Вопрос 4.51. Принцип действия гидропоршневого насосного агрегата

ГПНА по принципу действия скважинного насоса можно разде­лить на три группы соответственно с насосами одинарного, двойного и дифференциального действия (рис. 4.76).

Рабочая жидкость непрерывно нагнетается с поверхности сило­вым насосом насосного блока по каналу 3 в гидродвигатель 4. Золот­ник, совмещенный с гидродвигателем, переключает подачу рабочей жидкости поочередно в полости над и под поршнем 5 гидродвигате­ля и соответственно выход отработанной жидкости в канал 2 из по­лостей под и над поршнем. Так как давление нагнетаемой рабочей жидкости существенно больше давления отводной рабочей жидко­сти, то под действием перепада давления между этими полостями поршень гидродвигателя совершает возвратно-поступательное дви­жение вверх и вниз.

Конструктивно золотник выполнен в виде фасонной втулки, ко­торая перемещается в своем цилиндре с подводящими и отводящими каналами и управляется штоком 6 поршня гидродвигателя.

С поршнем 5 гидродвигателя шток 6 жестко связывает поршень 9 скважинного насоса 10, который также совершает возвратно-посту­пательное движение. Насос откачивает жидкость из скважины.

В насосе одинарного действия (рис. 4.76, а) при ходе поршня 9 вверх нагнетательный клапан 13 закрыт, так как на него действует значительно большее давление со стороны линии 1 выхода скважинной жидкости. При ходе поршня 9 вниз закрывается всасывающий клапан 12 и открывается нагнетательный клапан 13, жидкость из ци­линдра насоса 10 вытесняется в линию 1 выхода скважинной жидко­сти. Полость над поршнем через отверстие 8 сообщается с затрубным пространством скважины.

В насосе двойного действия (рис. 4.76, б) подача скважинной жид­кости происходит при ходе поршня 9 вверх и вниз, то есть при прочих

-239-

Рис. 4.76. Принципиальные схемы гидропоршневых насосов одинарного (а),

двойного (б) и дифференциального (в) действия:

1 - выход скважинной жидкости; 2 - выход рабочей жидкости; 3 - вход рабочей жидкости; 4 - гидродвигатель с золотником; 5 - поршень гидродвигателя; 6 - шток;

7 - уплотнение штока; 8 - отверстие; 9 - поршень скважинного насоса;

10 - скважинный насос; 11 - вход скважинной жидкости; 12 - всасывающий клапан;

13 - нагнетательный клапан

равных условиях почти в 2 раза больше подачи насоса одинарного действия. В них, например, при ходе поршня вверх одновременно происходит всасывание в полость под поршнем и нагнетание жидко­сти в линию 1 из полости над поршнем.

Гидропоршневой насосный агрегат дифференциального типа (рис. 4.76, в) работает за счет перепада давления Ар, создаваемого разно­стью между давлением рабочей жидкости и давлением откачиваемой жидкости. Поршень 9 насоса 10 изготовлен сквозным, и в нем распо­ложен нагнетательный клапан 13. Работает насос аналогично ШСН. Движение поршневой группы вниз происходит под действием силы, равной произведению этого перепада давления на площадь сечения штока. При этом закрывается всасывающий клапан 12, открывается нагнетательный клапан 13 и в канал 1 выталкивается часть откачива­емой жидкости в объеме штока 6, входящего в цилиндр насоса 10.

При крайнем нижнем положении поршневой группы посредством продольной канавки в штоке над и под золотником создается давле­ние рабочей жидкости.

Поскольку нижняя головка золотника диаметром больше верх­ней, то золотник под действием разности сил (произведение давле-

- 240 –

ния на площадь) поднимается вверх и сообщает полость над порш­нем 5 двигателя с полостью выкида скважинкой жидкости 1.

Так как под поршнем двигателя всегда действует давление нагне­таемой рабочей жидкости, то на поршень 5 двигателя начинает дей­ствовать сила, обусловленная перепадом давления р, и система нач­нет движение вверх. При этом закрывается нагнетательный клапан 13, открывается всасывающий клапан 12, происходит нагнетание сква-жинной жидкости и всасывание свежей порции в цилиндр насоса.

Различное расположение рабочих полостей в двигательной и на­сосной частях позволяет создать много схем ГПНА.

Реализованные серийные или опытные образцы представляют собой в основном агрегаты с двигателем и насосом двойного или диф­ференциального действия. Наиболее просты в конструктивном ис­полнении ГПНА дифференциального типа, однако, у агрегатов двой­ного действия более высокий коэффициент полезного действия и более плавный режим работы.

В настоящее время давление на выходе силового поверхностного насоса достигает 21 МПа, иногда его повышают до 35 МПа. В целом коэффициент полезного действия ГПНУ невысокий. Экономическая эффективность применения ГПНУ по сравнению с насосным обору­дованием других типов возрастает

с увеличением глубины подвески ГПНА. ГПНУ позволяют эксп­луатировать скважины с высотой подъема до 4500 м, с максималь­ным дебитом до 800 м³/сут при высоком содержании в скважинкой продукции воды (до 98%), песка (до 2%) и агрессивных компонен­тов. Увеличение высоты подъема и подачи можно достигнуть приме­нением тандемов-агрегатов, у которых в одном корпусе монтируют­ся два и более насосов, а также гидродвигателей, соединенных общим штоком, но работающих параллельно.

Перспективы применения ГПНУ связывают с эксплуатацией сква­жин, в которых работа штанговых насосов оказывается невозможной, а также при разбуривании месторождений кустами скважин, что по­зволяет обслуживать одной ГПНУ несколько ГПНА.