Скважинная штанговая насосная установка (варианты)
WELL ROD PUMPING ASSEMBLY (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области машиностроения, к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известна штанговая скважинная насосная установка (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М. 1988, с. 22), содержащая соединенный с колонной подъемных труб 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.
Недостатком известного штангового скважинного насоса является снижение уровня жидкости в колонне подъемных труб, например, насосно-компрессорных труб (НКТ), при остановке насоса при неполной герметичности всасывающего клапана. Утечки жидкости из подъемных труб приводят к увеличению энергопотребления, снижению объема добываемой жидкости.
Остановка работы насоса может быть вызвана неполадками привода, а также при периодической эксплуатации скважин. В зависимости от расхода утечек, глубины подвески и продолжительности остановки насоса уровень жидкости в подъемной трубе может опускаться до статического уровня.
Известна штанговая скважинная насосная установка, содержащая соединенный с колонной подъемных труб рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с двумя нагнетательными клапанами в нижней и верхней части плунжера, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан (см. Кн.: Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Учебник для вузов. - М., Недра, 1984, с. 114, рис. V. 5, б).
Оснащение плунжера двумя обратными клапанами позволяет снизить объемные потери вследствие снижения вредного объема цилиндра, а также утечек через нагнетательные клапаны.
Недостатком известного штангового скважинного насоса является снижение уровня жидкости в колонне подъемных труб при остановке насоса при неполной герметичности всасывающего клапана. Утечки жидкости из подъемных труб приводят к увеличению энергопотребления, снижению объема добываемой жидкости.
Нарушение герметичности всасывающего клапана может происходить при попадании механических включений между запорным органом и седлом, износе клапана.
Известна штанговая насосная установка, содержащая цилиндр и полый плунжер, включающие соединенные между собой ступени цилиндра и плунжера большого и малого диаметра с образованием камеры переменного объема между ступенями плунжера, всасывающий клапан, размещенный в нижней части плунжера и нагнетательный клапан, установленный с возможностью разъединения полостей ступеней плунжера (см. патент РФ №2620183, F04B 47|02, опубл. 23.05.2017, бюл. №15).
Недостатком известного насоса является опорожнение жидкости из насосно-компрессорных труб через зазоры между ступенями цилиндра и плунжера при остановке насоса.
Известна скважинная штанговая насосная установка, включающая винтовой насос, содержащий неподвижный статор, соединенный с подъемной трубой, и подвижный ротор, соединенный с вращающейся колонной штанг (см. кн.: Балденко Ф.Д., Кривенков С.В., Протасов В.Н. Монтаж и эксплуатация скважинных штанговых насосных установок. Учебное пособие. - М., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2017, с. 6, рис. 1), который принят за прототип.
Недостатками насосной установки являются опорожнение находящейся жидкости внутри подъемной трубы до статического уровня при остановке насоса вследствие наличия зазора между неподвижной частью (статором) и подвижной частью (ротором). Величина зазора увеличивается в процессе эксплуатации насоса в связи с износом рабочих поверхностей статора и ротора.
Известен насос, содержащий цилиндр, соединенный с подъемной трубой, в котором размещен плунжер, жестко соединенный с колонной штанг, обратный клапан, размещенный в нижней части подъемной трубы, запорный орган которого насажен на нижнюю штангу с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия его опорно-уплотнительной поверхности с седлом, установленным на подъемную трубу, включает корпус, в котором выполнено глухое цилиндрическое углубление с размещенным в нем уплотнительным узлом и крышкой, взаимодействующей с упором (см. патент РФ №2674843, F04B 47/00, F04B 15/00. Насос. Опубл. 13.12.2018, бюл. №35), который принят за прототип.
В известном устройстве запорный орган на верхнюю штангу насажен герметично, и взаимодействует с седлом при ходе колонны штанг вниз, а также при остановке насоса. При этом уплотнительный узел запорного органа постоянно испытывает трение, а нижняя опорно-уплотнительная поверхность и седло постоянно испытывают циклическое нагружение.
Постоянный износ опорно-уплотнительной поверхности корпуса, седла, а также уплотнительного узла штанги не исключают утечки жидкости через обратный клапан при остановке насоса.
Недостатками насосной установки являются утечки жидкости из подъемной трубы через обратный клапан при остановке насоса, что приводит к дополнительным энергетическим затратам на заполнение канала подъемной трубы жидкостью и увеличению простоя скважины.
