ВСАСЫВАЮЩИЙ КЛАПАН СКВАЖИННОГО НАСОСА
WELL PUMP SUCTION VALVE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к клапанным устройствам, особенно для насосов для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в т.ч., к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известен клапанный узел штангового скважинного насоса (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М., 1988, с. 22), содержащий седло, запорный орган, выполненный в виде шарика, ограничитель подъема запорного органа.
Недостатками известного клапана являются недостаточная пропускная способность, ресурс работы и запаздывание закрытия. Низкая пропускная способность вызвана уменьшением прохода седла телом шарика. Запаздывание закрытия клапана, особенно при перекачивании жидкости высокой вязкости, связано сужением каналов седла и существенным снижением скорости опускания запорного органа на седло за счет его веса в вязкой среде. Значительное усилие на упорно-уплотнительную поверхность от перепада давления в клапане вызвано тем, что оно определяется диаметром касания шарика с седлом.
Известен всасывающий клапан скважинного погружного насоса, содержащий цилиндр с радиальными отверстиями, втулка, установленная внутри цилиндра с возможностью перекрытия радиальных отверстий (см. Пат. РФ №2487271, МКП F04B 53/10, F04B 47/00, 2013 г.).
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. Кроме того, запорный орган имеет недостаточный ресурс вследствие возникновения циклически повторяющихся изгибных напряжений.
Известен всасывающий клапан скважинного штангового насоса, содержащий корпус с центральным осевым, и как минимум, одним радиальным, сквозными отверстиями, запорный орган, выполненный в виде втулки, в верхней части которой выполнен наружный буртом, в бурте и в нижней части втулка оснащена верхним и нижним уплотнительными поясками, в корпусе, выше и ниже боковых отверстий, ответно уплотнительным пояскам, выполнены упорно-уплотнительные поверхности (см. заявка №2017128265/06(048770) от 07.08.2017 г., МПК F04B 47/00, решение о выдаче патента от 05.06.2018 г.), который принят за прототип.
Недостатками известного устройства являются значительная трудоемкость изготовления и недостаточная надежность работы вследствие значительной трудоемкости обеспечения одновременной посадки уплотнительных поясков втулки на упорно-уплотнительные поверхности корпуса. Кроме того, при износе одной из упорно-уплотнительных поверхностей или поясков клапан подлежит замене.
Целью предлагаемого технического решения является снижение трудоемкости изготовления и повышение надежности работы.
Указанная цель достигается тем, что во всасывающем клапане скважинного насоса, содержащем корпус с центральным осевым отверстием, запорный орган, выполненный в виде втулки, осевое отверстие выполнено двухступенчатое с образованием верхнего и нижнего буртов с выполнением в них упорно-уплотнительных поверхностей, втулка выполнена с наружным верхним буртом ответно центральному отверстию, при этом в бурте и в нижней части втулки выполнены уплотнительные пояски с возможностью одновременного взаимодействия с упорно-уплотнительными поверхностями, в корпусе между буртами выполнено, как минимум, одно радиальное сквозное отверстие, согласно техническому решению, клапан снабжен седлом в виде болта, включающий головку и стержень, и выполненным ответно нижней части центрального отверстия с возможностью образования гарантированного зазора между нижним буртом и головкой, в которой выполнена упорно-уплотнительная поверхность, в нижней части стержня и отверстия выполнены ответно друг другу резьбы с возможностью ограниченного втулкой и нижним буртом корпуса осевого перемещения седла.
Длина стержня болта больше глубины нижней части отверстия ниже нижнего бурта с возможностью выхода ее резьбовой части из центрального отверстия, в которую насажены гайка с контргайкой.
Упорно-уплотнительные поверхности и уплотнительные пояски выполнены с возможностью взаимодействия сопрягаемых пар с образованием расширяющихся в сторону входа клапана кольцевых щелей и их сообщения с радиальными отверстиями.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен общий вид всасывающего клапана;
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
На фиг. 3 - узел Б на фиг. 1;
На фиг. 4 - скважинный штанговый насос с предлагаемым клапаном.
