RU2550858C1

RU2550858C1 - Downhole electrically driven plunger pump

Info

Publication number: RU2550858C1
Application number: RU2014123081/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Соколов
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-05-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: pump comprises housing with downhole motor fitted therein. Plunger is arranged in the casing with its top part fitted in pump casing and locked therein while its lower part features diameter corresponding to that of pressure pipe and is tightly jointed therewith. Pump casing features diameter smaller than that of the pipe and is arranged in protective jacket with filter to make the chamber of fluid pumping. Motor output shaft is provided with bush with lengthwise grooves on the surface located in cylindrical chamber made at plunger lower end. Grooves are made at plunger cylindrical chamber inner surface. Balls are fitted in said grooves to make a sliding axial joint Plunger centre has one or more closed helical grooves. Plunger housing is provided with ball pushers locked thereat to allow articulation between plunger and its housing and plunger reciprocation. Plunger housing mid part has radial channel while blind radial channel and circular bore are made in said plunger. Plunger housing upper part has pressure chamber that makes the pump working cylinder. Radial blind channel of the plunger is connected with the pump working cylinder. Pump working cylinder is connected with pipeline pressure pipe via discharge valve.EFFECT: higher reliability and efficiency, longer life.1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области гидравлических машин объемного вытеснения, в частности к погружным бесштанговым плунжерным насосам, применяемым для добычи пластовых жидкостей с больших глубин, преимущественно в нефтедобыче.The claimed invention relates to the field of hydraulic volumetric displacement machines, in particular to submersible rodless plunger pumps used for the extraction of formation fluids from great depths, mainly in oil production.

Известен плунжерно-диафрагменный насос (пат. № 2095628, МПК⁶ F04B 47/06), содержащий эксцентриковый привод с пружинным возвратом плунжера и резиновую плоскую диафрагму, которая разделяет рабочую камеру насоса, размещенную сверху диафрагмы, и рабочую полость привода, расположенную под диафрагмой, в рабочей камере имеются всасывающий и нагнетательный клапаны, состоящие из двух тонких самопружинящихся пластин, обложенных маслостойкой пружиной. Рабочая камера насоса представляет собой втулку с квадратным отверстием и крышкой. На поверхности втулки имеется резьба. Сбоку втулки имеется окно для прохода жидкости под всасывающий клапан насоса. На крышке рабочей камеры имеется окно для прохода жидкости под нагнетательный клапан.Known plunger-diaphragm pump (US Pat. No. 2095628, IPC ⁶ F04B 47/06), containing an eccentric drive with spring return of the plunger and a rubber flat diaphragm that separates the pump working chamber located on top of the diaphragm, and the working cavity of the drive located under the diaphragm, in the working chamber there are suction and discharge valves, consisting of two thin self-springing plates, lined with an oil-resistant spring. The working chamber of the pump is a sleeve with a square hole and a cover. There is a thread on the surface of the sleeve. On the side of the sleeve there is a window for the passage of fluid under the pump suction valve. On the lid of the working chamber there is a window for the passage of fluid under the discharge valve.

При вращении вала двигателя и угловой зубчатой передачи эксцентрик вращается, и поршень, прижатый к эксцентрику пружиной, перемещается вверх и вниз. При ходе поршня вниз масло в камере будет заполнять освобождаемое поршнем пространство и диафрагма опустится (прогнется) вниз, возникающее при этом изменение объема компенсируется диафрагмой компенсатора.When the motor shaft and the angle gear rotate, the eccentric rotates, and the piston, pressed against the eccentric by a spring, moves up and down. When the piston moves down, the oil in the chamber will fill the space released by the piston and the diaphragm will lower (bend) down, the resulting volume change is compensated by the diaphragm of the compensator.

При ходе поршня вверх масло надавит на диафрагму и переместит ее в верхнее положение, обеспечив в камере насоса такт нагнетания.When the piston moves up, the oil will press on the diaphragm and move it to the upper position, providing a pumping stroke in the pump chamber.

