скважинный гидроприводной винтовой насосный агрегат

Формула изобретения

1. Скважинный гидроприводной насосный агрегат, содержащий установленные в корпусе последовательно расположенные по оси винтовые героторные пары двигательной и насосной секций, роторы которых соединены между собой шарнирным устройством и установлены в статорах, камеры для подвода и отвода силовой и добываемой жидкостей, опорный узел и обратные клапаны на входе агрегата и входе насосной секции, отличающийся тем, что нарезки винтовых поверхностей роторов и статоров двигательной и насосной секций имеют одинаковое направление, а в статоре и корпусе ниже верхнего торца статора выполнены боковые каналы для отвода жидкости из насосной секции, причем длина части насосной секции, находящейся выше боковых каналов статора и корпуса и сопряженной с подводящей камерой двигательной секции, имеет длину не менее шага винтовой поверхности статора насосной секции, при этом средние диаметры винтовых поверхностей двигательной и насосной секций выбираются из соотношения

где Д_д - средний диаметр винтовой поверхности двигательной секции;

Д_н - средний диаметр винтовой поверхности насосной секции;

Р_д - перепад давления в двигательной секции;

р_н - давление насоса.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что в боковых каналах статора и корпуса насосной секции установлены дроссели.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно, к технике добычи нефти из скважины.

Известны скважинные винтовые насосные агрегаты для добычи нефти с соосно расположенными насосом и гидродвигателем винтового героторного типа (см. книгу Балденко Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели. - М.: Недра, 1999, с.366). Однако такие агрегаты гидравлически не уравновешены в осевом направлении.

Ближайшим техническим решением, выбранным за прототип, является погружной гидроприводной насосный агрегат, содержащий установленные в корпусе последовательно расположенные по оси винтовые героторные пары двигательной и насосной секций, роторы которых соединены между собой шарнирным устройством и установлены в статорах, камеры для подвода и отвода силовой и добываемой жидкостей, опорный узел и обратные клапаны на входе агрегата и входе насосной секции (см. а.с. №521399 СССР, МКл F 04 C 5/00, БИ №26, 1976).

Данное техническое решение, позволяет уравновесить осевые гидравлические силы, но оно конструктивно сложно и ненадежно в работе, т.к. известное устройство имеет четыре рабочих пары, что повышает стоимость изготовления, усложняет сборку и его ремонт.

Задача изобретения - повышение надежности работы агрегата и упрощение его конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что в скважинном гидроприводном насосном агрегате, состоящем из установленных в корпусе последовательно расположенных по оси винтовых героторных пары двигательной и насосной секций, роторы которых соединены между собой шарнирным устройством и установлены в статорах, камеры для подвода и отвода силовой и добываемой жидкостей, опорного узла и обратных клапанов на входе агрегата и входе насосной секции, нарезки винтовых поверхностей роторов и статоров двигательной и насосной секций имеют одинаковое направление, а в статоре и корпусе ниже верхнего торца статора выполнены боковые каналы для отвода жидкости из насосной секции, причем длина части насосной секции, находящейся выше боковых каналов статора и корпуса и сопряженной с подводящей камерой двигательной секции, имеет длину не менее шага винтовой поверхности статора насосной секции, при этом средние диаметры винтовых поверхностей двигательной и насосной секций выбираются из соотношения:

где Д_д - средний диаметр винтовой поверхности двигательной секции;

Д_н - средний диаметр винтовой поверхности насосной секции;

Р_д - перепад давления в двигательной секции;

Р_н - давление насоса.

Кроме того, в боковых каналах статора и корпуса насосной секции установлены дроссели.

Сущность изобретения заключается в следующем. Благодаря признакам, указанным в формуле изобретения, предлагаемый насосный агрегат является гидравлически уравновешенным в осевом направлении, при этом значительно упрощается конструкция агрегата, т.к. исключается установка многосекционных двигательных и насосных винтовых пар, изменяются схемы подвода и отвода силовой жидкости в агрегат.

На фиг.1 представлена компоновка гидроприводного насосного агрегата в скважине, на фиг.2 - продольный разрез агрегата, на фиг.3 - поперечный разрез двигательной секции агрегата, на фиг.4 - поперечный разрез насосной секции агрегата.

Гидроприводной агрегат 1 сбрасывается (фиг.1) в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) 2, спущенных в скважину. Затрубное пространство (между обсадной колонной 3 и НКТ) и зона перфорации скважины разделены пакером 4.

Агрегат (фиг.2) состоит из корпуса 5, внутри которого расположена двигательная секция (статор 6 и ротор 7). Под двигательной секцией размещена насосная секция (статор 8 и ротор 9). Роторы 7 и 9 связаны между собой шарнирным соединением 10 или гибким валом.

