Скважинный штанговый насос
OIL WELL PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам с самодействующими клапанами, особенно для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известен штанговый скважинный насос (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш. М., 1988, с. 22), содержащий рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с нагнетательным клапаном, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан.
Недостатками известного штангового скважинного насоса являются недопустимые объемные потери в связи с недостаточной пропускной способности всасывающего клапана, значительными вредным объемом цилиндра и запаздыванием открытия и закрытия клапанов.
Известен всасывающий клапан скважинного погружного насоса, содержащий цилиндр с радиальными отверстиями, втулка, установленная внутри цилиндра с возможностью перекрытия радиальных отверстий, фильтр (см. RU 2487271, 10.07. 2013.), который принят за прототип.
Недостатками известного устройства являются недостаточная пропускная способность всасывающего клапана вследствие движения жидкости по кольцевому каналу с поворотами, а также возможность накапливания механических примесей в нижней части цилиндра насоса.
Задачей и техническим результатом технического решения является снижение объемных потерь путем снижения запаздывания открытия и закрытия клапанов и увеличение межремонтного периода путем предотвращения накапливания механических примесей в нижней части насоса.
Эта задача и технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с всасывающим клапаном, выполненным в виде втулки с возможностью перекрывания радиальных отверстий, выполненных в нижней части цилиндра, плунжер с нагнетательным клапаном в нижней центральной части, приемный фильтр, согласно техническому решению, плунжер в нижней части выполнен меньшего диаметра с образованием кольцевого пространства между цилиндром и плунжером, втулка выполнена ответно кольцевому пространству с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения, втулка в нижней части снабжена диском с центральным сквозным осевым отверстием, диаметр которого больше диаметра седла нагнетательного клапана, при этом поверхность диска выполнена ответно торцу плунжера, днище цилиндра выполнено пологой с центральным сквозным отверстием, в котором установлен дополнительный всасывающий клапан.
Радиальные отверстия цилиндра выполнены прямоугольного сечения.
В цилиндре с наружной стороны симметрично радиальным отверстиям выполнена кольцевая проточка, ширина которой больше высоты радиальных отверстий и меньше высоты фильтра, выполненного в виде сетки, при этом в боковой поверхности расточки выполнено глухое углубление ответно сетке.
Диск втулки выполнен в виде оболочки из эластичного материала.
Радиальные отверстия выполнены прямоугольного сечения.
Нижний упор втулки выполнен в виде ответно выполненных цилиндрических выступов втулки и цилиндра с конической опорной поверхностью, при этом выступ цилиндра выполнен ниже радиальных отверстий.
Диск втулки выполнен составным из отдельных сегментов.
Втулка и цилиндр выше радиального отверстия снабжены дополнительными цилиндрическими выступами с конической опорной поверхностью.
Нижний упор втулки с цилиндрическим выступом цилиндра имеет возможность взаимодействовать в части ширины втулки со стороны рабочей полости.
Плунжер в нижней части снабжен ответно выполненным отверстию диска цилиндрическим выступом с возможностью его перекрытия с гарантированным зазором.
Выступ плунжера снабжен манжетой ответно центральному отверстию диска и с возможностью ее взаимодействия с боковой поверхностью диска.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема скважинного штангового насоса.
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 (радиальные отверстия прямоугольного сечения).
На фиг. 4 – вариант выполнения втулки из эластичного материала.
На фиг. 5 - вариант исполнения насоса с разрезным на сегменты упругим диском.
На фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5.
На фиг. 7 - схема насоса при осуществлении цикла нагнетания.
На фиг. 8 - вариант исполнения насоса с взаимодействием нижней опоры втулки с опорой цилиндра на части ширины втулки.
На фиг. 9 - вариант исполнения насоса со сдвоенной конической опорно-уплотнительной поверхностью всасывающего клапана.
На фиг. 10 - вариант исполнения насоса с цилиндрическим выступом плунжера.
На фиг. 11 - вариант исполнения насоса с оснащением выступа плунжера манжетой.
Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1 (см. фиг. 1) с полым плунжером 2, в нижней части которого выполнено седло 3 и установлен нагнетательный клапан 4 с возможностью перекрытия проходного центрального отверстия 5 седла 3 с образованием рабочей полости 6 насоса. Наружный диаметр плунжера 2 в нижней части выполнен меньшего диаметра с возможностью образования открытой снизу кольцевого пространства (не указано). В нижней части цилиндра 1 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 7 круглого (фиг. 2) или прямоугольного (фиг. 3) сечения.