Камера над плоской диафрагмой образует рабочую полость диафрагменного насоса с одним всасывающим и одним нагнетательным клапанами.The chamber above the flat diaphragm forms the working cavity of the diaphragm pump with one suction and one discharge valve.

При прогибе диафрагмы вниз в насосе осуществляется такт всасывания, в результате которого пластовая жидкость через открытый всасывающий клапан заполняет рабочую полость насоса. При прогибе диафрагмы вверх в насосе осуществляется такт нагнетания, в результате которого жидкость из рабочей полости насоса через нагнетательный клапан выталкивается в шламовую трубу, а затем в колонну насосно-компрессорных труб.When the diaphragm bends downward, a suction stroke is carried out in the pump, as a result of which the reservoir fluid fills the working cavity of the pump through an open suction valve. When the diaphragm bends upward in the pump, a discharge stroke is performed, as a result of which the liquid from the pump working cavity is pushed through the discharge valve into the sludge pipe, and then into the tubing string.

Таким образом, перекачиваемая пластовая жидкость соприкасается только с клапанами, диафрагмой и стенками рабочей полости насоса.Thus, the pumped formation fluid is in contact only with the valves, the diaphragm and the walls of the working cavity of the pump.

Недостатками данного насоса являются: наличие в приводе зубчатой передачи, применение кулачкового привода, что требует использования для обратного хода поршня пружины, наличие которой вызывает дополнительные энергетические затраты на ее сжатие при прямом (рабочем) ходе поршня, а также его малая производительность.The disadvantages of this pump are: the presence of a gear drive in the drive, the use of a cam drive, which requires the use of a spring for the piston reverse stroke, the presence of which causes additional energy costs for its compression during the direct (working) stroke of the piston, as well as its low productivity.

Наиболее близким к заявляемому является скважинный электроплунжерный насос (пат. 2177563, МПК⁷ F04B 47/06), который состоит из погружного электродвигателя, реверсивно-передаточного механизма, плунжерного насоса, спущенных на колонне насосных труб в скважину. Питание к электродвигателю поступает по кабелю. Вращение электродвигателя преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжера насоса реверсивным передаточным механизмом, состоящим из зубчатых передач, зубчатых колес, выполняющих вместе с общим шипом и шатуном роль спаренного кривошипного механизма. Колеса одинаковы, имеют до себя от вала электродвигателя равные передаточные отношения, сидят на подшипниках на раздельных осях, имеют общую ось вращения. Маслонаполненные полости электродвигателя и реверсивного передаточного механизма защищены от попадания пластовой жидкости чехлом, имеющим пружинное обжатие юбки. Изменение объема полости реверсивного передаточного механизма при возвратно-поступательном движении плунжера насоса компенсируется компенсатором. В насосе имеется пружина, выполняющая роль накопителя энергии при холостом ходе плунжера насоса.Closest to the claimed is a borehole electric plunger pump (US Pat. 2177563, IPC ⁷ F04B 47/06), which consists of a submersible electric motor, a reversing-transmission mechanism, a plunger pump, lowered on the string of pumping pipes into the well. Power is supplied to the motor via cable. The rotation of the electric motor is converted into the reciprocating motion of the pump plunger by a reverse gear mechanism consisting of gears, gears, which, together with the common spike and connecting rod, play the role of a paired crank mechanism. The wheels are the same, have equal gear ratios from the motor shaft, sit on bearings on separate axles, have a common axis of rotation. The oil-filled cavities of the electric motor and the reverse gear are protected from penetration of the reservoir fluid by a cover having a spring compression of the skirt. The change in the volume of the cavity of the reverse gear during the reciprocating movement of the pump plunger is compensated by a compensator. There is a spring in the pump, which acts as an energy storage device during idling of the pump plunger.

