СПОСОБ ПЕРЕКАЧКИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ И ПОРШНЕВОЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04B19/06 F04B23/06 

Изобретение относится к способам нагнетания газа и газожидкостной смеси поршневым насосом, в частности для бурения, освоения скважин и добычи нефти.

Широко известны способы нагнетания газожидкостной смеси поршневым насосом, содержащим рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным клапанами, при котором газ или газожидкостную смесь с заданным избыточным давлением вводят непосредственно в рабочую камеру поршневого насоса. Такой способ описан, например, в Авторском свидетельстве СССР N 714044 (F 04 В 23/10, опубл. 05.02.80) и который позволяет эффективно решать задачу перекачки газожидкостных смесей.

Недостатком известного способа является необходимость применения дополнительных камер и усложненной конструкции поршневого насоса.

Целью изобретения является упрощение конструкции, снижение металлоемкости, повышение надежности работы.

Поставленная цель достигается тем, что способ перекачки газожидкостных смесей поршневым насосом, содержащим рабочие камеры с всасывающими и нагнетательными клапанами, путем ввода газожидкостной смеси по крайней мере в одну рабочую камеру под избыточным давлением в период выполнения насосом такта всасывания с обеспечением подачи жидкости в эту рабочую камеру, причем, в ходе такта всасывания и такта сжатия газа осуществляется дополнительная подача газожидкостной смеси в рабочую камеру через гидравлический канал из зоны на выходе нагнетательного клапана рабочей камеры. В газожидкостной смеси, подаваемой в рабочую камеру через гидравлический канал, обеспечивается повышенное объемное содержание жидкости при такте всасывания с последующим понижением объемного содержания жидкости на такте сжатия газа в рабочей камере, причем, в гидравлическом канале осуществляется регулирование расхода газожидкостной смеси и ее плотности за счет частичной сепарации газа.

Указанный способ может быть осуществлен устройством новой конструкции, в частности, насосом с клапанным распределением, имеющим следующие существенные отличия.

Рабочая камера через гидравлический канал постоянно сообщается с зоной на выходе нагнетательного клапана. Гидравлический канал выполнен в запорном органе нагнетательного клапана и образован посредством установленных в запорном органе сепаратора, фильтра, дросселя и втулки с осевым и радиальными отверстиями.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2, где изображена схема устройства для осуществления способа перекачки газожидкостных смесей поршневым насосом.

В состав устройства, фиг. 1, входит поршневой насос, содержащий рабочую камеру 1, заполняемую газожидкостной смесью, поршень 2, всасывающий клапан 3 и нагнетательный клапан, состоящий из запорного органа 4 и седла 5. В запорном органе 4 выполнен гидравлический канал 6, соединяющий зону 7 над запорным органом 4 с рабочей камерой 1.

Запорный орган нагнетательного клапана представлен на фиг. 2. В состав запорного органа входят корпус 8, уплотнительный элемент 9. В корпусе 8 выполнена расточка, в которой размещены фильтр 10, дроссель 11 с отверстием 12, втулка 13 с осевым 14 и радиальными 15 отверстиями. Фильтр 10 размещен внутри сепаратора 16. Регулирование гидравлического сопротивления достигается за счет изменения проходного сечения отверстия 12 в дросселе 11.

Устройство работает следующим образом.

При выполнении насосом такта всасывания, см. фиг. 1, газожидкостная смесь из источника (на фигурах не показан) через всасывающий клапан 3 поступает в рабочую камеру 1 насоса, поршень 2 согласно схеме движется вправо. Одновременно из зоны 7, на выходе нагнетательного клапана, по гидравлическому каналу 6 в рабочую камеру 1 поступает газожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости. Концентрация жидкости в смеси в данный момент выше из-за работы сепаратора, установленного на запорном органе 4, закрывающем седло 5. Отсутствие циркуляции в зазоре между седлом 5 и запорным органом 4 приводит к разгазированию газожидкостной смеси, находящейся выше запорного органа 4, газ с малой плотностью поднимается вверх, а жидкость с более высокой плотностью скапливается в полости сепаратора за счет сил гравитации. Таким образом, на такте всасывания через канал 6 протекает газожидкостная смесь с более высоким объемным содержанием жидкой фракции, то есть смесь с более высокой плотностью.

