Устройство для двухтактного способа подъема продукции с забоя нефтяной скважины
DEVICE FOR TWO-STROKE METHOD OF LIFTING PRODUCT FROM BOTTOMHOLE OF OIL WELL

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений для механизированного подъема продукции из добывающих скважин, а также для подъема любой другой жидкости из глубин.
Существует широко эксплуатируемый на всех нефтяных предприятиях и в компаниях мира штанговый глубинный насос (ШГН), плунжерная пара которого встроена в полость насосно-компрессорной трубы (НКТ) и спущена в скважину ниже динамического уровня жидкости (Справочная книга по добыче нефти. Под. ред. д.т.н. Ш.К. Гиматудинова. - М.: Недра, 1974, 309 с.). Возвратно-поступательное движение плунжера в таком ШГН и откачку продукции скважины выполняет станок-качалка с электромеханическим приводом (ЭМП), установленным на устье скважины.
Все насосы этого принципа действия осуществляют полезную работу, т.е. нагнетание и подъем продукции скважин с забоя по НКТ с последующим ее сливом в резервуар только при подъеме плунжера с колонной штанг «снизу-вверх», а при его движении в обратном направлении, то есть «сверху-вниз» совершают холостой спуск без выполнения полезной работы, то есть не осуществляют подъем продукции скважины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является патент СА 2693311 А1, 19.12.2002 г., содержащий насос с поршнем, выполненный с возможностью перемещения плунжера для хода вверх для перекачки жидкости в стволе скважины во время подъема насоса и вниз при опускании плунжера насоса.
Хотелось бы отметить, что приведенный источник информации, патент СА 2693311 А1 обладает значительной сложностью конструкции, что закономерно будет влиять на его эксплуатацию, в связи с наличием множества деталей: двух насосов, гильзы, кольца корпуса, корпуса уплотнения, пластины, заплечика, устройства для выравнивания давления, гидростатической головки, соединителя, линейного исполнительного механизма, рукава, перфорационных отверстий и т.д.
Следовательно, технической задачей предлагаемого нами технического решения является увеличение производительности и коэффициента полезного действия (к.п.д.) ШГН путем создания его конструкции, позволяющей производить полезную работу, - нагнетание, подъем и слив продукции скважины в резервуар, как при подъеме колонны штанг, так и при ее спуске.
Поставленная задача решается представленным нами устройством для двухтактного способа подъема продукции с забоя скважины.
Предлагаемая нами конструкция ШГН отличается от серийного тем, что надплунжерная и подплунжерная полости его цилиндра оснащены парами всасывающих и нагнетательных клапанов-шариков. Такая конструкция позволяет производить нагнетание, подъем и слив продукции скважины в резервуар не только при первом такте, т.е. при подъеме плунжера насоса с колонной штанг «снизу-вверх», но и при втором такте, т.е. и при спуске плунжера насоса с колонной штанг «сверху-вниз», что приводит почти к двукратному увеличению производительности и к.п.д. насоса. В серийном же ШГН такой парой всасывающих и нагнетательных клапанов-шариков обладает только подплунжерная полость цилиндра насоса, из-за чего он нагнетает, поднимает и производит слив продукции скважины в резервуар только при первом такте, т.е. при подъеме плунжера с колонной штанг «снизу-вверх». А при обратном его движении происходит только переток продукции скважины из подплунжерной полости в надплунжерную без нагнетания, подъема и слива ее в резервуар.
Рассмотрим процессы, происходящие в предлагаемом нами ШГН при его первом и втором тактах действия.
При реализации действий первого такта, т.е. при подъеме плунжера с колонной штанг «снизу-вверх», от образующегося избыточного давления в надплунжерной полости цилиндра насоса, закрывается его всасывающий клапан-шарик и продукция скважины, заполнившая указанную полость при спуске плунжера насоса с колонной штанг «сверху-вниз», вытесняется во внутреннюю полость НКТ через открывшийся нагнетательный клапан-шарик с последующим ее нагнетанием, подъемом и сливом в резервуар. При этом же такте в подплунжерной полости цилиндра насоса от образующегося в нем разряжения открывается всасывающий клапан-шарик и начинается процесс заполнения продукцией скважины указанной полости при полностью закрытом состоянии нагнетательного клапана-шарика.