Недостатками прототипа является наличие конструктивно усложненной системы привода вследствие наличия в приводе зубчатой передачи, большие габариты и материалоемкость кривошипно-шатунного преобразователя вращательного движения в возвратно-поступательное, а также его малая производительность.The disadvantages of the prototype is the presence of a structurally complicated drive system due to the presence of a gear in the drive, the large size and material consumption of the crank transducer of the rotary motion to the reciprocating, as well as its low productivity.

Задачей заявляемого устройства является создание насоса, обладающего конструктивной простотой, малыми габаритами, весом, имеющего минимальные энергетические потери на трение и износ при высокой производительности.The objective of the claimed device is to create a pump with constructive simplicity, small dimensions, weight, with minimal energy loss due to friction and wear at high performance.

Технический результат - повышение надежности, долговечности, производительности, снижение материалоемкости насоса, уменьшение трудоемкости при его изготовлении, а также энергетической и материальной затратности при эксплуатации и в процессе его монтажа и демонтажа.The technical result is an increase in reliability, durability, performance, reducing the material consumption of the pump, reducing the complexity in its manufacture, as well as energy and material costs during operation and during its installation and dismantling.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый скважинный электроплунжерный насос содержит корпус с установленным в нем погружным электродвигателем, сообщающим через передаточный механизм возвратно-поступательное движение плунжеру, питание к электродвигателю поступает по кабелю, при этом плунжер помещен в корпус плунжера, нижняя часть которого установлена в корпус насоса, и зафиксирован в нем, а верхняя часть корпуса плунжера имеет диаметр, соответствующий диаметру нагнетательного трубопровода, и герметично соединена с ним, корпус насоса имеет диаметр меньше, чем диаметр трубы, помещен в защитный кожух с фильтром с образованием полости для перекачиваемой жидкости, для соединения плунжера с электродвигателем на его выходном валу зафиксирована втулка с продольными пазами на поверхности, которая, в свою очередь, размещена в цилиндрической полости, выполненной в нижнем торце плунжера, при этом на внутренней поверхности цилиндрической полости плунжера выполнены пазы, соответствующие пазам втулки, в этих пазах размещены шарики, образующие подвижное в осевом направлении шлицевое соединение и обеспечивающие вращение плунжера, в средней части плунжера на его поверхности выполнена одна, или более, замкнутая продольная винтовая канавка, а в корпусе плунжера напротив винтовой канавки наполовину зафиксированы шаровые толкатели, обеспечивающие кинематическую связь плунжера с его корпусом и возвратно-поступательное движение плунжера, в средней части корпуса плунжера выполнен радиальный канал, а в плунжере напротив него выполнены глухой радиальный канал и кольцевая проточка, в верхней части корпуса плунжера над плунжером выполнена нагнетательная полость, являющаяся рабочим цилиндром насоса, причем радиальный глухой канал плунжера соединен с рабочим цилиндром насоса наклонными относительно оси плунжера каналами через всасывающий клапан, при этом рабочий цилиндр насоса соединен с нагнетательной трубой трубопровода через выпускной клапан.The problem is solved in that the inventive borehole electric plunger pump contains a housing with a submersible motor installed in it, which communicates with the reciprocating movement of the plunger through the transmission mechanism, the power is supplied to the electric motor via cable, while the plunger is placed in the plunger body, the lower part of which is installed in the body pump, and fixed in it, and the upper part of the plunger body has a diameter corresponding to the diameter of the discharge pipe, and is hermetically connected to it, the body the pump has a diameter smaller than the diameter of the pipe, is placed in a protective casing with a filter with the formation of a cavity for the pumped liquid, to connect the plunger with an electric motor on its output shaft, a sleeve with longitudinal grooves on the surface is fixed, which, in turn, is placed in a cylindrical cavity, made in the lower end of the plunger, while on the inner surface of the cylindrical cavity of the plunger, grooves are made corresponding to the grooves of the sleeve, balls are formed in these grooves, forming balls that are movable in the axial direction and a spline connection and providing plunger rotation, one or more closed longitudinal helical grooves are made in the middle part of the plunger on its surface, and ball pushers are half-fixed in the plunger body opposite the helical grooves, providing kinematic connection of the plunger with its body and reciprocating motion plunger, in the middle part of the plunger body a radial channel is made, and in the plunger opposite it there is a blind radial channel and an annular groove, in the upper part of the plunger body An injection cavity is provided above the plunger, which is the working cylinder of the pump, and the radial blind channel of the plunger is connected to the pump working cylinder by channels that are inclined relative to the axis of the plunger through the suction valve, while the working cylinder of the pump is connected to the discharge pipe of the pipeline through the exhaust valve.

Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения получаем насос, обладающий конструктивной простотой, малыми габаритами, материалоемкостью, энергопотреблением и высокой надежностью. Это объясняется тем, что в приводе насоса используется преобразователь движения, обладающий простотой, компактностью, высоким коэффициентом полезного действия и надежностью за счет использования в кинематических парах тел вращения и отсутствия радиальных усилий в плунжерной паре (давления на стенку цилиндра). Кроме этого, наличие у плунжера помимо возвратно-поступательного движения вращательного и использование центробежных сил (давления), возникающих вследствие этого движения, обеспечивает более интенсивное заполнение цилиндра перекачиваемой средой на такте всасывания, а следовательно, повышение производительности насоса.Thanks to the new combination of essential features of the claimed invention, we obtain a pump with constructive simplicity, small dimensions, material consumption, energy consumption and high reliability. This is explained by the fact that a motion converter is used in the pump drive, which has simplicity, compactness, high efficiency and reliability due to the use of rotation bodies in kinematic pairs and the absence of radial forces in the plunger pair (pressure on the cylinder wall). In addition, the presence of a plunger in addition to the reciprocating movement of the rotational and the use of centrifugal forces (pressure) arising from this movement, provides a more intensive filling of the cylinder with the pumped medium at the suction stroke, and consequently, an increase in pump performance.

На фигуре схематично представлено заявляемое устройство.The figure schematically shows the inventive device.

Скважинный электроплунжерный насос состоит из корпуса насоса 1, внутри которого расположены плунжер 2, корпус плунжера 3. Плунжер 2 наружными поверхностями базируется в корпусе насоса 1 и в корпусе плунжера 3. С торцевой части к корпусу насоса 1 прикреплен защитный кожух 4, в котором закреплен электродвигатель 5. На выходном валу 6 электродвигателя 5 зафиксирована втулка 7, на наружной цилиндрической поверхности которой изготовлены продольные пазы 8. Втулка 7 частично размещается в цилиндрической полости 9, изготовленной с торца плунжера 2. На внутренней поверхности полости 9 изготовлены пазы 10, причем таким образом, что при размещении втулки 7 в полости плунжера 9 пазы 8 втулки 7 совмещаются с пазами 10 полости 9, образуя цилиндрические полости, в которых, в свою очередь, размещаются шарики 11. Шарики 11 обеспечивают кинематическую связь между втулкой 7 (валом электродвигателя 5) и плунжером 2 - образуется подвижное в осевом направлении шлицевое соединение. На плунжере 2, на наружной цилиндрической поверхности в средней части, выполнена замкнутая продольная винтовая канавка 12 (канавок параллельно может быть выполнено несколько). В средней части корпуса плунжера 3 выполнен радиальный канал 13, а в плунжере напротив него выполнены глухой радиальный канал 15 и кольцевая проточка 14. Глухой радиальный канал 15 в центре плунжера 2 переходит в наклонные относительно его оси каналы 16, выходящие на торцевую поверхность плунжера 2 по её периферии. Каналы 16 перекрыты пластинчатым всасывающим клапаном 17, закрепленным на торцевой поверхности плунжера 2. Корпус плунжера 3 плотно вставлен в корпус насоса 1, зафиксирован относительно корпуса насоса 1 стопорным кольцом 18 или гайкой и загерметизирован уплотнением 19.A downhole electric plunger pump consists of a pump housing 1, inside of which a plunger 2, a plunger housing 3 are located. The plunger 2 with external surfaces is based on the pump housing 1 and in the plunger housing 3. A protective casing 4 is attached to the pump housing 1 from the end part, in which the electric motor is fixed 5. On the output shaft 6 of the electric motor 5, a sleeve 7 is fixed, on the outer cylindrical surface of which longitudinal grooves are made 8. The sleeve 7 is partially placed in a cylindrical cavity 9 made from the end face of the plunger 2. On the morning surface of the cavity 9, grooves 10 are made, in such a way that when the sleeve 7 is placed in the cavity of the plunger 9, the grooves 8 of the sleeve 7 are aligned with the grooves 10 of the cavity 9, forming cylindrical cavities in which the balls 11 are placed. The balls 11 provide kinematic connection between the sleeve 7 (the shaft of the electric motor 5) and the plunger 2 - a spline joint movable in the axial direction is formed. On the plunger 2, on the outer cylindrical surface in the middle part, a closed longitudinal helical groove 12 is made (several grooves can be made in parallel). In the middle part of the plunger body 3, a radial channel 13 is made, and in the plunger opposite it there is a blind radial channel 15 and an annular groove 14. The blind radial channel 15 in the center of the plunger 2 passes into channels 16 inclined with respect to its axis and facing the end surface of the plunger 2 along its periphery. The channels 16 are blocked by a plate suction valve 17 mounted on the end surface of the plunger 2. The plunger body 3 is tightly inserted into the pump housing 1, fixed relative to the pump housing 1 by a locking ring 18 or a nut and sealed with a seal 19.

