Принцип действия гидропоршневого насосного агрегата ГПНА
Гидропоршневой насосный агрегат 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.
Рис. 4.76. Принципиальные схемы гидропоршневых насосов одинарного (а), двойного (б) и дифференциального (в) дейстия: 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
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 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 ∆р, 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 давления на площадь) поднимается вверх и сообщает полость над поршнем 5 двигателя с полостью выкида скважинной 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 скважинной жидкости и всасывание свежей порции в цилиндр насоса.
Различное расположение рабочих полостей в двигательной и насосной частях позволяет создать много схем ГПHA.
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 скважинной 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.
