НАСОС
PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам, 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 клапанов и запаздыванием их открытия и закрытия.
Известна штанговая насосная установка, содержащая цилиндр, плунжер, шток, соединенный с приводом и снабженный упором и запорным органом нагнетательного клапана с возможностью ограниченного перемещения относительно плунжера и взаимодействия с ними, всасывающий клапан, включающий седло и насаженный на шток запорный орган, имеющий возможность ограниченного перемещения соосно цилиндру (см. Патент РФ №2567919, МКП F04B 47/00, 2015 г.).
Недостатками известной установки являются недостаточная пропускная способность всасывающего клапана и недостаточная надежность его работы вследствие уменьшения площади прохода седла телами штока и направляющей запорного органа, оснащения запорного органа уплотнительным узлом.
Кроме того, выполнение упорно-уплотнительного узла нагнетательного клапана в виде «коническая поверхность - торцевая линия» не обеспечивает достаточный ресурс уплотнительного узла.
Известен насос, содержащий корпус, седло, подпружиненный относительно корпуса цилиндр с зауженной горловиной и установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения между упором корпуса и седлом с образованием всасывающего клапана, нагнетательный клапан, установленный соосно цилиндру, плунжер, соединенный с приводом (см. патент СССР №626709, МПК F04B 15/00, 1978 г.), который принят за прототип.
Недостатками известного насоса являются сложность конструкции, недостаточная пропускная способность и запаздывание закрытия нагнетательного клапана.
Технической задачей предлагаемого изобретения являются упрощение конструкции насоса и повышение надежности работы.
Указанная цель достигается тем, что в насосе, содержащем корпус с вертикальным цилиндрическим сквозным отверстием, в котором установлен с возможностью ограниченного упором корпуса подпружиненный пружиной относительно корпуса цилиндр с плунжером, соосно установленные цилиндру с образованием рабочей полости седло и нагнетательный клапан, цилиндр в нижней части снабжен зауженной горловиной, в корпусе ниже горловины выполнено, как минимум, одно сквозное отверстие с возможностью сообщения рабочей полости с наружной средой, и цилиндр установлен с возможностью взаимодействия горловины с седлом и сообщения рабочей полости с наружной средой, согласно техническому решению, плунжер выполнен полым с размещенным в нем нагнетательным клапаном с образованием нагнетательной полости внутри плунжера и цилиндра, упор корпуса выполнен в виде цилиндрического бурта, корпус оснащен оппозитно расположенным относительно седла неподвижным дополнительным цилиндром с образованием глухой полости, образованной боковыми поверхностями корпуса, дополнительного цилиндра и буртом, ответно выполненной цилиндру с образованием щелевого уплотнения между цилиндрами и камеры переменного объема, при этом в корпусе ниже бурта выполнено, как минимум, одно сквозное боковое отверстие с возможностью сообщения камеры с наружной средой.
Седло выполнено в виде пластины, в периферийной части которой выполнено, как минимум, одно осевое отверстие с возможностью сообщения рабочей полости с наружной средой.
Седло снабжено дополнительным опорно-уплотнительным узлом, выполненным в виде шарика, диаметр которого меньше диаметра цилиндра, в седле ответно шарику выполнена центральная опорная поверхность, а в корпусе, выше уровня центра шарика, выполнены, как минимум, два боковые сквозные отверстия с установленными в них штифтами, при этом шарик установлен неподвижно с возможностью взаимодействия с опорной поверхностью и штифтами, а также горловиной цилиндра.
Корпус снизу снабжен днищем с глухим углублением с центральной опорной поверхностью, седло выполнено в виде шарика ответно углублению, в нижней части корпус снабжен неподвижным цилиндрическим упорным кольцом, внутренняя поверхность которого выполнена ответно шарику, а максимальный внутренний диаметр которого - диаметру шарика, при этом шарик неподвижно установлен с возможностью взаимодействия с центральной опорной поверхностью и кольцом.