Технической задачей предлагаемого технического решения являются снижение энергетических потерь и простоя скважины.
Решение технической задачи достигается тем, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей соединенные соответственно с подъемной трубой цилиндр и колонной штанг плунжер насоса, привод для передачи возвратно-поступательного колонне штанг, цилиндр, снабженный сверху соосно установленным патрубком, обратный клапан, установленный выше цилиндра, седло обратного клапана, размещенное в патрубке, а запорный орган установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия седлом, и содержит нижнюю опорную часть и. крышку, при этом в одной из них выполнено глухое цилиндрическое углубление с размещенным в нем уплотнительным узлом, опорная часть снабжена упором, взаимодействующим с крышкой, согласно техническому решению, запорный орган обратного клапана установлен с гарантированным радиальным зазором, крышка установлена с возможностью ограниченного дополнительным упором осевого перемещения относительно нижней опорной части, выполненным в виде бурта или опорной поверхности, образованной расточкой в верхней части цилиндрического углубления нижней опорной части.
Запорный орган установлен на штанге.
В случае выполнения насосной установки с дифференциальным штанговым насосом, запорный орган установлен на плунжере.
Решение технической задачи достигается тем, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей соединенные соответственно с подъемной трубой статор и вращающуюся колонну штанг, соединенную с ротором насоса, привод для передачи вращательного движения колонне штанг, статор, сверху снабженный соосно установленным патрубком, обратный клапан, установленный выше статора, седло обратного клапана размещено в патрубке, а запорный орган установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия седлом, и содержит нижнюю опорную часть и крышку, при этом в одной из них выполнено глухое цилиндрическое углубление с размещенным в нем уплотнительным узлом, опорная часть снабжена упором, взаимодействующим с крышкой, согласно техническому решению, запорный орган обратного клапана установлен с гарантированным радиальным зазором, крышка установлена с возможностью ограниченного дополнительным упором осевого перемещения относительно нижней опорной части, выполненным в виде бурта или опорной поверхности, образованной расточкой в верхней части цилиндрического углубления нижней опорной части.
Уплотнительный узел в цилиндрическом углублении установлен с гарантированным натягом относительно его боковой поверхности.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема скважинной штанговой насосной установки;
На фиг. 2 - узел обратного клапана насосной установки;
На фиг. 3 - вариант исполнения обратного клапана;
На фиг. 4 - схема оснащения дифференциального штангового насоса предлагаемым обратным клапаном;
На фиг. 5 - схема скважинной штанговой винтовой насосной установки.
Скважинная штанговая насосная установка содержит цилиндр 1 (см. фиг. 1), соединенный, например, посредством патрубка 2, с подъемной трубой 3. Внутри цилиндра 1, например, с небольшим зазором, установлен полый плунжер 4, в нижней части которого размещен нагнетательный клапан 5. В нижней части цилиндра 1 установлен всасывающий клапан 6 с образованием рабочей полости 7 насоса. Плунжер 4 соединен с колонной штанг 8.
Патрубок 2 с цилиндром 1 и подъемной трубой 3 соединен, например, посредством муфт (на фиг. не указаны).
Например, штанга 9 колонны штанг 8 снабжена насаженным на нее запорным органом 10 обратного клапана (фиг. 2) с центральным отверстием 11. Запорный орган 10 на штанге 9 установлен с гарантированным зазором (на фиг. не указан), и содержит нижнюю опорную часть 12 и крышку 13.
В нижней опорной части 12 и крышке 13 выполнены ответно друг другу глухое цилиндрическое углубление 14 или выступ 15 с образованием между торцовыми поверхностями углубления 14 и выступа 15, и боковыми поверхностями углубления 14 и штанги 9 полости 16 переменного объема. В полости 16 между торцовыми поверхностями углубления 14 и выступа 15 размещен уплотнительный узел, включающий, например, нижнее 17, верхнее 18 упорные кольца и среднее уплотнительное кольцо 19. Крышка 13 установлена с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно опорной части 12.
Уплотнительное кольцо 19 выполнено из эластичного материала, например, из резины, а нижнее 17 и верхнее 18 кольца - из более твердого материала с низким коэффициентом трения, например, из фторопласта.
