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. Пат. РФ №2487271, МКП F04B 53/10, F04B 47/00, 2013 г.), 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.
Целью предлагаемого технического решения является повышение объемной подачи путем увеличения площади прохода седла и снижения запаздывания открытия всасывающего клапана.
Указанная цель достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с центральным отверстием в днище с образованием бурта, седло всасывающего клапана, имеющее возможность взаимодействия с буртом, и запорным органом, выполненным в виде втулки с верхним буртом с возможностью перекрывания радиальных отверстий, выполненных в нижней части цилиндра, плунжер с нагнетательным клапаном в нижней части, согласно техническому решению, плунжер в нижней части снабжен горловиной меньшего диаметра с образованием кольцевого пространства поверхностью цилиндра, седло всасывающего клапана выполнено ответно центральному отверстию и размещено с возможностью перекрытия последнего, подпружинено относительно бурта упругим элементом и установлено с возможностью ограниченного упором осевого перемещения, в нижней части цилиндра выше радиальных отверстий выполнено верхнее седло всасывающего клапана в виде бурта с возможностью взаимодействия с буртом втулки, при этом плунжер установлен с возможностью образования двух камер переменного объема, верхней - боковыми поверхностями цилиндра, горловины, торцами плунжера и втулки, и нижней камеры - боковыми поверхностями втулки, горловины, торцом седла и запорным органом нагнетательного клапана.
Опорно-уплотнительная поверхность бурта втулки выполнена сферической.
Верхняя торцовая поверхность седла всасывающего клапана выполнена выпуклой.
Верхняя торцовая поверхность седла всасывающего клапана выполнена сферической.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема скважинного штангового насоса;
На фиг. 2 - фрагмент насоса в начале цикла всасывания.
Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1 (см. фиг. 1), например, полый плунжер 2 со сквозным каналом 3, в нижней части плунжер 2 снабжен седлом 4 и запорным органом 5 нагнетательного клапана с возможностью перекрытия проходного центрального отверстия 6 седла 4 с образованием рабочей полости 7 насоса. Плунжер 2 в нижней части снабжен горловиной 8 с меньшим наружным диаметром с возможностью образования открытой снизу кольцевого пространства 9.
В днище цилиндра 1 выполнено сквозное центральное отверстие 10 с образованием бурта 11, в которое установлено седло 12 всасывающего клапана. В нижней части цилиндра 1, выше седла 12, выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 13 круглого или овального сечения.
Запорный орган 14 всасывающего клапана выполнен в виде втулки с верхним буртом 15, ответно кольцевому пространству 9 и имеющей возможность ограниченного осевого перемещения вдоль цилиндра 1. В нижней части цилиндра 1, выше отверстий 13, выполнено верхнее седло 16 всасывающего клапана в виде бурта, например, с конической опорно-уплотнительной поверхностью.
Запорный орган 14 всасывающего клапана установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения упором 17, а также верхним седлом 16 и седлом 12, и перекрытия радиальных отверстий 13. Упор 17 выполнен, например, с возможностью взаимодействия с верхней стенкой радиальных отверстий 13, например, в виде штифтов.
Запорный орган 14 установлен с возможностью образования верхней камеры 18 (фиг. 2) переменного объема между боковыми поверхностями цилиндра 1, горловины 8 плунжера 2 и торцом втулки 14.
Седло 12 установлено, например, с гарантированным радиальным «а» и осевым «в» зазорами относительно боковой поверхности отверстия 10 седла 12 и бурта 11, а также с возможностью ограниченного осевого перемещения между буртом 11 и упором 19, выполненным, например, в виде разрезного пружинного кольца.
Между седлом 12 и буртом 11 установлен, например, упругий эластичный элемент 20.
Наружный диаметр горловины 8 плунжера выполнен ответно внутреннему диаметру запорного органа (втулки) 14 с гарантированным зазором (фиг. 2) с образованием нижней камеры 21 переменного объема внутренними боковыми поверхностями втулки 14 и горловины 8 между запорным органом 5 нагнетательного клапана и седлом 12 всасывающего клапана.
1
Верхняя поверхность седла выполнена выпуклой, например, со сферической поверхностью радиусом R, а ответно выполненная нижняя торцовая поверхность втулки 14 - конической.