От известного насоса (Патент РФ №2567919, МКП F04B 47/00, 2015), предлагаемое техническое решение отличается выполнением жестко соединенного со штоком запорного органа нагнетательного клапана в виде шарика. Это позволяет исключить присущие недостатки самодействующего шарикового клапана (запаздывание срабатывания, особенно закрытия в вязкой среде), высокую надежность работы шарикового клапана в при низком перепаде давления при его обтекании вязкой средой.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображен общий вид насоса (продольный разрез);
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 - насос по фиг. 1 при закрытом всасывающем клапане;
На фиг. 4 - вариант исполнения соосного цилиндру седла всасывающего клапана;
На фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 4;
На фиг. 6 - вариант исполнения насоса с шариковым седлом и соосным цилиндру каналом всасывающего клапана;
На фиг. 7 - вариант исполнения насоса с шариковым седлом всасывающего клапана и боковыми входными каналами.
Насос (фиг. 1 и 2), установленный в скважине (на фиг. не показана) для подъема нефти содержит установленный в корпусе 1 цилиндр 2 с горловиной 3, седло 4 всасывающего клапана, установленное в нижней части корпуса 1. Горловина 3 цилиндра 2 выполняет функцию запорного органа всасывающего клапана. Внутри цилиндра 2 размещен полый плунжер 5 и центральный шток 6. Шток 6 в нижней части снабжен запорным органом 7 нагнетательного клапана, а выше верхнего торца плунжера 5, упором 8 с возможностью ограниченного перемещения относительно штока 6 и поочередного взаимодействия торцов плунжера 5 с запорным органом 7 и упором 8. Функцию седла нагнетательного клапана выполняет, например, нижний торец плунжера 5. Всасывающий клапан с седлом 4 и горловиной 3, плунжер 5, нагнетательный клапан с запорным органом 7 установлены с образованием рабочей полости 9 (фиг. 3). Например, в нижней части корпуса 1, выше седла 4, выполнено, как минимум, одно сквозное боковое отверстие 10.
Рабочая полость 9 поочередно сообщается с пластовой средой через отверстие 10, и с напорной линией 11 через нагнетательный клапан.
В верхней части корпуса 1 выполнен упор 12 в виде цилиндрического бурта, а цилиндр 2 установлен в корпусе 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения между седлом 4 и буртом 12. Также в верхней части корпуса 1 с образованием глухой кольцевой полости 13, ответно цилиндру 2, установлен дополнительный цилиндр 14. При этом глухая кольцевая полость 13 образована боковыми поверхностями дополнительного цилиндра 14, корпуса 1 и буртом 12. Цилиндр 2 своим верхним концом перекрывает глухую полость 13 с образованием камеры 15 переменного объема.
В дополнительном цилиндре 14 и корпусе 1, например, выполнены ответно друг другу конические посадочные поверхности (на фиг. не указаны), например, с углом конуса 5-7°.
В средней части корпуса 1 выполнены, как минимум, два сквозных продольных выреза 16 (фиг. 2) с образованием ребер 17.
На наружной поверхности цилиндра 2, в нижней ее части, выполнена, например кольцевая проточка 18, в которой установлен ответно выполненный разъемный упор 19. Упор 19 содержит соединенные между собой с возможностью поворота относительно друг друга вкладыши 20, соединенные между собой штифтами 21. При этом число вкладышей 20 равно числу ребер 17, и на внутренней поверхности вкладышей 20, ответно ребрам 17, выполнены сквозные продольные канавки 22.
В нижней части корпуса 1 выполнен бурт 23, и между буртом 23 и упором 19 установлена пружина 24. При этом минимальное усилие пружины 24 меньше веса цилиндра 2.
В верхней части корпуса 1 выполнено, как минимум, одно боковое сквозное отверстие 25, постоянно сообщающее камеру 15 переменного объема с наружной средой.
Шток 6 посредством муфты (на фиг. не указана) соединен с колонной штанг 26.
Седло 4 с корпусом соединен посредством, например, разрезного кольца 27 и штифтов 28.
Упор 8, например, выполнен, ответно цилиндру 2.
Седло 29 (фиг. 4 и 5) всасывающего клапана может быть выполнено в виде пластины, в верхней части которого выполнено глухое кольцевое углубление 30 с возможностью взаимодействия его внутренней боковой поверхности с горловиной 3. В седле 29 выполнено, как минимум, одно сквозное осевое отверстие 31 с возможностью сообщения рабочей полости 9 насоса с наружной средой.