Осевое перемещение крышки 13 ограничено упорами 20 и 21, выполненными, например, соответственно в виде бурта ниже цилиндрического выступа 15 в опорной части 12, и штифтов. Штифты 21 установлены, например, в глухих радиальных отверстиях (на фиг. не указаны), выполненных, например, в опорной части 12 с одинаковым угловым расстоянием между собой. В крышке 13, напротив штифтов 21, выполнены сквозные продольные пазы 22, высота которых больше диаметра штифтов 21. Разность высоты пазов 22 и диаметра штифта 21 больше максимального расстояния между торцом крышки 13 и буртом 20.
Часть внутренней боковой поверхности переходника 2, ниже запорного органа 10, выполнено, например, конической, на которую насажено выполненное ответно запорному органу 10 седло 23 обратного клапана с возможностью взаимодействия с опорно-уплотнительной поверхностью 24 опорной части 12, выполненной, например, сферической. Уплотнительная поверхность 25 седла 23 может быть выполнена конической. При этом угол между конической поверхностью и вертикалью принимается больше угла трения, составляющего 10-12°.
В патрубке 2, выше конической поверхности, например, выполнена цилиндрическая расточка с образованием кольцевой опорной поверхности 26, а в седле 23, ответно ей, выполнен бурт 27 с возможностью его взаимодействия с опорной поверхностью 26.
Кольца 17, 18 и 19 относительно штанги 9 установлены с гарантированным зазором (на фиг. не указан), а в цилиндрическом углублении 14 могут быть установлены с небольшим натягом.
Максимальное расстояние между торцами углубления 14 и выступа 15 меньше суммарной высоты колец 17, 18 и 19 для обеспечения небольшого предварительного их поджатия.
Зазор между сопрягаемыми боковыми поверхностями углубления 14 и выступа 15 может быть герметизирован уплотнительным кольцом 28, установленным, например, в кольцевой канавке (на фиг. не указана) крышки 13.
Штанга 9 может быть выполнена с высокой точностью и с полированной поверхностью.
Глухое цилиндрическое углубление 14 (фиг. 3) может быть выполнено в нижней опорной части 12. Крышка 29 выполнена в виде кольцевой пластины, а упор 20 - в виде пружинного разрезного кольца. Упор 21 выполнен в виде горизонтальной кольцевой поверхности, образованной расточкой большего диаметра (на фиг. не указана) в верхней части углубления 15.
Насосная установка может оснащаться дифференциальным штанговым насосом, включающим цилиндры малого 30 (фиг. 4) и большого 31 диаметра, соединенные переводником 32. В цилиндры 30 и 31 с гарантированным зазором установлены соответственно плунжеры малого 33 и большого 34 диаметра, соединенные переводником 35, с образованием камеры 36 переменного объема между переводниками 32 и 35. Например, в нижней части плунжера 34 установлен всасывающий клапан 6, а в плунжере 33 - нагнетательный клапан 5 с образованием рабочей полости 7 и с возможностью разобщения внутренних полостей (на фиг. не указаны) плунжеров 33 и 34.
В верней части цилиндр 30 снабжен соосно установленным патрубком 2, внутренний диаметр нижней части которого, например, равен диаметру цилиндра 30. На плунжер 33 с гарантированным зазором (на фиг. не указан) насажен запорный орган 10 обратного клапана, в котором упор 20 крышки 29 выполнен в виде гайки. В верхней части патрубка 2 выполнена цилиндрическая расточка (на фиг. не указана) большего диаметра. Например, в расточке патрубка 2, ответно опорной части 12 запорного органа 10, выполнено седло 37 с конической упорно-уплотнительной поверхностью (на фиг. не указана).
В переводнике 35 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 38, сообщающее рабочую полость 7 с камерой 36 переменного объема.
Дифференциальный насос опущен, например, в насосно-компрессорные трубы 3.
Скважинная штанговая винтовая насосная установка (фиг. 5) включает неподвижную часть статор 39, соединенную с подъемной трубой (НКТ) 3 посредством патрубка 2. Подвижная часть винтового насоса, ротор 40, например, посредством кулачковой муфты 41 соединен с штангой 9 вращающейся колонны штанг 8. Запорный орган 10 с центральным сквозным цилиндрическим отверстием насажен на штангу 9.