Кинематически корпус плунжера 3 и плунжер 2 связаны шаровыми толкателями 20, наполовину зафиксированными с возможностью вращения в корпусе плунжера 3, а вторая их половина размещена в замкнутой продольной винтовой канавке 12. Таким образом, толкатели 20 обеспечивают кинематическую связь между плунжером 2 и корпусом плунжера 3.Kinematically, the body of the plunger 3 and the plunger 2 are connected by ball pushers 20, half fixed for rotation in the body of the plunger 3, and their second half is placed in a closed longitudinal screw groove 12. Thus, the pushers 20 provide a kinematic connection between the plunger 2 and the body of the plunger 3.

В верхней части корпуса плунжера 3 над плунжером 2 выполнена нагнетательная полость 21, являющаяся рабочим цилиндром насоса. В торцевой части нагнетательной полости 21 в корпусе плунжера 3 размещен выпускной клапан 22. Корпус плунжера 3 герметично соединен с нагнетательной трубой 23 трубопровода, по которому производится перекачка жидкости потребителю, и защитным кожухом 24 с фильтром 25.In the upper part of the body of the plunger 3 above the plunger 2 there is a discharge cavity 21, which is the working cylinder of the pump. An exhaust valve 22 is located in the end part of the injection cavity 21 in the plunger housing 3. The plunger housing 3 is hermetically connected to the discharge pipe 23 of the pipeline through which liquid is pumped to the consumer and the protective casing 24 with the filter 25.