При осуществлении действий второго такта, т.е. спуске плунжера насоса с колонной штанг «сверху-вниз», от избыточного давления, образующегося в подплунжерной полости цилиндра насоса, закрывается его всасывающий клапан-шарик и продукция скважины, заполнившая указанную полость при подъеме плунжера насоса с колонной штанг «снизу-вверх», вытесняется через открывшийся нагнетательный клапан-шарик. Далее, продукция скважины поднимается вверх по его центральному каналу и через верхние выходные отверстия нагнетается во внутреннюю полость НКТ с последующим ее подъемом и сливом в резервуар. Одновременно, при этом же такте происходит заполнение надплунжерной полости продукцией скважины, поступающей из затрубного пространства через открывшийся всасывающий клапан-шарик при полностью закрытом нагнетательном клапане-шарике.
Следовательно, двухтактный ШГН совершает полезную работу как при первом, так и при втором тактах, в результате чего почти вдвое увеличивается как его производительность, так и к.п.д. В связи с этим такой насос нами назван двухтактным против однотактного, которым является серийный ШГН.
Представленное устройство для подъема продукции с забоя нефтяной скважины включает добывающую скважину с обсадной колонной и колонной НКТ, штанговый глубинный насос, содержащий корпус, подвешенный на колонне НКТ, с плунжером, установленным в корпусе, полый шток, соединенный с колонной штанг, выпускные отверстия, всасывающий и нагнетательный клапаны-шарики, а также упругую пружину, установленную над плунжером.
Новым является то, что устройство для подъема продукции с забоя нефтяной скважины имеет плунжер с узлами для дополнительных всасывающего и нагнетательного клапанов-шариков, с возможностью нагнетания продукции скважины как при подъеме плунжера, так и при его спуске, фланцы с установленными в них клапанами-шариками, при этом упругая стальная пружина, установленная над плунжером расположена между неподвижными дисками с возможностью организации подъема продукции скважины по НКТ и ее слив в резервуар.
Устройство для двухтактного способа подъема продукции с забоя нефтяной скважины иллюстрируется чертежом, где на фигуре представлен двухтактный штанговый глубинный насос.
Двухтактный штанговый глубинный насос спускается на насосно-компрессорных трубах в обсадную колонну 1 и включает в себя корпус 2 с плунжером 3, соединенным с колонной штанг 4, полый шток 5 с выпускными отверстиями 10, пары всасывающих 6, 7 и нагнетательных 8, 9 клапанов-шариков. Корпус 2 двухтактного ШГН оснащен неподвижными дисками 13 и 14, между которыми находится упругая стальная пружина 11 и фланец 12, жестко закрепленный на верхнем конце полого штока 5, и фланец 15 с нагнетательным клапаном-шариком 8. Нагнетательный клапан-шарик 8 находится на фланце 15. Двухтактный ШГН и обсадная колонна 1 образуют полости: А - под плунжером 3, Б - над плунжером 3, В - затрубное пространство, Г - внутренняя полость насоса 2, Д - под корпусом насоса 2 (стрелками показано движение продукции скважины).
Устройство для двухтактного способа подъема продукции с забоя нефтяной скважины реализуется следующим образом.
Двухтактный ШГН спускается внутрь обсадной колонны 1 скважины на подвеске НКТ (на фиг. не указана) под динамический уровень жидкости. Он состоит из корпуса 2, подвешенного на колонне НКТ, плунжера 3, полого штока 5 и клапанов-шариков 6, 7, 8 и 9. Плунжер 3 насоса, связанный с колонной штанг 4 через полый шток 5, с помощью ЭМП (на фиг. не обозначен), также как и в серийном ШГН, совершает периодическое возвратно-поступательное вертикальное движение «снизу-вверх» и наоборот.
