Обратный клапан с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа

Изобретение относится к обратному клапану с инерционной массой, установленному на основании эксплуатационной насосно-компрессорной колонны над винтовым насосом кавитационного типа (ВСР) нефтяной скважины, при этом указанный клапан предотвращает опускание гидростатической колонны внутри эксплуатационной насосно-компрессорной колонны в момент остановки искусственного подъема гидростатической колонны в результате остановки ВСР. Устранение возможности возникновения данного явления предотвращает вращение ВСР в направлении, противоположном нормальному направлению вращения, и его заклинивание твердыми частицами, осаждающимися на нем. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области проектирования механического оборудования и применимо в углеводородной отрасли.

В частности настоящее изобретение может применяться на нефтяных скважинах, где используются винтовые насосы кавитационного типа (ВСР).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Патентный документ с номером 2006027513 «Система доработки топливного насоса» раскрывает систему подачи топлива, включающую в себя топливный насос, контроллер и импульсную схему. Топливный насос имеет электродвигатель, включающий в себя обмотку, выполненную с возможностью работать с максимальной эффективностью при начальном напряжении для ожидаемой нагрузки. Контроллер включает в себя широтно-импульсный модулятор для генерации сигнала пуска электродвигателя. В обычных условиях работы схема функционирует в качестве шагового импульса, при этом сигнал возбуждения модулируется в сигнал начального напряжения для управления выходом насоса. Однако если к электродвигателю приложена нагрузка, превышающая ожидаемую, импульсная цепь работает для преобразования сигнала возбуждения во второе напряжение, большее начального. Это второе напряжение побуждает электродвигатель работать при напряжении, превышающем границы максимальной эффективности, но в целом обеспечивает максимальную эффективность системы.

С другой стороны, в патентном документе с названием «Линейный насос со сглаживанием пульсаций выхлопа» за номером 20060034709 описывается линейный насос, имеющий цилиндр, ориентированный в осевом направлении, и поршень, приводимый в действие электромагнитным двигателем и имеющий выхлопную камеру, которая представляет собой полость, закрытую мембраной. Мембрана может двигаться по направлению к полости в ответ на колебания давления в выхлопной камере для уменьшения пульсаций воздушного потока, выходящего из выхлопной камеры. Мембрана установлена на полой камере с помощью опорного кольца, имеющего открытую центральную часть, позволяющую воздуху воздействовать на мембрану.

Вышеупомянутые патентные документы не обеспечивают эффективной оптимизации работы перекачивающих насосов, вследствие чего появились винтовые насосы кавитационного типа.

Винтовые насосы кавитационного типа (ВСР) являются машинами, вращающимися по часовой стрелке и предназначенными для подъема нефти из забоя скважины на поверхность. Для этого используется машина на поверхности, содержащая двигатель и редуктор скорости и предназначенная для обеспечения вращения и мощности, необходимой для движения упомянутого насоса. Кроме того, в ней используется штанговая колонна, соединяющая ротор с поверхностным насосом ВСР. Эти штанги имеют длину около 6 метров, но колонна, образованная соединением некоторого их числа, может быть длиной примерно от 300 до 3000 метров. Эти стержни передают энергию и вращение машины от поверхности к насосу. Существующая в настоящее время проблема состоит в том, что при остановке насоса ВСР гидростатическая колонна, находящаяся над ним, приводит его во вращение, противоположное обычному рабочему. В некоторых случаях это приводит к тому, что насос забивается твердыми частицами, смешанными с добываемой нефтью, такими как песок. Кроме того, это приводит к простою приблизительно от одного до двух часов из-за невозможности запустить насос ВСР, пока он вращается в направлении, противоположном рабочему. Этот неоправданный простой приводит к огромным потерям в промышленности.

Колумбийский патент «Обратный клапан для винтовых насосов кавитационного типа (ВСР)» описывает обратный клапан 1 для винтового насоса кавитационного типа (ВСР), ориентированный на оптимизацию работы насосов ВСР, но до сих пор он еще не стал эффективной заменой гидростатической колонны и нуждается в доработке.

Винтовые насосы кавитационного типа используются при добыче нефти, при этом все еще существует необходимость предотвращения обратного вращения в этих агрегатах.

Эффективное решение этой технической проблемы позволило бы снизить эксплуатационные расходы при работе этой системы искусственного отбора нефти.

Данное изобретение исходит из первой конструкции клапана, исключающей обратное вращение в винтовых насосах кавитационного типа и позволяющей - с соответствующими корректировками - оптимизировать их работу.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение обеспечивает обратный клапан с инерционной массой, установленный в нефтяной скважине на основании эксплуатационной насосно-компрессорной колонны над насосом ВСР нефтяной скважины, при этом упомянутый клапан предотвращает опускание гидростатической колонны внутри эксплуатационной насосно-компрессорной колонны, в тот момент, когда искусственный подъем приостанавливается в результате остановки насоса ВСР. Предотвращение этого явления позволяет избежать вращения насоса ВСР в сторону, обратную направлению его нормальной работы, и его заклинивания из-за осаждения в нем твердых частиц.

Обратный клапан с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа состоит из восьми компонентов, а именно: верхней контргайки, вала, поршня, крышки поршня, патрубка, нижней контргайки, внутреннего сальника и наружного сальника. Поршень движется в осевом направлении через вал и садится на патрубок, осуществляя его гидравлическое уплотнение. Когда поршень не усажен, он обеспечивает искусственный подъем текучей среды и, благодаря своей характерной геометрии, входит в зацепление с клиньями верхней контргайки, которая закреплена на верхней левой резьбе вала для вращения вместе с валом. Тот факт, что данный обратный клапан для винтовых насосов кавитационного типа является инерционной массой, проявляется в весе поршня. Вес поршня улучшает его движение вниз, обеспечивая закрытие обратного клапана с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа.