Всасывающий клапан выполнен в виде втулки 8, ответно выполненной кольцевому пространству и имеющей возможность ограниченного осевого перемещения вдоль цилиндра 1 упорами 9 и 10, и перекрытия радиальных отверстий 7 с образованием камеры 11 переменного объема между боковыми поверхностями цилиндра 1, плунжера 2 и торцом втулки 8.
Нижний упор 9 выполнен в виде цилиндрического выступа цилиндра 1 ниже радиальных отверстий 7 с возможностью взаимодействия с ответно выполненным цилиндрическим выступом 12 втулки 8. При этом сопрягаемые опорные поверхности выступов 9 и 10 выполнены коническими.
Верхний упор 10 выполнен, например, в виде штифтов, установленных в нижней части втулки 8 с возможностью взаимодействия с верхней боковой стенкой отверстий 7 и обеспечения гарантированного зазора между упором 10 и нижней боковой поверхностью отверстия 7.
Втулка 8 в нижней части снабжена диском 13 с центральным отверстием 14, диаметр которого больше диаметра отверстия 5 седла 3 нагнетательного клапана 4 и ответно выполненным торцевой поверхности плунжера 2. Диск 13 установлен с возможностью образования промежуточной полости 15 между рабочей полостью 6 и плунжером 2.
Цилиндр 1 снабжен днищем 16 с пологой внутренней поверхностью с центральным сквозным осевым отверстием 17 с ответно выполненным дополнительным всасывающим клапаном 18 меньшего размера по сравнению с нагнетательным клапаном 4.
Верхняя часть втулки 8 снабжена, например, радиальным уплотните льным кольцом 19.
Плунжер 1 соединен с приводом, выполненным, например, в виде колонны штанг 20, а цилиндр 1-е колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) 21. Внутренняя полость 22 плунжера сообщена с каналом НКТ 21.
В цилиндре 1 с наружной стороны симметрично радиальным отверстиям 7 может быть выполнена кольцевая проточка (не указана), ширина которой больше высоты радиальных отверстий 7 и меньше высоты фильтра 23, выполненного в виде сетки прямоугольной формы, при этом в боковой поверхности расточки выполнено глухое углубление (не указано) ответно сетке.
Радиальные отверстия 7 (фиг. 3) могут быть выполнены прямоугольной формы.
Втулка 8 (фиг. 4) выполнена, например, из эластичного материала с возможностью взаимодействия нижней периферийной части с торцом плунжера 2 с образованием камеры 24 переменного объема.
Диск 13 может быть выполнен в виде отдельных сегментов 25 (фиг. 5-7) с возможностью взаимодействия их периферийной части с торцом плунжера 2 также с образованием камеры 24 переменного объема.
Цилиндрические выступы 12 и 9 (фиг. 8) втулки 8 и цилиндра 1 могут быть выполнены с возможностью взаимодействия только на внутренней части их ширины.
Цилиндр 1 (фиг. 9) в верхней части радиального отверстия 7 и втулка 8 в верхней части могут быть снабжены ответно выполненными друг другу цилиндрическими буртами 26 и 27 с конической опорной поверхностью.
Нижняя часть плунжера 1 (фиг. 10), ответно отверстию 14, с образованием гарантированного зазора (не указан), снабжена центральным цилиндрическим выступом 28 с образованием камеры 24 переменного объема.
Выступ 28 плунжера 1 в торцевой части снабжен манжетой 29 (фиг. 11), ответно выполненной отверстию 28.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 1 находится в крайнем нижнем положении (фиг. 1). Нагнетательный клапан 4 чуть приподнят над седлом 3, а дополнительный всасывающий клапан 18 закрыт. Втулка 8 находится в крайнем нижнем положении с возможностью перекрытия радиальных отверстий 7 и взаимодействия выступов 9 и 12. Расстояние между торцом плунжера 2 и диском 13 минимальное. Давления в рабочей полости 6, дополнительной полости 15 и внутренней полости 22 плунжера 1 равны давлению нагнетания.