При реализации первого такта, т.е. подъеме колонны штанг 4 «снизу-вверх», в объеме А под плунжером 3 образуется разряжение, в результате чего открывается всасывающий клапан-шарик 6, и указанный объем заполняется продукцией скважины, поступающей из области Д забоя скважины. В это время продукция скважины, поступившая из затрубного пространства В через открывшийся всасывающий клапан-шарик 7, и заполнившая объем Б над плунжером 3 при выполнении второго такта, т.е. его спуске «сверху-вниз», вытесняется через нагнетательный клапан-шарик 8 вверх в объем Г внутренней полости насоса и далее в НКТ в направлении, указанном стрелками с одним наконечником. Далее, колонна штанг 4, поднимаясь вверх, производит подъем продукции скважины от насоса по НКТ с последующим ее сливом в резервуар (на фиг. не представлен).
При втором такте, т.е. спуске колонна штанг 4 «сверху-вниз», открывается нагнетательный клапан-шарик 9, в результате чего его внутренняя полость заполняется продукцией скважины, поступающей из объема А. Далее из внутренней полости полого штока 5 через верхние его выпускные отверстия 10 (всего четыре) продукция скважины перетекает в объем Г внутренней полости насоса с последующим подъемом по НКТ и сливом в резервуар. Направление перетока показано стрелками с двумя наконечниками.
Таким образом, как при первом, так и втором тактах двухтактный ШГН предлагаемой конструкции реализует полезную работу - подъем продукции скважины по НКТ и слив в резервуар. Однако, полезную работу во втором такте, т.е. при спуске колонны штанг 4, можно осуществить только при наличии силы, действующей сверху на плунжер 3 ШГН и достаточной для надежного подъема продукции скважины по НКТ. Такую силу можно создать за счет механической энергии сжатия упругой стальной пружины 11 или с использованием энергии веса колонны штанг.
Возможен вариант, в котором при выполнении второго такта, т.е. спуске колонны штанг 4 при ее обратном движении «сверху-вниз», ее массы будет недостаточно для создания силы, необходимой и достаточной для надежного подъема продукции скважины по НКТ и слива в резервуар, в связи с чем предлагается установить упругую стальную пружину 11 между неподвижными дисками 13 и 14. Последняя, при подъеме колонны штанг 4 «снизу-вверх» (первый такт), упруго деформируясь, аккумулирует механическую энергию сжатия. Как видно из фигуры, верхний торец ее упирается на неподвижный диск 13, жестко прикрепленный к корпусу 2 насоса, а ее нижний торец - на фланец 12, выполненный на верхнем конце полого штока 5. Фланец 12 своей нижней плоскостью плотно прилегает к верхней плоскости неподвижного диска 14, также жестко прикрепленного к корпусу 2 насоса. Расстояние между неподвижными дисками 13 и 14 подбирается таким образом, чтобы аккумулированная энергия предварительно сжатой упругой стальной пружины 11 обеспечивала надежное вытеснение, полный подъем и слив продукции скважины в резервуар, набранной в объеме А при выполнении действия первого такта, т.е. подъеме колонны штанг 4 «снизу-вверх». Следовательно, при сборке настоящего устройства должно быть обеспечено такое состояние сжатия упругой стальной пружины 11, чтобы ею была накоплена достаточная энергия для полного и надежного завершения второго такта. При этом упругую стальную пружину 11 следует рассчитать на прочность с соответствующим подбором ее рабочих характеристик.
Применение заявленного изобретения позволит расширить технологические возможности и повысить эффективность скважинной добычи нефти в результате улучшения способа подъема продукции с забоя нефтяной скважины и условий эксплуатации расположенного в скважине насосного оборудования, а также увеличить его срок службы и надежность.
Данное устройство обладает высоким к.п.д., соответственно это позволит экономить электроэнергию. Проведение ремонта устройства для реализации двухтактного способа подъема продукции с забоя нефтяной скважины возможно непосредственно на промыслах, что увеличивает межремонтный период.
Установки ШГН могут применяться в осложненных условиях эксплуатации - пескопроявляющих скважинах, при наличии в добываемой нефти парафина, при высоком газовом факторе, при откачке коррозийной жидкости, что способствует увеличению добычи нефти.