Всасывающий клапан штангового насоса
ROD PUMP SUCTION VALVE

Изобретение относится к гидромашиностроению и в частности к глубинным штанговым насосам для добычи нефти.
Известен шаровой клапан (авторское свидетельство № 934117, МПК F16K 15/04). Шаровой клапан содержит корпус с седлом и шаровым запорным органом, имеющим ограничитель подъема, а также упругую уплотнительную манжету, состоящую из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть манжеты образует угол с обращенной к ней поверхностью седла. Между седлом и корпусом образован кольцевой паз, в котором подвижно размещен свободный конец манжеты. При закрытии шаровой клапан взаимодействует с подвижной частью манжеты, с ее поджимом к поверхности седла. Свободный конец манжеты перемещается в кольцевом пазу.
При посадке шарового клапана на седло происходит его взаимодействие с упругой манжетой, что снижает силовую нагрузку при посадке на седло. При открытии шарового клапана он совершает хаотичное движение внутри металлической клетки, с соударением с ее частями. Контактные напряжения между шаровым клапаном и седлом, из-за малого пятна контакта могут достигать значений, который превосходят значения по прочности материалов, из которых изготовлены сопрягаемые детали.
Гидравлическое сопротивление потоку пластовой жидкости, при прохождении через шаровой клапан может достигать высоких значений, что снижает долговечность работы насоса.
Известен клапанный узел насоса (патент РФ № 2233996, МПК F04B 53/10, опубл. 10.08.2004 г.).
Клапанный узел насоса состоит из полого корпуса, в осевом канале которого установлено седло с шаровым клапаном, поджатое переходником. Корпус снабжен кольцевой и цилиндрической расточками. Направляющее устройство, или клетка, выполнено в виде верхнего опорного кольца входящего в кольцевую расточку корпуса, нижнего опорного кольца и подпятника в средней части, связанных друг с другом вертикальными ребрами, разнесенными по периметру.
Нижнее опорное кольцо расположено на торце седла и установлено с возможностью контакта с шаром, при его посадке.
Такое конструктивное решение снижает динамические нагрузки на шар и седло, при их взаимодействии. Гидравлические сопротивления по сравнению с традиционной конструкцией клетки клапана значительно меньше.
Однако контактные напряжения между шаром и седлом достигают больших значений, при восприятии гидростатического давления столба жидкости в осевом канале труб лифтовой колонны, действующего на площадь шара. Пятно контакта шара с седлом намного меньше площади шара.
Известен клапан тарельчатый пружинно-грузовой («Поршневые и плунжерные насосы для добычи нефти». Б.С. Захаров, Москва, 2002 г., с. 33, рис. 10), принятый авторами за прототип.
Клапан тарельчатый состоит из корпуса, в осевом канале которого выполнена перфорированная решетка, на которой размещена верхняя направляющая в виде ввертыша. В осевом канале корпуса, в нижней части выполнено сужение, под которым размещено седло, поджатое гайкой с фигурными вырезами и бобышкой с нижней направляющей. На седло установлен тарельчатый клапан со штоком, пропущенным в осевой канал нижней направляющей и опирающейся на ее торцовую поверхность дополнительной опорной поверхностью в виде кольцевого выступа.
Тарельчатый клапан поджат пружиной, установленной в расточке груза, в виде цилиндрической втулки со штоком, пропущенным в осевой канал верхней направляющей. Усилие поджима тарельчатого клапана к седлу, пружиной, равно весу цилиндрической втулки. Ход тарельчатого клапана вверх, при его открытии равен расстоянию до торца груза.
Однако усилие, которое можно создать пружиной на тарель клапана для посадки на седло, зависит от веса груза. Но этот вес зависит от его габаритных размеров и находится в пределах нескольких килограммов, чего недостаточно.
Следует отметить, что наличие двух посадочных поверхностей – тарельчатый клапан в седле и опорная поверхность в виде кольцевого выступа на нижней направляющей достаточно сложно обеспечить их одновременный поджим, с перераспределением осевой нагрузки, воспринимаемой телом тарельчатого клапана со стороны гидростатического давления жидкости в лифтовой колонне труб.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность поддержания оптимальных контактных напряжений при посадке тарельчатого клапана на седло;
- снижение гидравлических сопротивлений при подаче пластовой жидкости через клапан в режиме всасывания.
