ГЛУБИННЫЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС
BORE-HOLE PLUNGER PUMP

Изобретение относится к насосной технике, используемой при добыче нефти, в частности к погружным скважинным насосам для подъема пластовой жидкости из глубоких скважин с высоким содержанием солей, агрессивных сред и твердых частиц.
Известна насосная установка для перекачки жидкостей, содержащая емкости, каждая из которых снабжена всасывающим и нагнетательным клапанами, подключенные к всасывающему и нагнетательному трубопроводам, при этом нижняя часть каждой емкости заполнена приводной жидкостью, верхняя часть перекачиваемой жидкостью, а между ними находится слой буферной жидкости (см. авторское свидетельство SU №1023148, кл. F04F 11/00, 15.06.1983).
Однако наличие двух емкостей, независимых друг от друга, а также насоса непрерывного действия с комплексом трубопроводов, клапанов, датчиков и гидроавтоматики, усложняет конструкцию насоса, уменьшает его надежность и делает практически невозможным его применение для подъема жидкости из скважины из-за трудности управления клапанами на потоках приводной и откачиваемой жидкостей. Кроме того, буферная жидкость, состоящая из тех же компонентов, что и приводная и откачиваемая жидкости, быстро перемещается с одной из них и потеряет свойства буферной жидкости.
Известна насосная глубинная установка, содержащая погружной гидроприводной насос с корпусом и приемной камерой, на входе которой установлен всасывающий клапан, а на выходе - нагнетательный клапан, сообщенный со стороны нагнетания с колонной труб, и привод (см. патент RU №2283970, кл. F04B 47/04, 20.09.2006).
Однако наличие насоса двустороннего действия с комплексом трубопроводов, клапанов, датчиков и гидроавтоматики усложняет конструкцию установки, уменьшает ее надежность. Кроме того, к снижению надежности приводит то, что при откачке агрессивных сред и сред, содержащих твердые примеси, поршень непосредственно взаимодействует с перекачиваемой средой.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является глубинный плунжерный насос, содержащий корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб, управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры, при этом между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора (см. патент RU №2232260, опубл. 10.07.2004).
Однако энергия устьевого силового насоса передается через гидравлический канал между внутренней стенкой обсадной колонны и наружной стенкой насосно-компрессорных труб и повышение давления в процессе нагнетания в этом гидроканале отрицательно воздействует на герметичность и целостность обсадной колонны, особенно в старых скважинах, а при утечках приводной жидкости энергия устьевого силового насоса не доходит до плунжера. Кроме того, имеют место потери энергии и при сжатии объема жидкости в гидроканале и расширения внутреннего объема насосно-компрессорных труб, причем в случае наличия газа в приводной жидкости энергия устьевого силового насоса также не дойдет до плунжера. Большие потери энергии будут за счет трения гидроцилиндра с обсадной колонной с разрушением стенки последней.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции глубинного плунжерного насоса при одновременном исключении контакта перекачиваемой жидкости с плунжером и цилиндром глубинного плунжерного насоса.
Технический результат заключается в повышении надежности работы глубинного плунжерного насоса и увеличении межремонтного ресурса работы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что глубинный плунжерный насос содержит корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры, при этом между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора, в управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный посредством штока с колонной штанг, а верхняя часть плунжера размещена в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, и заполненной разделительной жидкостью, отделенной от находящейся в колонне насосно-компрессорных труб перекачиваемой жидкости свободно перемещающимся разделителем, уплотненным относительно внутренней стенки корпуса и штока соответственно наружным и внутренним кольцевыми уплотнениями.
В качестве приводной и разделительной жидкостей может быть применена смазывающая жидкость, например минеральное масло.
Пространство над свободно перемещающимся разделителем ниже места сообщения насосной камеры с колонной труб предпочтительно частично заполнено буферной жидкостью.
В качестве буферной жидкости могут быть использованы ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с перекачиваемой и приводной жидкостями или гель, имеющие удельный вес выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей.
Внутренняя поверхность разделительной камеры и наружная поверхность штока, по которым перемещается разделитель, предпочтительно отполированы.
Внутренняя поверхность разделительной камеры и наружная поверхность штока, омываемые буферной жидкостью, размещенной над разделителем, предпочтительно покрыты материалом, не смачивающимся буферной жидкостью.
На колонне штанг и/или штоке выше уровня буферной жидкости может быть установлен центратор.
При проведении исследований было выявлено, что выполнение приемной камеры насоса в виде двух камер - насосной и управляющей, разделенных в нижней части гидрозатвором, заполненным буферной жидкостью с удельным весом выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей (в частности ртутью, раствором бромида цинка - бромида кальция и др.), позволяет перекачивать сильно загрязненные жидкости с большим содержанием твердых частиц и агрессивные среды. Наличие в гидрозатворе не смешиваемой с откачиваемой и приводной жидкостями буферной жидкости в виде жидкости или геля с большим удельным весом исключает попадание перекачиваемой жидкости и ее ингредиентов из насосной камеры в буферную жидкость, а следовательно, и в приводную жидкость. Наличие разделительной жидкости, которая одновременно является смазывающей жидкостью, над верхней частью плунжера, но отделенной от перекачиваемой жидкости подвижным герметичным разделителем, устраняет контакт перекачиваемой жидкости с плунжером, а наличие над подвижным разделителем дополнительного объема тяжелой буферной жидкости предотвращает попадание перекачиваемой жидкости и ее ингредиентов в разделительную жидкость, а также на участки поверхности штанги и внутренней цилиндрической поверхности, по которым движется подвижный разделитель, что, в свою очередь, уменьшает износ уплотнений и увеличивает срок службы насоса.