При движении плунжера 2 вверх давление в рабочей полости 6 снижается. Клапан 4 опускается на седло 3. Также снижается давление в полостях 6 и 15, а также в камере 11 переменного объема. Под действием перепада давления клапан 18 открывается, и жидкость, напри-мер, из пласта, (не показан) перетекает в рабочую полость 6. Также под действием перепада давления между рабочей полостью 6 и камерой 11 втулка 8 перемещается вверх за плунжером 2, открывая радиальные отверстия 7. Жидкость из пласта через фильтр 23, отверстия 7 поступает в рабочую полость 6.
При дальнейшем движении плунжера 2 и втулки 8 упор 10 взаимодействует с верхней боковой стенкой отверстия 7, и останавливается. При этом скорость плунжера 2 близка к максимальной величине. С увеличением объема камеры 11 жидкость из рабочей полости 6 через зазор (не показан) между втулкой 8 и плунжером 2 перетекает в камеру 11. Жидкость в дополнительную полость 15 из рабочей полости 6 перетекает через центральное отверстие 14. Под действием перепада давления между рабочей полостью 6 и полостью 15 втулка 8 будет находится в верхнем положении, с обеспечением взаимодействия упора 10 с поверхностью отверстия 7. Так как площадь прохода отверстий 7 намного больше площади прохода отверстия 18, то основная часть жидкости в рабочую полость 6 поступает через боковые отверстия 7. При этом оснащение отверстий 7 фильтром 23 с достаточно большой площадью поверхности незначительно снижает пропускную способность отверстий 7, выполняющих функцию всасывающего клапана.
При приближении плунжера 2 в верхнее положение его скорость снижается. Также снижается расход жидкости, перетекающий через отверстия 7 и 14. Со снижением перепада давления в отверстии 14 втулка 8 под действием силы тяжести начинает опускаться вниз. В крайнем верхнем положении плунжера 2 втулка 8 полностью перекрывает проход отверстий 7 и выступы 12 и 9 втулки 8 и цилиндра 1 взаимодействуют между собой. В связи с небольшим диаметром, дополнительный всасывающий клапан 18 закрывается с незначительным запаздыванием.
При преждевременном закрытии радиальных отверстий 7, т.е. опускании втулки 8 в нижнее положение до дохода плунжера 2 в верхнее положение, заполнение рабочей полости 6 жидкостью осуществляется через дополнительный всасывающий клапан 18. Пропускная способность клапана 18 достаточна, так как скорость плунжера 2 при подходе в верхнее положение незначительна.
При оседании механических частиц, песка на днище 16 цилиндра 1 они через отверстие 17 высыпаются на забой (не показан).
При движении плунжера 2 вверх жидкость из внутренней полости 22 плунжера 2 поступает в канал НКТ 21, и далее на поверхность.
При движении плунжера 2 вниз давление в полостях 15 и 6 возрастает, и клапан 18 закрывается. При превышении давления в полостях 6 и 15 над давлением в полости 22, открывается клапан 4, и жидкость из полостей 6 и 15 через отверстие 5 поступает в полость 22.
При движении плунжера 2 вниз на втулку 8 действуют сила тяжести, усилие от перепада давления в полостях 15 и 6, а также от давления нагнетания, действующая на проекцию на горизонтальную плоскость площади выступа 9.
При дальнейшем движении плунжера 2 вниз, расстояние между торцом плунжера 2 и диском 13 становится минимальным.
Далее цикл повторяется.
Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки 8, имеющей возможность ограниченного упорами перемещения вдоль цилиндра 1 и перекрытия радиальных сквозных отверстий в нижней части цилиндра 1 существенно увеличивает пропускную способность всасывающего клапана. Расположение втулки 8 в нижней части цилиндра между плунжером 2 и цилиндром 1, с образованием в верхней ее части камеры 11 переменного объема, оснащение втулки 8 диском 13 с центральным сквозным отверстием 14, позволяет открыть всасывающий клапан в самом начале цикла всасывания и удержать втулку 8 в верхнем положении за весь цикл всасывания.
При выполнении радиальных отверстий 7 (фиг. 3) прямоугольного сечения пропускная способность всасывающего клапана достигает значительной величины даже при небольшом подъеме втулки 8.
При выполнении втулки 8 (фиг. 4) из эластичного материала торец плунжера 2 в крайнем его нижнем положении может взаимодействовать с периферийной частью диска 13 с образованием камеры 24 переменного объема. При движении плунжера 2 вниз объем камеры 24 уменьшается с увеличением давления. Под действием перепада давления края диска 13 отходят от торца плунжера 2 с обеспечением перетекания жидкости из камеры 24 в рабочую полость 6 и далее в полость 22.