Часть внутренней боковой поверхности патрубка 2, ниже запорного органа 10 (см. фиг. 3), выполнено, например, конической, на которую насажено ответно выполненное седло 23 обратного клапана с возможностью взаимодействия с опорно-уплотнительной поверхностью 24 опорной части 12.
В патрубке 2, выше конической поверхности, например, выполнена цилиндрическая расточка с образованием кольцевой опорной поверхности 26, а в седле 23, ответно ей, выполнен бурт 27 с возможностью его взаимодействия с опорной поверхностью 26.
На штангу 9 ниже седла 23 может быть насажен центратор 42.
Опорная часть 12 запорного органа 10 может быть также снабжена центратором 43 для обеспечения соосности колонны штанг и подъемной трубы, а также точной посадки запорного органа 10 на седло 23.
Спуск и подъем насоса осуществляется следующим образом.
Если насос трубный (фиг. 1), цилиндр 1 спускается с подъемной трубой 3. При спуске плунжера 4 над ним на штангу 9 насаживается седло 23, затем запорный орган 10. В конце спуска колонны штанг 8 с плунжером 4, седло 23 сажается на ответно выполненную коническую поверхность (на фиг. не указана) в патрубке 2.
При подъеме колонны штанг 8 отрыв седла 23 от переходника осуществляется под действием плунжера 4. При выполнении в патрубке 2 и седле 23 ответно друг другу опорной поверхности 26 и бурта 27, значительная осевая нагрузка, действующая на запорный орган 10, воспринимается ими. Это существенно снижает усилие на отрыв седла 23.
Спуск вставного дифференциального наоса (фиг. 4) осуществляется колонной штанг (на фиг. не показана) в собранном виде.
Спуск и подъем колонны штанг 8 с ротором 40 (фиг. 5) осуществляется аналогичным образом.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 4 находится в нижнем положении (фиг. 1) и осуществляется цикл всасывания. Нагнетательный клапан 5 закрыт, а всасывающий клапан 6 открыт. При движении плунжера 4 вверх давление в рабочей полости 7 снижается. Жидкость, например, из пласта, (на фиг. не показан) через клапан 6 поступает в рабочую полость 7. При ходе плунжера 4 вверх, при цикле всасывания и нагнетания, жидкость поднимется по каналу подъемной трубы 3. Под действием перепада давления запорный орган 10 обратного клапана приподнят над седлом 23. Так как запорный орган 10, а также кольца 17-19 относительно штанги установлены с гарантированным зазором, между запорным органом 10 и штангой 9 имеет место только жидкостное трение.
При ходе плунжера 4 вниз клапан 5 открывается, а всасывающий клапан 6 закрывается. Объем рабочей полости 7 уменьшается, и жидкость через клапан 5 перетекает в полость (на фиг. не указана) между клапанами 5 и 10. Часть жидкости из указанной полости, вытесняемой объемом опускаемой части штанги 9, через обратный клапан при приподнятом запорном органе 10 перетекает в канал подъемной трубы 3 (на фиг. не указан).
Таким образом, при движении колонны штанг 8 вверх и вниз запорный орган 10 обратного клапана всегда приподнят над седлом 23. При этом отсутствует контакт запорного органа 10 со штангой 9, чем исключается трение и износ штанги 9 и уплотнительного кольца 19 запорного органа 10.
При остановке насоса всасывающий 6 и нагнетательный 5 клапаны закрываются. Под действием веса запорный орган 10 также опускается на седло 23. При наличии утечек жидкости через всасывающий клапан 6 жидкость из рабочей полости 7 начинает перетекать обратно в скважину. Со снижением давления в полости 7 плунжер 4 опускается вниз, снижая давление под запорным органом 10 через гарантированный зазор (на фиг. не указан) между кольцами 17-19 и штангой 9. Крышка 13 под действием перепада давления опускается вниз, сжимая уплотнительное кольцо 19. При осевом сжатии кольца 19 его внутренний диаметр уменьшается, и обжимает штангу 9. При значительной глубине подвески насоса, когда давление столба жидкости на запорным органом высокое, нижний торец (на фиг. не указан) крышки 13 может взаимодействовать с упором 20, предотвращая чрезмерное нагружение уплотнительного кольца 19. При смещении крышки 13 вниз нижние стенки (на фиг. не указаны) пазов 22 отходят от штифтов 21.