При выполнении насосом такта сжатия газа, при движении поршня 2 влево по схеме на фиг. 1, в рабочую камеру 1 по гидравлическому каналу 6 будет продолжать поступать газожидкостная смесь. Подача газа в составе газожидкостной смеси из зоны 7 в рабочую камеру 1 способствует росту давления в камере 1, оттеснению вниз границы раздела жидкой и газообразной фазы. При этом ускоряется процесс прохождения газовых пузырьков через слой жидкости в рабочей камере 1, между всасывающим клапаном 3 и границей раздела жидкой и газообразной фазы. В такте вытеснения, когда давление в камере 1 сравняется с давлением в зоне 7, запорный орган 4 поднимается над седлом 5, за счет силового воздействия потока газожидкостной смеси. Нагнетательный клапан переходит в открытое состояние. Камеру 1 вначале покидает газ, скопившийся под нагнетательным клапаном. Далее через зазор между запорным органом 4 и седлом 5 вытесняется газожидкостная смесь, поскольку за кратковременный рабочий цикл полной сепарации смеси трудно добиться. В конце такта нагнетания из рабочей камеры 1 вытесняется жидкость, или газожидкостная смесь с высоким объемным содержанием жидкости. Такая смесь, с более высокой плотностью, заполняет объем сепаратора 16, см. фиг. 2. Такт вытеснения завершается, поршень 2 находится в крайнем левом положении согласно схеме. Нагнетательный клапан закрывается, рабочий цикл повторяется.

Объем сепаратора 16 на такте всасывания заполнен газожидкостной смесью с повышенным объемным содержанием жидкой фазы, а значит с более высокой плотностью. Таким образом, на такте всасывания удается уменьшить объемный расход газа, протекающего через дроссель 11 обратно в рабочую камеру. Это значит, увеличится заполнение рабочей камеры газожидкостной смесью, поступающей через всасывающий клапан. Путем регулирования проходного сечения отверстия 12 в дросселе 11 достигается оптимальная производительность насоса при перекачке газожидкостной смеси, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Изменение площади сечения отверстия 12 может быть реализовано, например, за счет замены детали 11 на другой типоразмер. Отверстие 14 и радиальные отверстия 15 позволяют направить поток газожидкостной смеси на твердые стенки рабочей камеры насоса, улучшив тем самым условия сепарации, повышая производительность насоса. Фильтр 10 защищает дроссель 11 от механических примесей и способствует повышению надежности насоса в целом.

При использовании насоса для перекачки газа вместе с газом через всасывающий клапан 3 одновременно подается и жидкость, для принудительного образования газожидкостной смеси. При этом весь процесс совпадает с изложенным.

Способ и устройство предназначены для использования в области бурения, освоения скважин и добычи нефти. В ходе такта всасывания и такта сжатия газа осуществляется подача газожидкостной смеси в рабочую камеру через гидравлический канал из зоны на выходе нагнетательного клапана рабочей камеры. Гидравлический канал выполнен в запорном органе нагнетательного клапана и образован посредством сепаратора, фильтра, дросселя с регулируемым гидравлическим сопротивлением и втулки с осевым и радиальными отверстиями. Упрощается конструкция, снижается металлоемкость и повышается надежность работы. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ перекачки газожидкостных смесей поршневым насосом, содержащим рабочие камеры с всасывающими и нагнетательными клапанами, путем ввода газожидкостной смеси по крайней мере в одну рабочую камеру в период выполнения насосом такта всасывания с обеспечением подачи жидкости в эту рабочую камеру, отличающийся тем, что в ходе такта всасывания и такта сжатия газа осуществляется дополнительная подача газожидкостной смеси в рабочую камеру через гидравлический канал из зоны на выходе нагнетательного клапана рабочей камеры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газожидкостной смеси, подаваемой в рабочую камеру через гидравлический канал, обеспечивается повышенное объемное содержание жидкости при такте всасывания с последующим понижением объемного содержания жидкости в смеси на такте сжатия газа в рабочей камере. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в гидравлическом канале осуществляется регулирование расхода газожидкостной смеси и ее плотности за счет частичной сепарации газа. 4. Поршневой насос для осуществления способа по п.1, содержащий рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным клапанами, поршень, источник газожидкостной смеси (или источники газа и жидкости), отличающийся тем, что дополнительно оснащен гидравлическим каналом, постоянно сообщающим рабочую камеру с зоной на выходе нагнетательного клапана. 5. Насос по п.4, отличающийся тем, что гидравлический канал выполнен в запорном органе нагнетательного клапана и образован посредством установленных в запорном органе сепаратора, фильтра, дросселя с регулируемым гидравлическим сопротивлением и втулки с осевым и радиальными отверстиями.