2
Опорно-уплотнительная поверхность бурта 15 втулки, выполнена, например, сферической радиусом R.
Плунжер 1 соединен с приводом, выполненным, например, в виде колонны штанг 22.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 1 (Фиг. 1) перемещается вниз и канал 3 плунжера заполняется жидкостью через канал 6 нагнетательного клапана при приподнятом над седлом 4 запорном органе 5. Втулка 14 находится в крайнем нижнем положении с возможностью перекрытия радиальных отверстий 13 и взаимодействия бурта 15 и нижнего торца (на фиг. не указан) втулки 14 с верхним 16 седлом и седлом 12 всасывающего клапана. Давление в рабочей полости 7, в канале 3 плунжера 2 равно давлению нагнетания. Упругий элемент 20 под действием усилия от перепада давления на седло 12 деформируется с уменьшением осевого зазора между седлом 12 и буртом 11 от максимальной величины «в» до величины «е». При этом упор 19 седла 12 отдвигается от нижнего торца бурта 11 на величину «к» так, что в=е+к. Максимальная величина осевого зазора «в» между седлом 12 и буртом 11 определяется точностью изготовления посадочных поверхностей втулки 14, и не превышает 0,1-0,2 мм.
При дальнейшем движении плунжера 2 вниз горловина 8 заходит во внутрь втулки 14 с образованием верхней 18 (фиг. 2) и нижней 21 камер переменного объема. Жидкость из камеры 18 через гарантированный зазор между горловиной 8 и втулкой 14 перетекает в рабочую полость 7.
При достижении плунжера нижней мертвой точки запорный орган 5 опускается на седло 4 и перекрывает проход 6 седла 4.
При движении плунжера 2 вверх давление в камерах 18 и 21 снижается. Под действием перепада давления втулка 14 начинает перемещаться вверх за плунжером 2, открывая радиальные отверстия 13. Далее жидкость, например, из пласта, (на фиг. не показан) начинает перетекать в полость 21. Со снижением давления в камерах 18 и 21 седло 12 приподнимается вверх до взаимодействия упора 19 с нижним торцом бурта 11.
При дальнейшем движении плунжера 2 и втулки 14 упор 17 взаимодействует с верхней боковой стенкой отверстия 13, и останавливается. Далее, с движением плунжера 2 вверх горловина 8 выходит из втулки 14, жидкость из пласта через радиальные отверстия 13 заполняет увеличивающуюся рабочую полость 7. При этом скорость плунжера 2 близка к максимальной величине. Под действием перепада давления между рабочей полостью 7 и на входе в отверстия 13 втулка 14 находится в верхнем положении, с обеспечением взаимодействия упора 17 с поверхностью отверстия 13.
При приближении плунжера 2 в верхнее положение его скорость снижается. Также снижается расход жидкости, перетекающий через отверстия 13. Со снижением перепада давления в отверстиях 13 втулка 14 под действием силы тяжести начинает опускаться вниз. В крайнем верхнем положении плунжера 2 втулка 14 полностью перекрывает проход отверстий 13, и взаимодействует с опорно-уплотнительной поверхностью седла 12. При этом между опорно-уплотнительными поверхностями верхнего седла 15 и бурта 15 остается зазор «к».
При движении плунжера 2 вниз давление в рабочей полости 7 возрастает, под действием усилия от перепада давления седло 12 и втулка 14 перемещаются вниз с обеспечением взаимодействия опорно-уплотнительной поверхности бурта 15 втулки 14 с верхним седлом 16. Под действием перепада давления приподнимается запорный орган 5 над седлом 4, и жидкость из рабочей полости 7 через канал 3 плунжера 2 перетекает в нагнетательную линию (на фиг. не показана) насоса.
При оседании механических частиц, песка на выпуклую поверхность седла 16, они высыпаются через радиальные отверстия 13 наружу.
При движении плунжера 2 вниз на втулку 14 действуют сила тяжести, усилие от перепада давления на наибольшую площадь сечения втулки 14.
Далее цикл повторяется.
Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки 14, 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 14 в нижней части цилиндра между плунжером 2 и цилиндром 1, оснащение в нижней части плунжера горловиной, ответно выполненной втулке 14 с образованием верхней 18 и нижней 21 камер переменного объема позволяют открыть всасывающий клапан в самом начале цикла всасывания.