Глубинный плунжерный насос позволяет работать с высоковязкими нефтями, что расширяет возможности использования парка станков-качалок. Насос может работать при меньшем поступлении откачиваемой жидкости, чем производительность насоса, вплоть до полного отсутствия откачиваемой жидкости и работы насоса «всухую» без его повреждений и перегрева. При потере буферной жидкости гидроприводной насос продолжит работу в режиме обычного плунжерного насоса. Вышеперечисленные преимущества предлагаемого насоса позволяют намного увеличить надежность и межремонтный период насоса, а также расширяют области его применения.
На чертеже схематически представлен продольный разрез глубинного плунжерного насоса.
Глубинный плунжерный насос содержит корпус 1, насосную камеру 2 с всасывающим клапаном 3 и сообщенную при помощи нагнетательного клапана 4 с колонной насосно-компрессорных труб 5, управляющую камеру 6 с приводной жидкостью 7, отделенную при помощи перегородки 8 от насосной камеры 2. Между насосной камерой 2 и управляющей камерой 6 образована полость, заполненная буферной жидкостью 9 с образованием гидрозатвора. В управляющей камере 6 своей нижней частью расположен плунжер 10, соединенный посредством штока 11 с колонной штанг 12, а верхняя часть плунжера 10 размещена в разделительной камере 13, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром 14 с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением 15, охватывающим плунжер 10, и заполненной разделительной жидкостью 16, отделенной от находящейся в колонне насосно-компрессорных труб 5 перекачиваемой жидкости свободно перемещающимся разделителем 17, уплотненным относительно внутренней стенки корпуса 1 и штока 11 соответственно наружным 18 и внутренним 19 кольцевыми уплотнениями.
В качестве приводной 7 и разделительной 16 жидкостей может быть применена смазывающая жидкость, например минеральное масло.
Пространство над свободно перемещающимся разделителем 17 ниже места сообщения насосной камеры 2 с колонной насосно-компрессорных труб 5 предпочтительно частично заполнено буферной жидкостью 20.
В качестве буферной жидкости 9 и 20 могут быть использованы ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с перекачиваемой и приводной жидкостями или гель, имеющие удельный вес выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей.
Внутренняя поверхность разделительной камеры 13 и наружная поверхность штока 11, по которым перемещается разделитель 17, предпочтительно отполированы.
Внутренняя поверхность разделительной камеры 13 и наружная поверхность штока 11, омываемые буферной жидкостью 20, размещенной над разделителем 17, предпочтительно покрыты материалом, не смачивающимся буферной жидкостью 20.
На колонне штанг 12 и/или штоке 11 выше уровня буферной жидкости 20 может быть установлен центратор 21.
В начале всасывания откачиваемой жидкости из скважины (не показана) в управляющей камере 6 находится фиксированный и неизменный объемы приводной жидкости 7 и буферной жидкости 9 и минимальный объем откачиваемой жидкости, т.к. плунжер 10 находится в своей низшей точке. Свободно перемещающийся разделитель 17 и буферная жидкость 20 над плунжером 10 также находятся в свой низшей точке. По мере перемещения колонны штанг 12 вместе со штоком 11 и плунжером 10 вверх увеличивается объем насосной камеры 2, что приводит к открытию всасывающего клапана 3, через который откачиваемая жидкость начинает поступать в насосную камеру 2 из скважины. При этом свободно перемещающийся разделитель 17 и буферная жидкость 20 над плунжером 10 также перемещаются вверх вместе с плунжером 10. При достижении плунжером 10 своей верхней точки перемещения заполнение насосной камеры 2 откачиваемой из скважины жидкостью прекращается, закрывается всасывающий клапан 3, и начинается процесс нагнетания.
При нагнетании создаваемым движением колонны штанг 12 вместе со штоком 11 и плунжером 10 объем управляющей камеры 6 уменьшается, и начинается выдавливание приводной жидкостью 7 буферной жидкости 9, а последняя, в свою очередь, давит на откачиваемую жидкость в насосной камере 2, что приводит к открытию нагнетательного клапана 4. Как результат, откачиваемая жидкость из насосной камеры 2 через нагнетательный клапан 4 поступает в колонну насосно-компрессорных труб 5 по выполненному над нагнетательным клапаном 4 обводному каналу 22. Далее по колонне насосно-компрессорных труб 5 откачиваемая из скважины жидкость поступает на поверхность к потребителю откачиваемой из скважины жидкости. При достижении плунжером 10 своей низшей точки перемещения заканчивается цикл нагнетания, и начинается описанный выше следующий цикл всасывания.
Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности при добыче различных жидких сред из скважин.