КЛАПАН ОБРАТНЫЙ ГЛУБИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтедобывающему оборудованию и может быть использована при добыче нефтесодержащей пластовой жидкости с помощью глубинного штангового насоса, оснащенного всасывающим и нагнетательным клапанами.
Известен клапан обратный, который может быть использован в качестве как всасывающего, так и нагнетательного клапана глубинного штангового насоса (патент РФ № 2317461, F16K 15/00, F16K 17/12, дата публикации 20.02.2008 г.), содержащий корпус с проходным каналом, в котором размещены клетка, седло и взаимодействующий с седлом запорный орган с направляющей, посадочной и хвостовой частью. Запорный орган выполнен в виде двух соединенных между собой шаров, нижний шар - перекрывающий клапан выполнен из упругого полимерного материала для взаимодействия с соответствующей поверхностью седла, выполненного внутри упругой полимерной клетки с боковыми ребрами и каналами между ними для протока перекачиваемой среды, а верхний шар - балластный выполнен металлическим или полимерным и воздействует своим весом на перекрывающий шар для преодоления сопротивления вязкой жидкости при закрытии клапана.
Недостатками известного клапана являются:
ограниченные функциональные возможности работы клапана ввиду невозможности работы клапана в наклонно-направленных скважинах, так как при движении составного запорного органа к седлу действия потока жидкости не достаточно для преодоления силы трения запорного органа, препятствующей продвижению его к седлу. В результате этого при движении запорного органа к седлу в наклонно-направленной скважине происходит «зависание» запорного органа клапана, остановка его в промежуточном положении, что приводит к отказу работы клапана;
сложность устройства и низкая надежность, связанная с выполнением запорного органа сборным с направляющей, посадочной и хвостовой частью, а также наличием клетки в составе клапана;
выполнение запорного органа в виде двух соединенных между собой шаров вызывает повышенное гидравлическое сопротивление протеканию жидкости как при открытии, так и при закрытии клапана, что повышает энергетические затраты на перекачку жидкости штанговым глубинным насосом.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленной полезной модели является клапан всасывающий глубинного штангового насоса (патент РФ № 2258836, F04B 47/00, F04B 53/10, дата публикации 20.08.2005 г.), взятый в качестве прототипа, содержащий корпус, в котором установлено седло с его держателем, запорный элемент, выполненный в виде шара, верхний ограничитель с проходными отверстиями для прохода жидкости, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения в пределах рабочего хода клапана, направляющие запорного элемента и боковые продольные выемки для прохождения добываемой жидкости, выполненные на боковой поверхности клапанной полости. На корпусе клапана выполнены выступы для взаимодействия с опорными ушками верхнего ограничителя.
Недостатками известного всасывающего клапана являются:
ограниченные функциональные возможности работы всасывающего клапана ввиду невозможности работы клапана в наклонно-направленных скважинах из-за смещения запорного элемента относительно оси седла под действием силы тяжести при работе в наклонно-направленных  скважинах (отсутствия положения «закрыто» клапанной пары шарик-седло);
низкая надежность работы подвижного ограничителя с опорными ушками ввиду заклинивания его в процессе работы в боковых продольных выемках в следствии попадания в зазоры между отверстием корпуса клапана и движущимся ограничителем частиц механических примесей;
повышенное гидравлическое сопротивление протеканию жидкости, вызванное изменением направления потока жидкости, обтекающего шар, при прохождении отверстий ограничителя, имеющих оси, параллельные оси клапана.
Задача полезной модели - разработка клапана обратного, способного работать в наклонно-направленных скважинах и выполнять функции как всасывающего, так и нагнетательного клапана глубинного штангового насоса.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении надежности и расширении функциональных возможностей клапана.
Технический результат достигается тем, что в клапане обратном глубинного штангового насоса, содержащем седло с его держателем, запорный элемент, выполненный в виде шара, ограничитель с отверстиями для прохода жидкости, направляющие запорного элемента и боковые продольные выемки для прохождения добываемой жидкости, выполненные на боковой поверхности клапанной полости, согласно полезной модели между ограничителем и шаром установлена коническая пружина, при этом конец пружины с большим диаметром установлен на шаре, конец пружины с меньшим диаметром установлен в выступе ограничителя.