Обратный клапан с инерционной массой состоит из восьми основных частей: верхней контргайки 1, вала 2, поршня 3, крышки 4 поршня, патрубка 5, нижней контргайки 6, внутреннего сальника 17 и наружного сальника 18, как показано на фиг. 1. Вал 2 имеет ось, изготовленную из среднелегированной стали способами механической обработки. На концах ось имеет резьбы 8 и 11 и две левые резьбы 9 и 10, как показано на фиг. 3. Верхняя левая резьба 9 расположена рядом с верхней резьбой 8, в то время как нижняя левая резьба 10 находится рядом с нижней резьбой 11. На верхнюю резьбу 8 навернута муфта, принадлежащая колонне штанг, соединенной с двигателем. Данный двигатель с редуктором скорости находится на поверхности скважины. Нижняя резьба 11 соединена посредством муфты ко второй колонне штанг, соединенной с ротором насоса ВСР. На нижней левой резьбе 10 установлена нижняя контргайка 6, служащая опорой муфты, установленной на нижней резьбе 11. Поршень 3 имеет внутренний паз 13, в котором размещен внутренний сальник 17, удерживающий текучую среду между поршнем 3 и валом 2, как показано на фиг. 4. Кроме того, он имеет уступ 14, на котором установлен наружный сальник 18, удерживающий текучую среду, находящуюся между патрубком 5 и поршнем 3, как показано на фиг. 4. Поршень 3 также имеет резьбу 15, на которой установлена крышка 4 поршня для крепления наружного сальника 18 и его позиционирования. Крышка 4 поршня имеет две параллельные плоские поверхности, как показано на фиг. 5, которые служат опорой для инструмента, используемого для накручивания крышки 4 поршня на резьбе 15 поршня 3. Вал 2 вставлен через поршень 3 и закреплен посредством установки верхней контргайки 1 на верхнюю левую резьбу 8. Верхняя контргайка характеризуется наличием двух клиньев 7, как видно на фиг. 2, которые зацепляются с пазами для клиньев 12 поршня 3. Патрубок 5 установлен в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне под поршнем 3 над нижней контргайкой 6. Этот патрубок 5 имеет коническое седло 16, как показано на фиг. 6, на которое опирается поршень 3, когда обратный клапан с инерционной массой закрыт.

Конструкция поршня обеспечивает вес, достаточный для достижения опускания и преодоления трения между внутренним сальником 17 и валом 2. Этим гарантируется вставка поршня 3 в патрубок 5 и предотвращение прохода текучих сред как внутрь, так и наружу, как показано на фиг. 8. Кроме того, конструкция поршня 3 предполагает наличие диаметра 1 (D1) и диаметра 2 (D2), как показано на фиг. 4. Диаметр D1 достаточен для того, чтобы вал 2 проходил, со скользящей посадкой, через поршень 3. Диаметр D2 больше диаметра D1 для обеспечения посадки с зазором между валом 2 и поршнем 3. При этом обеспечивается работа системы даже тогда, когда вал 2 имеет легкий изгиб.

При эксплуатации скважины поршень 3 смещается до контакта верхней контргайки 1, с клиньями 7 которой он входит в зацепление, как показано на фиг. 8. При остановке насоса ВСР и прекращении его вращения вес поршня вкупе с действием сопротивления текучей среды, принадлежащей гидростатической колонне, заставляют поршень 3 опускаться, пока он не упрется в коническое седло 16, как показано на фиг. 9. Таким образом, наружный сальник 18 уплотняет пространство между поршнем 3 и патрубком 5.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1: вид обратного клапана с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа, собранного из соответствующих деталей.

Фиг. 2: вид верхней контргайки 1.

Фиг. 3: вид вала 2.

Фиг. 4: вид поршня 3.

Фиг. 5: вид крышки 4 поршня.

Фиг. 6: вид патрубка 5.

Фиг. 7: вид нижней контргайки 6.

Фиг. 8: вид в аксонометрии обратного клапана с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа в открытом положении с поршнем 3, зацепленными с клиньями 7 верхней контргайки 1.

Фиг. 9: вид в аксонометрии обратного клапана с инерционной массой для винтовых насосов кавитационного типа в закрытом положении, в котором поршень 3 находится на коническом седле 16 патрубка 5.

Список номеров позиций

1. Верхняя контргайка

2. Вал

3. Поршень

4. Крышка поршня

5. Патрубок

6. Нижняя контргайка

7. Клинья

8. Верхняя резьба

9. Верхняя левая резьба

10. Нижняя левая резьба

11. Нижняя резьба

12. Паз для клиньев

13. Внутренний паз

14. Уступ

15. Резьба

16. Коническое седло

17. Внутренний сальник

18. Наружный сальник

1. Обратный клапан с инерционной массой для винтового насоса кавитационного типа (ВСР), отличающийся тем, что он содержит поршень (3), выполненный с возможностью преодоления посредством своей массы силы трения между внутренним сальником (17) и валом (2), совершения движения вниз, образования уплотнения с патрубком (5) и закрытия прохода для текучей среды между валом (2) и патрубком (5).

2. Обратный клапан по п.1, отличающийся тем, что он содержит верхнюю контргайку (1), имеющую клинья (7), служащие для зацепления с пазами (12) клиньев поршня (3), когда он смещен от патрубка (5) при осуществлении добычи из скважины.

3. Обратный клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит поршень (3), имеющий внутреннюю геометрию, в которой диаметр D1 меньше диаметра D2, что прерывает заклинивание поршня (3) в валу (2) из-за изгиба вала (2).

4. Обратный клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит поршень (3), имеющий наружный сальник (18), регулируемый крышкой (4) поршня.