Насос работает следующим образом. Крутящий момент, возникающий при вращении выходного вала 6 электродвигателя 5 через втулку 7, через шарики 11 передается на плунжер 2 и вызывает его вращение. При вращении плунжера шаровые толкатели 20, закрепленные в корпусе плунжера 3, воздействуют на берега замкнутой продольной винтовой канавки 12, заставляя плунжер, кроме вращения, двигаться поступательно. Так как винтовая канавка 12 на плунжере 2 является продольной и замкнутой, плунжер 2, при приложении к нему постоянного вращательного движения, будет совершать вращательные и возвратно-поступательные движения. Возвратно-поступательное движение плунжера 2 будет приводить к перекачиванию жидкости за счет изменения объема нагнетательной полости 21. Перекачка и нагнетание жидкости осуществляется следующим образом: при поступательном движении плунжера 2 из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке за счет разрежения, возникающего в нагнетательной полости, выпускной клапан 22 закрывается, а всасывающий клапан 17 открывается, и через него, а также через радиальный канал 13, кольцевую проточку 14 и каналы 15, 16 перекачиваемая жидкость начинает заполнять нагнетательную полость 21. При этом возникающая за счет вращения плунжера 2 центробежная сила создает дополнительное давление перекачиваемой жидкости в наклонных каналах 16 и способствует интенсификации процесса заполнения объема нагнетательной полости 21. Данный процесс продолжается до достижения плунжером 2 нижней мертвой точки. После нижней мертвой точки плунжер 2 начинает двигаться к верхней мертвой точке, что вызывает рост давления перекачиваемой жидкости в нагнетательной полости 21, закрытие всасывающего клапана 17, открытие выпускного клапана 22 и выталкивание перекачиваемой жидкости в нагнетательную трубу 23.The pump operates as follows. The torque that occurs when the output shaft 6 of the motor 5 rotates through the sleeve 7 is transmitted through the balls 11 to the plunger 2 and causes it to rotate. When the plunger rotates, the ball pushers 20, mounted in the plunger body 3, act on the shores of the closed longitudinal helical groove 12, forcing the plunger, in addition to rotation, to move forward. Since the helical groove 12 on the plunger 2 is longitudinal and closed, the plunger 2, when a constant rotational movement is applied to it, will rotate and reciprocate. The reciprocating movement of the plunger 2 will lead to pumping fluid by changing the volume of the injection cavity 21. The pumping and pumping of fluid is carried out as follows: with the progressive movement of the plunger 2 from top dead center to bottom dead center due to the rarefaction that occurs in the discharge cavity, the outlet valve 22 closes, and the suction valve 17 opens, and through it, as well as through the radial channel 13, the annular groove 14 and channels 15, 16, the pumped liquid begins to fill pressure chamber 21. When this occurs due to the plunger 2 of rotation centrifugal force creates additional pressure pumped fluid in the inclined channels 16 and contributes to an intensification of the process of filling the volume of the pressure chamber 21. This process continues until the plunger 2 lower dead point. After the bottom dead center, the plunger 2 begins to move to the top dead center, which causes an increase in the pressure of the pumped liquid in the discharge cavity 21, closing of the suction valve 17, opening the exhaust valve 22 and expelling the pumped liquid into the discharge pipe 23.

Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.Thus, by introducing a new set of essential features, it is possible to solve the technical problem posed by the current state of the art.

Claims

A downhole electric plunger pump containing a housing with a submersible motor installed in it, which communicates with the reciprocating movement of the plunger via a transmission mechanism, is supplied with power to the electric motor via a cable, characterized in that the plunger is placed in the plunger body, the lower part of which is installed in the pump body, and fixed in it, and the upper part of the plunger body has a diameter corresponding to the diameter of the discharge pipe, and is hermetically connected to it, the pump body has a diameter less than the diameter of the pipe is placed in a protective casing with a filter with the formation of a cavity for the pumped liquid; to connect the plunger with an electric motor, a sleeve with longitudinal grooves is fixed on its output shaft on the surface, which, in turn, is placed in a cylindrical cavity made in the lower end of the plunger, at the same time, grooves are made on the inner surface of the cylindrical cavity of the plunger, corresponding to the grooves of the sleeve, in these grooves are balls forming an axially movable spline connection and provide the rotation of the plunger, in the middle part of the plunger on its surface there is one or more closed longitudinal helical grooves, and in the case of the plunger opposite the helical groove ball pushers are half fixed, providing kinematic connection of the plunger with its body and reciprocating movement of the plunger, in the middle part of the plunger body a radial channel is made, and in the plunger opposite it there is a blind radial channel and an annular groove, in the upper part of the plunger body a plunger is made over the cavity, which is the working cylinder of the pump, and the radial blind channel of the plunger is connected to the working cylinder of the pump by channels inclined relative to the axis of the plunger through the suction valve, while the working cylinder of the pump is connected to the discharge pipe of the pipeline through the exhaust valve.