and outside the rod 8. One end 42 of the screw 34 is installed in the bearing 43, and the other end 44 of the screw is mounted in the bearing 45. The bearing 45 is connected to the housing 30 using brackets 46 passing through the slots 47 in the hollow rod 38 (Fig. 5) , providing a fixed-fixed method of mounting the drive 2 rolling screw-nut. The hollow rod 38 is provided with protrusions 48 that enter into a movable connection with the grooves 37 in the housing 30.

В корпусе 30 установлены датчики 49 и 50 перемещения и демпферы 51 и 52.In the housing 30, motion sensors 49 and 50 and dampers 51 and 52 are mounted.

Насосный агрегат работает следующим образом.The pump unit operates as follows.

При реверсивном вращении электродвигателя 1 привод 2 винт-гайка качения преобразует вращение в возвратно-поступательное перемещение поршня 7 насоса 3. При движении поршня 7, например, слева направо жидкость из линии 9 низкого давления по кожуху 4 и патрубку 13 подается на входы 22 и 23 клапанов 18 и 20 блока 10 клапанов. Клапан 18 открывается и по патрубку 11 заполняет камеру 5 насоса 3. Одновременно происходит сжатие жидкости и увеличение давления в камере 6, которое по патрубку 12 подается на выход 25 клапана 20 и запирает его. Избыточное давление подается на вход 27 клапана 21, открывая его, и передается в выходную линию 14 высокого давления. При движении плунжера в противоположном направлении давление нагнетания передается из камеры 5 в линию 14 через патрубок 11, далее - на выход 24 клапана 18, запирая его, и на вход 26 клапана 19, открывая его. С выхода 28 жидкость под давлением подается в линию 14. Жидкость поступает на вход 23 клапана 20 и по патрубку 12 - в камеру 6. При этом клапан 21 закрыт давлением, подаваемым на выход 29. Таким образом производится непрерывная закачка жидкости. При этом свободный газ при достижении определенного давления сбрасывается по отводной линии 15.When the motor 1 is reversed, the drive 2 the rolling screw-nut converts the rotation into reciprocating movement of the piston 7 of the pump 3. When the piston 7 moves, for example, from left to right, the liquid from the low pressure line 9 through the casing 4 and the pipe 13 is supplied to the inputs 22 and 23 valves 18 and 20 of the valve block 10. The valve 18 opens and fills the chamber 5 of the pump 3 through the pipe 11. At the same time, the liquid is compressed and the pressure in the chamber 6 increases, which is supplied through the pipe 12 to the outlet 25 of the valve 20 and closes it. Excess pressure is supplied to the inlet 27 of the valve 21, opening it, and transmitted to the output line 14 of the high pressure. When the plunger moves in the opposite direction, the discharge pressure is transmitted from the chamber 5 to line 14 through the pipe 11, then to the outlet 24 of the valve 18, locking it, and to the input 26 of the valve 19, opening it. From the outlet 28, liquid is supplied under pressure to line 14. The liquid enters the inlet 23 of the valve 20 and through the pipe 12 to the chamber 6. In this case, the valve 21 is closed by the pressure supplied to the outlet 29. Thus, the liquid is continuously pumped. In this case, free gas when a certain pressure is reached is discharged along the discharge line 15.

В случае выхода из строя одного из клапанов пары 16, 17 она отключается при помощи задвижек (не показаны) и производят ремонт или замену вышедших из строя элементов, а другая пара клапанов обеспечивает закачку жидкости.In the event of failure of one of the valves of the pair 16, 17, it is turned off by means of valves (not shown) and repair or replacement of the failed elements is performed, and the other pair of valves provides fluid injection.