Технический результат достигается тем, что всасывающий клапан штангового насоса состоит из корпуса, в осевом канале которого в верхней части, установлена перфорированная решетка. В нижней части корпус имеет сужение осевого канала, под которым установлено седло, поджатое гайкой. Цилиндрическая втулка с перфорированной решеткой содержит расточку и направляющую тарельчатого клапана. Расточка выполнена ступенчатой и снабжена ступенчатым кольцевым поршнем с полым штоком, связанным нижним концом с тарельчатым клапаном, в котором выполнена внутренняя расточка, связанная отверстием с полостью под тарельчатым клапаном и осевым каналом в теле полого штока, с полостью над ступенчатым кольцевым поршнем, полость под которым перекрыта направляющей и гидравлически связана отверстием в теле цилиндрической втулки, с осевым каналом корпуса. Расточка, над верхним концом ступенчатого кольцевого поршня, перекрыта накидной гайкой, установленной на верхнем конце цилиндрической втулки и связана отверстием, с осевым каналом корпуса.
Конструкция всасывающего клапана штангового насоса представлена на рисунках, где:
- на фиг. 1 – вид клапана в разрезе в исходном положении;
- на фиг. 2 – общий вид клапана в разрезе в открытом положении, в режиме всасывания насоса.
Всасывающий клапан состоит из корпуса 1, в осевом канале 2 которого выполнена перфорированная решетка 3 и сужение 4, под которым установлено седло 5 поджатое гайкой 6. В осевой канал перфорированной решетки 3 пропущен верхний конец цилиндрической втулки 7, выполнена полой, со ступенчатым осевым каналом 9, в котором установлен ступенчатый кольцевой поршень 10, верхний конец 11 которого расположен в расточке малого диаметра 12. На верхнем конце цилиндрической втулки установлена накидная гайка 8.
Ступенчатый кольцевой поршень 10 снабжен полым штоком 13, пропущенным в осевой канал 12 корпуса 1.
На седло 5 установлен тарельчатый клапан 14, имеющий внутреннюю расточку 15, с резьбой, который связан с нижним концом полого штока 13, охватываемым направляющей 16.
Осевой канал 17 полого штока 13 гидравлически связан отверстием 18 с полостью над ступенчатым кольцевым поршнем 10 и внутренней расточкой 15, в теле тарельчатого клапана 14, связанной отверстием 19 с осевым каналом 2 корпуса 1 в месте расположения седла 5. Расточка малого диаметра 12, над верхним концом 11 ступенчатого кольцевого поршня 10 постоянно гидравлически связана перепускным отверстием 20 с осевым каналом 2 корпуса 1.
Корпус 1 снабжен присоединительной резьбой 21 для подсоединения к цилиндру штангового насоса.
Полость под ступенчатым кольцевым поршнем 10 постоянно гидравлически связана отверстием 22 с осевым каналом 2 корпуса 1.
Всасывающий клапан работает следующим образом.
При перемещении плунжера штангового насоса вверх происходит режим всасывания, с отрывом тарельчатого клапана 14 от посадочного места в седле 5 и открытием гидравлического канала для перетока пластовой жидкости в осевой канал 2 корпуса 1 и далее в цилиндр штангового насоса (на фигурах не показано), через отверстия в перфорированной решетке 3. Ступенчатый кольцевой поршень 10 перемещается вверх внутри цилиндрической втулки 7, вместе с его верхним концом 11. Давление пластовой жидкости над и под ступенчатым кольцевым поршнем 10 выравнивается. После окончания режима всасывания и переходу насоса в режим нагнетания, тарельчатый клапан 14 садится на седло 5, с прекращением подачи пластовой жидкости в осевой канал 2 корпуса 1. При этом осевой канал 2 корпуса 1 гидравлически связан перепускным отверстием 20, с расточкой малого диаметра 12. Давление пластовой жидкости в стволе скважины, через отверстие 19 в тарельчатом клапане 14 и осевой канал 17 полого штока 13, сообщается в полость над ступенчатым кольцевым поршнем 10.
Известно, что пластовое давление обычно меньше гидравлического давления столба пластовой жидкости в осевом канале труб лифтовой колонны.
В этом случае давление пластовой жидкости, воспринимается тарельчатым клапаном 14, когда на ступенчатый кольцевой поршень 10 сверху действует пластовой давление, сообщаемое через отверстие 19, осевой канал 17 и отверстие 18, а снизу на ступенчатый кольцевой поршень 10 действует гидростатическое давление столба пластовой жидкости из осевого канала лифтовой колонны труб. Таким образом осевая нагрузка, воспринимаемая тарельчатым клапаном 14 определиться:
m
где: F – площадь тарельчатого клапана;
гидростат
Р – гидростатическое давление столба пластовой жидкости в осевом канале труб лифтовой колонны, МПа;
пл
Р – давление пластовой жидкости в межтрубном пространстве на уровне установки штангового насоса.
Такая осевая нагрузка на тарельчатый клапан будет на 30÷50% меньше по сравнению с прототипом и не превышает значения предельных контактных напряжений на посадочной поверхности седла 5.