Всасывающий клапан скважинного штангового насоса содержит корпус 1 (фиг. 1 и 2) со сквозным центральным отверстием (на фиг. не указано), в котором установлен выполненный ответно запорный орган 2. Запорный орган 2 выполнен в виде втулки с наружным буртом 3 в верхней ее части. Центральное отверстие корпуса 1 выполнено двухступенчатое с образованием верхнего 4 и нижнего 5 бурта. Ответно нижней части центрального отверстия в корпусе 1 установлено седло 6, выполненное в виде болта, включающего головку 7 и стержень 8.
На верхнем бурте 4 корпуса 1 и головке 7 седла 6 выполнены упорно-уплотнительные поверхности 9 и 10, а в бурте 3 и нижней части втулки 2, соответственно ответно указанным упорно-уплотнительным поверхностям 9 и 10, выполнены уплотнительные пояски 11 и 12.
В корпусе 1, между головкой 7 седла 6 и упорно-уплотнительной поверхностью 9 корпуса выполнено, как минимум, одно радиальное сквозное отверстие 13.
Во втулке 2, ниже бурта 3, выполнены, как минимум, два симметрично расположенные продольные, открытые снизу, паза 14 с образованием продольных щелевых каналов 15 с возможностью их сообщения с отверстиями 13.
С целью увеличения усилия поджима втулки 2 к упорно-уплотнительным пояскам 11 и 12, сопрягаемые поверхности выполняются с возможностью взаимодействия поверхности 9 с пояском 11 по наибольшему их диаметру, а взаимодействия поверхности 10 с пояском 12 - по наименьшему их диаметру. Это достигается тем, что упорно-уплотнительные поверхности 9, 10 и уплотнительные пояски 11, 12 выполнены с возможностью взаимодействия сопрягаемых пар с образованием расширяющихся в сторону входа клапана кольцевых щелей 16 и 17 (фиг. 3) и сообщающихся с радиальными отверстиями 13.
Корпус 1 в верхней части может быть снабжен, например, переходником 18, снабженным упором 19 втулки 2.
Седло 6 установлено с образованием гарантированного зазора (на фиг. не указан) между буртом 5 и нижним торцом головки 7 седла 6.
В нижней части корпуса 1 и стержня 8 болта (седла) 6 выполнены ответно друг другу резьбы (на фиг. не указаны) с возможностью осевого перемещения седла 6.
Седло 6 установлено в корпусе 1 с возможностью выхода части резьбы стержня 8 наружу, на которую навернуты, например, гайка 20 с контргайкой 21.
Седло 6 при помощи резьбовой части стержня 8 устанавливается с возможностью одновременного взаимодействия уплотнительных поясков 11 и 12 с упорно-уплотнительными поверхностями 9 и 10 корпуса 1 и седла 6 в нижнем положении. Втулка 2 установлена также с возможностью взаимодействия верхним торцом с упором 19.
Внутренняя полость 22 втулки 2 и переходника 18 сообщается с рабочей полостью насоса (на фиг. не показаны), которая при подъеме втулки 2 над седлом 6 сообщается с пластовой средой (на фиг. не показана) через боковые сквозные отверстия 13.
С целью обеспечения высокой точности установки втулки резьба стержня 8 и корпуса 1 может быть выполнена мелким шагом.
Скважинный погружной насос может быть оснащен указанным всасывающим клапаном (фиг. 4), включающим корпус 1, запорный орган 2, седло 6. Переводник 18 посредством муфты (на фиг. не указана) может быть соединен с цилиндром 23 насоса, внутри которого установлен плунжер 24 с нагнетательным клапаном 25. Плунжер 24 в верхней части соединен с колонной штанг 26. Втулка 2 и нагнетательный клапан 25 установлен с возможностью образования рабочей полости 27, которая поочередно сообщается с пластовой средой (на фиг. не показана) через боковые отверстия 13, и нагнетательной линией 28.
Сборка и настройка клапана осуществляется следующим образом. В корпус 1 вворачивается седло 6 с расположением упорно-уплотнительной поверхности 10 ниже отверстий 13 до взаимодействия головки 7 с буртом 5. Далее устанавливается втулка 2 с возможностью плотного взаимодействия уплотнительного пояска 11 втулки 2 с упорно-уплотнительной поверхностью 9 корпуса 1. Устанавливается переводник 18.
Удерживая втулку 2 в неподвижном состоянии, с помощью резьбового соединения, стержень 6 приподнимается вверх до плотного прилегания уплотнительного пояска втулки 2 с упорно-уплотнительной поверхностью 12 седла 6.