Седло 29 жестко закреплено с корпусом 1 посредством, например, разрезных колец 32 и 33.
Седло 29 (фиг. 6) снабжено упорно-уплотнительным узлом 34, выполненным в виде шарика. В нижней части седла 29, ответно шарику 34, выполнена центральная опорная поверхность (на фиг. не указана). Диаметр шарика меньше диаметра цилиндра 2 и он установлен на опорную поверхность с образованием кольцевого канала (на фиг. не указан) между цилиндром 2 и шариком 34.
В корпусе 1, на расстоянии от нижней точки опорной поверхности седла 29 большем половины диаметра шарика 34, выполнены, например, как минимум, два симметричные друг относительно друга сквозные отверстия (на фиг. не указаны), в которых установлены штифты 35 с возможностью их взаимодействия с шариком 34.
В седле 29 выполнено, как минимум, одно сквозное осевое отверстие 31 с возможностью сообщения рабочей полости 9 насоса с наружной средой.
В нижней части корпус 1, например, снабжен днищем 36 (фиг.7) с глухим центральным углублением, а седло 37 всасывающего клапана выполнено в виде шарика, ответно углублению. Диаметр шарика 37 меньше диаметра цилиндра 2. В нижней части корпуса 1 выполнена, например, осевая резьба (на фиг. не указана), диаметр которой больше диаметра цилиндра 2. В осевую резьбу корпуса 1 навернута нажимная гайка 38, ответно шарику 37. Нижняя часть внутренней поверхности гайки 38 выполнена цилиндрической, а диаметр верхней части меньше диаметра 37. Шарик 37 установлен с возможностью взаимодействия с нижней опорной поверхностью днища 36 и внутренней поверхностью гайки 38.
Запорный орган 39 нагнетательного клапана выполнен, например, в виде шарика. В шарике 39 выполнено, например, глухое резьбовое отверстие 40 для соединения со штоком 6.
Монтаж и демонтаж насоса.
Корпус 1 (фиг. 1 и 2) насоса с цилиндром 2 и седлом 4 опускается вместе с насосно-компрессорными трубами (НКТ) (на фиг. не показаны). Далее осуществляется сборка в составе плунжер 5, шток 6 с запорным органом 7, упором 8. Сверху упора 8 устанавливается дополнительный цилиндр 14. Вся эта сборка опускается вниз на колонне штанг 26. При приближении плунжера 5 к седлу 4 дополнительный цилиндр 14 заходит вовнутрь цилиндра 2, и под действием силы тяжести своей конической поверхностью сажается на сопрягаемую коническую поверхность корпуса 1.
Демонтаж осуществляется в обратном порядке. Колонна штанг 26 поднимается вверх. При взаимодействии упора 8 с дополнительным цилиндром 14, последний отрывается от корпуса 1, и вся сборка с плунжером 5, штоком 6, запорным органом 7 и упором 8 поднимается на поверхность.
Насос работает следующим образом.
Пусть плунжер 5 находится в нижнем положении и в насосе начинается циклы всасывания и нагнетания. При этом всасывающий клапан приоткрыт, т.е. горловина 3 плунжера 5 отошла от седла 4, а запорный орган 7 нагнетательного клапана взаимодействует с торцом горловины 3, выполняющим функцию седла клапана. Давление в рабочей полости 9 чуть ниже давления в пластовой среде (на фиг. не показана), и жидкость из пласта через боковые отверстия 10 поступает в рабочую полость 9. Давление в нагнетательной линии 11, т.е. в полостях плунжера 5 и цилиндра 2 равно давлению нагнетания. При подъеме колонны штанг 26, штока 6 с запорным органом 7 добываемая среда плунжером 5 поднимается вверх.
Перепад давления во всасывающем клапане и величина подъема горловины 3 над седлом 4 определяется отношением разности веса цилиндра 2 в сборе и усилия пружины 24, и величиной площади неуравновешенной кольцевой поверхности цилиндра 2 с горловиной 3. Указанная площадь определяется диаметром цилиндра 2 и диаметром касания горловины 3 с седлом 4.