В дальнейшем давление жидкости под запорным органом 10 обратного клапана выравнивается со скважинным давлением. А внутренний канал подъемной трубы 3 остается заполненной полностью.
При обратном включении насоса в работу подача жидкости на поверхность возобновляется сразу.
Ход крышки 13 выбирается из условия полного заполнения расширяющимся в радиальном направлении уплотнительным кольцом 19 зазора между ним и штангой 9.
Разность высоты радиальных сквозных пазов 22 и диаметра штифтов 21 выбирается больше хода крышки 13 с целью исключения восприятия осевой нагрузки штифтами 21 и исключения чрезмерной деформации уплотнительного кольца 19.
Работа запорного органа 10 (фиг. 3), в котором глухое цилиндрическое углубление 15 выполнено в нижней опорной части 12, аналогична. При посадке запорного органа 10 на седло 23, с уменьшением давления под ним, крышка 29 смещается вниз, сжимая кольца 17-19.
Таким образом, оснащение скважинной штанговой насосной установки обратным клапаном, запорный орган которого насажен на нижнюю штангу, обеспечивает исключение утечек жидкости из подъемной трубы при остановках насоса при нарушении герметичности всасывающего клапана.
При ходе плунжеров 33 и 34 вниз (фиг. 4), с увеличением объема камеры 36 давление в ней снижается. Всасывающий клапан 6 открыт, а нагнетательный 5 - закрыт. Опорная часть 12 запорного органа 10 под действием его веса взаимодействует с седлом 37. Часть жидкости из колонны НКТ 3 через зазоры (на фиг. не показан) между плунжером 33 и запорным органом 10, а также цилиндром 30 начинает перетекать в камеру 36. Далее, под действием перепада давления, верхнее кольцо 18 перемещается вниз, деформируя эластичное уплотнительное кольцо 19. С уменьшением высоты уменьшается внутренний диаметр кольца 19, герметизируя зазор между плунжером 33 и запорным органом 10.
Величина зазора между запорным органом 10 и плунжером 33 сопоставима с зазором между плунжером 33 и цилиндром 30. Из-за небольшой высоты запорного органа по сравнению с длиной цилиндра 30 перепад давления в запорном органе 10 составляет незначительную долю суммарного перепада давления. Вследствие этого контактное давление в уплотнительном кольце 19 также незначительное. Поэтому малы сила трения и износ уплотнительного кольца 19 запорного органа 10. При движении плунжеров 33 и 34 вверх, всасывающий клапан 6 закрывается, а нагнетательный 5 - открывается.
Далее цикл повторяется.
При остановке дифференциального насоса (фиг. 4) запорный орган 10 герметизирует зазор между плунжером 33 и цилиндром 30, предотвращая опорожнение жидкости из колонны НКТ.
При работе винтового насоса (фиг. 5) запорный орган 10 находится в приподнятом над седлом 23 положении. При остановке насоса запорный орган 10 опускается на седло 23. Так как между статором 39 и ротором 40, как правило, имеется зазор, и жидкость из полости (на фиг. не указана) между насосом и обратным клапаном 10 обратно перетекает в скважину. Далее, под действием перепада давления уплотнительное кольцо 19 герметизирует зазор между ним и штангой 9, и предотвращается опорожнение жидкости из колонны НКТ 3 обратно в скважину.
Кулачковая муфта 41 и центратор 42 обеспечивают вращение штанги 9 и колонны штанг 8 без радиального биения. При оснащении запорного органа 10 дополнительным центратором 43 обеспечивается точность посадки запорного органа 10 на седло 23.
Таким образом, оснащение скважинной штанговой насосной установки обратным клапаном, запорный орган которого насажен на штангу с гарантированным зазором, обеспечивает исключение утечек жидкости из подъемной трубы (НКТ) при остановках винтового насоса. Кроме того, возможен контроль герметичности колонны НКТ после спуска насоса.
При оснащении дифференциального насоса, в котором жидкость в колонне НКТ постоянно сообщается с входом насоса через зазоры между ступенями цилиндра и плунжера, возможно проведение опрессовки колонны НКТ, а также исключение утечек жидкости через зазоры между ступенями плунжера и цилиндра при остановке насоса. Кроме того, обратный клапан позволяет снизить утечки жидкости через зазоры между цилиндром и плунжером малого диаметра при ходе плунжеров вниз.