Герметичность клапана проверяется путем заливки жидкости сверху переводника, в т.ч. под давлением.
Всасывающий клапан работает следующим образом.
Пусть втулка 2 (фиг. 1-3) находится в нижнем положении, с обеспечения взаимодействия уплотнительных поясков 11 и 12 втулки с упорно-уплотнительными поверхностями 9 и 10.
При снижении давления в полости 22 под действием создавшегося перепада давления между окружающей средой и полостью 22 втулка 2 начинает подниматься вверх, сообщая боковые входные отверстия 13 с полостью 22. Жидкость из окружающей среды, например, из пласта, начинает перетекать через отверстия 13, внутренний канал (на фиг. не указан) втулки 2. Выполнение отверстий 13 в виде тангенциальных открытых пазов существенно увеличивает площадь их прохода. Это позволяет снизить до минимума ход втулки 2 для обеспечения достаточной площади прохода.
На пути жидкости, перетекающей через отверстия 13, канал втулки 2 отсутствуют тела, сужающие проход.
Высота подъема втулки определяется перепадом давления в клапане. При значительном перепаде давления втулка 2 может подняться вверх до взаимодействия с упором 19.
При снижении расхода жидкости через отверстия 13 вследствие подъема давления в полости 22 и одновременном снижении перепада давления между окружающей средой и полостью 22, втулка 2 начинает опускаться вниз. При отсутствии движения жидкости через отверстия 13 втулка 2 своими уплотнительными поясками 11 и 12 взаимодействует с упорно-уплотнительными поверхностями 9 и 10, полностью герметизируя полость 22.
С повышением давления в полости 22 втулка 2 под действием усилия от перепада давления на неуравновешенную площадь, определяемую диаметрами касания поясков 11 и 12 с поверхностями 9 и 10, прижимается одновременно к корпусу 1 и седлу 6. Диаметры касания поясков 11 и 12 с поверхностями выбирается исключительно исходя из обеспечения герметичности сопрягаемых узлов. При этом исключается чрезмерное контактное давление в уплотняемых поверхностях.
Далее происходит снижение давление в полости 22, и цикл повторяется.
Рассмотрим работу скважинного штангового насоса (фиг. 4), оснащенного предлагаемым всасывающим клапаном.
Пусть колонна штанг 26 с плунжером 24 перемещаются вверх. При этом втулка 2 приподнята над седлом 6, т.е. всасывающий клапан открыт, а нагнетательный клапан 25 закрыт.Жидкость из пласта через боковые отверстия 13, канал втулки 2 поступает в рабочую полость 30. Жидкость из нагнетательной линии 28 через подъемную трубу (на фиг. не показана) поднимается на поверхность.
При приближении плунжера 24 к верхней мертвой точке его скорость снижается, приводя к уменьшению расхода жидкости через всасывающий клапан. При этом перепад давления на втулку 2 снижается, и он опускается вниз. В крайнем верхнем положении плунжера 24 втулка 2 своими уплотнительными поясками 11 и 12 взаимодействует с упорно-уплотнительными поверхностями 9 и 10, герметизируя рабочую полость 27.
При опускании плунжера 24 вниз давление в рабочей полости 27 увеличивается, и втулка 2 прижимается к седлу и опорно-уплотнительной поверхности 9 корпуса 1. Под действием перепада давления нагнетательный клапан открывается, и жидкость из рабочей полости 27 перетекает в нагнетательную линию 28. В нижнем положении плунжера 24 всасывающий клапан закрыт, а нагнетательный клапан 25 чуть приоткрыт.
При движении плунжера 24 давление в рабочей полости 27 снижается, и нагнетательный клапан 25 закрывается. Под действием перепада давления втулка 2 приподнимается над седлом 6. Далее цикл повторяется.
Таким образом, выполнение нижнего седла всасывающего клапана регулируемым по высоте позволяет обеспечить одновременную посадку запорного органа всасывающего клапана на две упорно-уплотнительные поверхности, обеспечивая высокую герметичность.
Усилие, действующее на запорный орган всасывающего клапана, может быть выбрано исходя из обеспечения требуемого контактного давления в сопрягаемых парах путем назначения соответствующих диаметров контакта уплотнительных поясков втулки с опорно-уплотнительными поверхностями.