Для подвески роторной группы агрегата и восприятия осевых усилий ротор 7 имеет хвостовик 11 с опорной пятой, а в корпусе установлен подпятник 12.

Для нормального функционирования агрегат имеет два обратных подпружиненных клапана: клапан 13 находится на приеме силовой жидкости (на входе двигательной секции агрегата), а клапан 14 - на приеме добываемой жидкости (на входе насосной секции).

Внутри агрегата расположен ряд каналов для движения жидкости: канал А - для подвода силовой жидкости на вход двигательной секции; канал Б - для отвода отработанной силовой жидкости; канал В - для подвода добываемой жидкости на вход насосной секции.

Для связи отводящей камеры насосной секции с отводящей камерой двигательной секции предусмотрен кольцевой канал Г между НКТ и корпусом агрегата. Для сообщения канала Г с затрубным пространством скважины в НКТ выполнены отверстия О.

Для отвода жидкости из насосной секции ниже верхнего торца его статора выполнены боковые каналы Е.

В верхней части агрегата смонтировано корпусное уплотнение 15 для герметизации кольцевого зазора Г между НКТ и корпусом агрегата, а в нижней части корпуса выполнено коническое посадочное седло с уплотнением 16, сопрягаемое с ответной опорной поверхностью низа НКТ 2.

Насосный агрегат работает следующим образом. Силовая жидкость, нагнетаемая с поверхности насосом, поступает в НКТ 2 и через обратный клапан 13 и канал А попадает в двигательную секцию, заставляя вращаться ротор 7, и далее по каналу Б и через отверстия О в НКТ выходит в затрубное пространство скважины.

Ротор 7 двигательной секции посредством шарнирного соединения 10 приводит в движение ротор 9 насосной секции. Добываемая жидкость через обратный клапан 14 и канал В поступает на вход насоса и далее, проходя по его винтовым рабочим камерам, поступает в нагнетательный канал Е и далее через отверстия О в НКТ выходит в затрубное пространство и поднимается на поверхность, смешиваясь с потоком силовой жидкости.

Предлагаемый насосный агрегат является гидравлически уравновешенным в осевом направлении. Это достигается тем, что нарезки винтовых поверхностей роторов и статоров двигательной и насосной секций имеют одинаковые направления, а подвод силовой жидкости производится через камеру, расположенную между секциями.

Отвод жидкости из насосной секции осуществляется через расположенные ниже верхнего торца его статора боковые каналы Е в статоре и корпусе. Радиальный канал Е размещается таким образом, чтобы часть насосной секции выше канала Е имела длину не менее одного шага винтовой поверхности статора и превращалась тем самым в динамический сальник, разделяющий подводящую камеру двигательной секции от отводящей камеры насосной секции, препятствуя поступлению силовой жидкости из подводящей камеры в рабочие органы насосной секции.

Для повышения надежности пуска агрегата (двигательной секции) с целью создания гидравлического затвора на пути силовой жидкости в направлении насосной секции наряду с обратным клапаном 14 в боковых каналах Е установлены гидравлические сопротивления, например, дроссели 17.

Осевые гидравлические силы, возникающие в насосной и двигательной секциях, в данной схеме действуют в противоположных направлениях, уравновешивая друг друга.

Численные значения осевых сил от перепада давления в насосной (р _н) и двигательной (р _д) секциях соответственно выражаются следующим образом:

где S_н, S_д - площади проекций контактных линий соответственно насоса и гидродигателя, пропорциональные квадрату средних диаметров (D) рабочих органов:

Перепады давления в рабочих органах насосной и двигательной секций агрегата вычисляются из условия, что эти секции имеют общую камеру высокого давления:

где p_вx - давление на входе агрегата (в подводящей камере двигательной секции);

р_вх.н - давление на входе насосной секции;

р_вых - давление на выходе агрегата (в отводящей камере двигательной секции);

Р_д - перепад давления в гидродвигателе.

Давления на входе и выходе насоса зависят от глубины подвески (L) агрегата и динамического уровня скважины (Н)

где , _см - плотности добываемой жидкости и смеси силовой и добываемой жидкостей.

Если пренебречь разностью плотностей и _см, то согласно (3) перепад давления в насосной секции будет составлять сумму давлений насоса (Р_н=gН) и гидродвигателя (Р_д=р _д):

В результате для полного уравновешивания осевых сил в роторной группе агрегата (F_н=F_д) необходимо выполнить условие:

Предлагаемая компоновка насосного агрегата обеспечивает уравновешивание осевых гидравлических сил его в роторной группе, что повышает долговечность агрегата и устраняет необходимость установки специальных упорных подшипников.