При движении плунжера 2 вверх, давление в камере 24 резко снижается, и под действием перепада давления периферийная часть диска 13 прижимается к плунжеру 2. Под действием перепада давления между рабочей полость 6 и камерами 11 и 24, втулка 8 перемещается вверх с плунжером 2.
При выполнении диска 13 в виде отдельных сегментов 25 (фиг. 5-7), в нижнем крайнем положении плунжера 2 его торец может взаимодействовать с периферийной частью сегментов 25 с образованием камеры 24 переменного объема. При движении плунжера 2 вниз, под действием перепада давления между камерой 24 и полостью 6, сегменты 25 отодвигаются от плунжера 2, обеспечивая проход для жидкости.
При движении плунжера 2 вверх сегменты прижаты к плунжеру 2. Это обеспечивает существенное снижение давления в камере 24.
При уменьшении площади контакта опоры 12 втулки 8 с опорной поверхностью 9 цилиндра 1 (фиг. 8), увеличивается контактное давление в опорных поверхностях 9 и 12, что повышает герметичность. Кроме того, при этом увеличивается усилие от перепада давления на втулку 8 при ее движении вверх.
При оснащении верхней части втулки 8 и цилиндра 1 выше отверстий 7 цилиндрическими выступами 26 и 27 (фиг. 9) работа насоса аналогична работе насоса на фиг. 1. Исключение радиального уплотнительного кольца 19 снижает трение втулки 8 по поверхности цилиндра 1. Герметизация радиальных отверстий парой коническими уплотнительными поясками 9, 12 и 26, 27 повышает герметичность уплотнения в связи с увеличением контактного давления в уплотняемых поверхностях пропорционально давлению нагнетания и площади кольца, заключенного между диаметрами плунжера и минимальным диаметром нижней опорной поверхности втулки 8.
При оснащении торца плунжера 2 цилиндрическим выступом 28 (фиг. 10), в конце хода нагнетания, выступ 28 заходит в центральное отверстие 14 диска 13. С уменьшением объема камеры 15 жидкость из нее перетекает в рабочую полость 6 через кольцевой зазор между выступом 28 и боковой поверхностью диска 13.
При обратном ходе плунжера 2 вверх давления в камерах 9, 24 и рабочей полости 6 снижаются. Под действием перепада давления открывается дополнительный клапан 18. В связи с незначительной площадью прохода зазора между диском 13 и выступом 28, давление в камере 24 становиться намного меньше, чем в полости 6. Под действием усилия от перепада давления втулка 8 перемещается вверх вместе с плунжером 2, открывая отверстия 7. При взаимодействии упора 10 с поверхностью отверстия 7, втулка 8 останавливается. Далее работа насоса аналогична работе по фиг. 1.
При оснащении втулки 28 манжетой 29 (фиг. 11), при движении плунжера 2 вниз, в конце цикла нагнетания, втулка 28 заходит в отверстие 14. С увеличением давления в камере 24 наружная губка (не указана) манжеты 29 отодвигается от внутренней боковой поверхности днища 13, соединяя камеру 24 с полостью 6.
При обратном ходе плунжера 2 вверх, давление в камере 24 резко снижается. Под действием создавшегося перепад давления между полостью 6 и камерой 24, манжета полностью герметизирует зазор между диском 13 и выступом 28. Это приводит к увеличению усилия, действующего на втулку 8 снизу.
Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль цилиндра и охвата нижней части плунжера позволяет существенно увеличить пропускную способность всасывающего клапана. Оснащение нижней части втулки диском с центральным осевым отверстием и ответно выполненным торцу плунжера снижает запаздывание открытия клапана и обеспечивает открытое положение всасывающего клапана до конца цикла всасывания. Оснащение нижней части цилиндра дополнительным всасывающим клапаном меньшего размера способствует быстрому открытию основного всасывающего клапана, предотвращает накапливанию механических частиц в нижней части цилиндра и обеспечивает подачу жидкости в рабочую полость в самом начале и конце цикла всасывания.
Выполнение прохода седла всасывающего клапана в виде радиальных отверстий в нижней части цилиндра обеспечивает оснащение насоса быстросъемным фильтром со значительной пропускной способностью.