Выполнение в клапане пружины конической позволяет уменьшить продольный габарит (длину) клапана, так как при сжатии конической пружины витки большего диаметра охватывают витки меньшего диаметра, что уменьшает высоту (длину) конической пружины в сжатом состоянии, а уклон боковой поверхности пружины от запорного элемента к ограничителю создает благоприятные условия для протекания жидкости между седлом и ограничителем, при этом площадь пропускного сечения для пропуска жидкости при движении запорного элемента как от седла к ограничителю, так и в обратном направлении от ограничителя к седлу остается неизменной.
Технический результат достигается также тем, что ограничитель выполнен за одно целое с корпусом клапана, что повышает надежность работы клапана.
Выполнение отверстий для прохода жидкости в ограничителе цилиндрическими и расположенными под утлом к продольной оси корпуса позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление потоку жидкости, обтекающему запорный элемент и продолжающему движение без изменения направления движения по проходным отверстиям ограничителя, что в целом снижает энергетические затраты на прохождение жидкости через клапан.
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения клапана обратного штангового насоса.
На фиг. 1 приведен общий вид клапана обратного глубинного штангового насоса, на фиг. 2 - пример применения клапана обратного в качестве нагнетательного и всасывающего клапанов в глубинном плунжерном насосе.
Клапан обратный глубинного штангового насоса содержит корпус 1, в ступенчатом отверстии которого установлено седло 2 с помощью держателя 3, запорный элемент, выполненный в виде шара 4, размещенный между седлом 2 и ограничителем 5, выполненным за одно целое с корпусом 1 клапана. Между шаром 4 и ограничителем 5 установлена коническая пружина 6, при этом конец пружины 6 с большим диаметром установлен на шаре 4, а конец пружины 6 с меньшим диаметром установлен в выступе 7 ограничителя 5. В ограничителе 5 выполнены отверстия 8 для прохода жидкости, оси которых расположены под углом к продольной оси корпуса. В корпусе 1 выполнены направляющие 9 для перемещения шара 4 и боковые продольные выемки 10 для прохода добываемой жидкости.
В собранном виде клапан обратный соединяют, например, через резьбовое соединение с плунжером 11, размещенным в цилиндре 12 штангового насоса (фиг. 2), если клапан 13 нагнетательный, или, например, с корпусом 14 штангового насоса, если клапан 15 всасывающий.
Устройство работает следующим образом.
В исходном положении клапан 13 нагнетательный и клапан 15 всасывающий закрыты, насос заполнен жидкостью. При включении насоса плунжер 11 совершает перемещения в цилиндре 12, закрепленном в корпусе 14 штангового насоса.
При движении плунжера 11 вверх (фиг. 1 и 2) выкачиваемая жидкость (нефть) из скважины по насосно-компрессорным трубам (НКТ) поднимается на устье скважины, клапан 13 нагнетательный закрыт, так как на запорный элемент 4 действует усилие конической пружины 6, дополнительно воздействует давление в нефтесборе. При этом создается перепад давления между давлением жидкости в подплунжерной полости и давлением жидкости, находящейся в скважине. В следствии этого запорный элемент 4 всасывающего клапана 15 отходит от седла 2, сжимая при этом пружину 6, и подплунжерная полость цилиндра 12 насоса заполняется добываемой жидкостью.
При движении плунжера штангового насоса вниз всасывающий клапан 15 закрывается в следствии силового воздействия сжатой конической пружины 6 на шар 4, который садится на седло 2. При этом в подплунжерной полости создается большее давление, чем в надплунжерной полости, нагнетательный клапан 13 открывается и нефть через продольные выемки 10, огибая шар 4 нагнетательного клапана 13, через отверстия 8 ограничителя 5 поступает в НКТ. Периодически совершаемые плунжером 11 перемещения вверх и вниз обеспечивают откачку пластовой жидкости из скважины на поверхность.
Применение заявленного клапана обратного в качестве как всасывающего, так и нагнетательного клапана в составе глубинного штангового насоса позволяет повысить надежность работы клапана обратного в наклонно-направленных скважинах.