При дальнейшем перемещении вверх штока 6 цилиндр 2 взаимодействует с буртом 12 корпуса 1.
При приближении плунжера 5 к верхней мертвой точке скорость колонны штанг 26 снижается. Это приводит к снижению расхода жидкости через всасывающий клапан и в нагнетательную линию 11. С уменьшением расхода жидкости через всасывающий клапан снижается перепад давления в клапане. Под действием собственного веса цилиндр опускается вниз. При нахождении плунжера 5 в верхней мертвой точке горловина опускается на седло 4 (фиг. 3).
При обратном ходе колонны штанг 26, штока 6 с запорным органом 7 и упором 8 давление в рабочей полости 9 увеличивается. При превышении давления в рабочей полости над давлением нагнетания в полости 11 плунжера 5, под действием создавшегося перепада давления плунжер 5 отрывается от запорного органа 7, сообщая рабочую полость 9 с нагнетательной линией 11. С увеличением скорости штока 6, а значит и расхода жидкости через нагнетательный клапан, скорость плунжера 5 снижается, что приводит к увеличению площади прохода нагнетательного клапана.
При приближении плунжера 5 к нижней мертвой точке его скорость снижается. С уменьшением расхода жидкости через нагнетательный клапан плунжер 5 приближается к запорному органу 7, снижая площадь прохода клапана.
Работа насоса по фиг. 4 и 5 осуществляется аналогичным образом. При цикле всасывания жидкость, например из пластовой среды, через каналы 31 поступает в рабочую полость 9. Исключение поворота движущейся жидкости снижает перепад давления во всасывающем клапане.
Работа насоса по фиг. 6 осуществляется аналогичным образом. При оснащении седла 29 (фиг. 6) всасывающего клапана упорно-уплотнительным узлом 34, выполненным в виде серийно изготавливаемого шарика, снижается трудоемкость изготовления и повышается надежность работы насоса. Кроме того, возможность периодически поворачивать шарик 34 позволяет повысить срок службы седла клапана. Отсутствие поворота жидкости во всасывающем клапане снижает перепад давления.
При выполнении седла 37 (фиг. 7) всасывающего клапана в виде серийно изготавливаемого шарика снижается трудоемкость изготовления и повышается надежность работы насоса. Выполнение входных отверстий 10 боковыми позволяет увеличивать площадь их прохода. Кроме того, возможность периодически поворачивать шарик 37 позволяет повысить срок службы седла клапана.
При выполнении запорного органа 39 нагнетательного клапана в виде шарика снижается трудоемкость изготовления в связи с применением серийно изготавливаемых узлов, а также повышается надежность работы насоса.
Таким образом, выполнение цилиндра 2 подвижным, запорного органа всасывающего клапана в виде зауженной горловины 3 цилиндра 2, жесткое соединение запорного органа нагнетательного клапана со штоком 6, выполнение входных каналов насоса в виде боковых отверстий позволяют:
1. Регулировать равнодействующую силу на закрытие всасывающего клапана путем изменения усилия пружины. При перекачивании высоковязкой нефти путем уменьшения усилия пружины можно достичь своевременного закрытия всасывающего клапана. Значительное усилие закрытия клапана исключает его зависание.
2. Существенно увеличить пропускную способность всасывающего клапана в связи со значительной площадью прохода боковых отверстий. Кроме того, во всасывающем клапане отсутствуют узлы, препятствующие движению жидкости. Даже при случае прилипания к поверхности узлов насоса вязкой среды площадь прохода клапана остается достаточной.
3. Обеспечить управление открытием и закрытием нагнетательного клапана перемещением штока, соединенного с колонной штанг.
4. Существенно повысить ресурс всасывающего клапана в связи со снижением усилия на упорно-уплотнительную поверхность. Нагрузка пропорционально разности квадратов диаметра цилиндра и диаметра касания горловины с седлом 4.
Кроме того, выполнение седла всасывающего клапана и запорного органа нагнетательного клапана в виде шариков существенно повышает ресурс клапанных узлов, снижает трудоемкость изготовления.