Привод работает следующим образом. Вращение вала 31 реверсивного электродвигателя 1 передается промежуточным валом 32 на винт 34 передачи 33 винт-гайка качения. Винт 34 вращается в подшипниках 43 и 45, установленных на его концах 42 и 44. Так как гайка 35 передачи 33 входит в подвижное соединение с пазами 37 корпуса 30 посредством выступов 36, происходит продольное перемещение гайки 35 и соединенного с ней полого штока 38. При этом шток 38 перемещается относительно удерживающих верхний подшипник 45 кронштейнов 46, проходящих через прорези 47 (фиг.5) полого штока 38. Шток 38 перемещает штангой 8 поршень 7 насоса 3, причем длина хода поршня 7 соответствует числу оборотов двигателя 1 в одном направлении.The drive operates as follows. The rotation of the shaft 31 of the reversible electric motor 1 is transmitted by the intermediate shaft 32 to the transmission screw 34 of the rolling screw 33 nut. The screw 34 rotates in bearings 43 and 45 mounted at its ends 42 and 44. Since the nut 35 of the gear 33 is movably connected to the grooves 37 of the housing 30 by means of the protrusions 36, the nut 35 and the hollow rod 38 connected to it move longitudinally. this rod 38 is moved relative to holding the upper bearing 45 of the brackets 46 passing through the slots 47 (5) of the hollow rod 38. The rod 38 moves the rod 8 of the piston 7 of the pump 3, and the stroke length of the piston 7 corresponds to the number of revolutions of the engine 1 in one direction.

При приближении гайки 35 к крайним точкам перемещения срабатывают один из датчиков 49 или 50, дающие команду на снижение оборотов двигателя 1, который останавливается, сжимая демпфер 51 или 52. Происходит реверсирование электродвигателя 1 и его вращение в противоположном направлении и цикл повторяется.When the nut 35 approaches the extreme points of movement, one of the sensors 49 or 50 is triggered, giving a command to reduce the speed of the engine 1, which stops by compressing the damper 51 or 52. The motor 1 is reversed and rotated in the opposite direction and the cycle repeats.

Полый шток 38 перемещается в корпусе 30, входя в подвижное соединение с пазами 37 посредством выступов 48. При возвратно-поступательном перемещении штока 38 происходит свободное перетекание масла в замкнутой системе из эластичной оболочки 40 в корпус 30 и обратно, обеспечивая смазку передачи 33. Так как внешняя поверхность эластичной оболочки 40 соединена с камерой 5 насоса 3 патрубком 41, давление в корпусе 30 и камере 5 насоса 3 равны. Эластичная оболочка 40 и уплотнение 39 ненагружены.The hollow rod 38 moves in the housing 30, entering into a movable connection with the grooves 37 through the protrusions 48. When the reciprocating movement of the rod 38 is free flow of oil in a closed system from the elastic sheath 40 to the housing 30 and back, providing lubrication of the transmission 33. Since the outer surface of the elastic shell 40 is connected to the chamber 5 of the pump 3 by the pipe 41, the pressure in the housing 30 and the chamber 5 of the pump 3 are equal. The elastic sheath 40 and the seal 39 are unloaded.

В качестве передачи 33 винт-гайка качения может использоваться шариковинтовая или роликовинтовая передача.As the transmission 33, the screw-nut rolling can be used ball screw or roller screw transmission.

Claims

1. A pump unit, including a pump in communication with low and high pressure lines, a rolling screw-nut drive installed in an oil-filled housing containing an elastic shell, dampers, a reversible electric motor, the drive shaft of which is connected to the drive screw, one end of which is installed in the bearing and the nut, which is in a movable connection with the housing, is connected to the sealed rod of the pump drive by means of a hollow rod enclosing the screw, characterized in that the other end of the screw is installed in the bearing, soy dinned with the body using brackets passing through the slots in the hollow stem, which is included in the movable connection with the body; and its stroke is limited by at least one displacement sensor, and the outer surface of the elastic shell communicates with the double-acting pump working chamber adjacent to the drive, the working chambers of which are connected by two nozzles to low and high pressure lines through the valve block.

2. The pump unit according to claim 1, characterized in that the electric motor, drive and pump are installed in the housing connected to the low pressure line.

3. The pump unit according to claims 1 and 2, characterized in that the valve block contains two pairs of valves connected to the nozzles, in each pair the input of one valve connected to the cavity of the unit body, and the output connected to the corresponding working chamber of the pump and the input of another valve vapor, the output of which is connected to the high pressure line.