ГЛУБИННЫЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ПЛУНЖЕРА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТКАЧИВАЕМОЙ ЖИДКОСТИ
BOREHOLE PLUNGER PUMP AND PROTECTION METHOD OF UPPER PART OF PLUNGER AGAINST IMPACT OF PUMPED LIQUID

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.
Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель, приводной маслонасос, плунжерный рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, масляный бак с фильтрами тонкой очистки масла, компенсатор объемного расширения масла и гидродвигатель, над- и подпоршневая полости цилиндра которого подключены через распределитель к всасывающей и нагнетательной сторонам маслонасоса, также, на последней установлен предохранительный клапан, а поршень гидродвигателя соединен с плунжером рабочего насоса, причем цилиндр плунжерного рабочего насоса снабжен герметичной цилиндрической диафрагмой из эластичного материала, размещенной в цилиндре с образованием заполненной маслом полости, а плунжер рабочего насоса установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри этой полости (RU 52125 от 03.10.2005).
В этом насосе герметичная эластичная диафрагма, имеющая цилиндрическую форму, подвергается интенсивному знакопеременному растягиванию, что приводит к ее быстрому износу и выходу из строя. Кроме того, цилиндрическая форма диафрагмы не является удачной для растягивания.
Наиболее близким к изобретению 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. (RU 2232260, 10.07.2004).
Этот насос является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату и взят за прототип.
Однако наличие подвижного разделителя усложняет конструкцию насоса. Кроме того, в разделителе имеются наружные и внутренние уплотнители, подверженные повышенному износу.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является полная изоляция и защита трущейся пары плунжер-цилиндр от воздействия откачиваемой жидкости и ее ингредиентов.
Технический результат заключается в повышении надежности работы глубинного плунжерного насоса, упрощении его конструкции и увеличении межремонтного периода работы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в глубинном плунжерном насосе, содержащем 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, между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора, в управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный с колонной штанг, 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, при этом разделительная камера заполнена буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости.
Кроме того, в цилиндре образована полость, заполненная смазывающей жидкостью, например минеральным маслом.
В качестве буферной жидкости использована 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.
Полость в цилиндре, заполненная смазывающей жидкостью, связана с дополнительной питательной емкостью.
В крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, расположена в буферной жидкости.
Наружная поверхность плунжера, расположенная в буферной жидкости, покрыта материалом, не смачивающимся буферной жидкостью.
На концах плунжера установлены центраторы.
Длина плунжера равна или больше суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.
Кроме того, указанная техническая задача решается, а технический результат достигается также за счет применения в вышеописанном насосе способа защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости, заключающегося в уплотнении зазора между плунжером и цилиндром и смазке трущихся поверхностей смазывающей жидкостью; в управляющей камере своей нижней частью устанавливают плунжер, соединенный с колонной штанг, верхнюю часть плунжера размещают в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, и разделительную камеру заполняют буферной жидкостью.
В качестве буферной жидкости применяют ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающуюся с перекачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у откачиваемой и приводной жидкостей.
Применяют такой объем буферной жидкости, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, омывалась буферной жидкостью.
Длину плунжера выполняют равной или большей суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.
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 откачиваемой 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 тяжелой буферной жидкости в виде жидкости или геля с большим удельным весом исключает попадание откачиваемой жидкости и ее ингредиентов из насосной камеры в буферную жидкость, а следовательно, и в приводную жидкость. Наличие тяжелой буферной жидкости в полости, где находится верхняя часть плунжера, устраняет контакт откачиваемой жидкости с внешней поверхностью плунжера, т.к. предотвращает попадание откачиваемой жидкости и ее ингредиентов в буферную жидкость, 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 имеющихся 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. Исполнение обоих клапанов неподвижными и расположенными близко друг от друга, а также минимизация объема насосной камеры в конце процесса нагнетания уменьшают негативное влияние свободного газа. Вышеперечисленные преимущества предлагаемого насоса позволяют увеличить надежность и межремонтный период насоса, а также расширяют области его применения.
На фиг.1 схематически представлен продольный разрез предлагаемого насоса с глухим плунжером, на фиг.2 - вариант насоса с глухим плунжером, имеющим полость, заполненную смазывающей жидкостью.
Глубинный плунжерный насос с глухим плунжером (фиг.1) 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. Насосная камера 2 и управляющая камера 6 соединены между собой гидравлически нижними частями через канал 9, образованный между нижней частью корпуса 1 и нижней частью перегородки 8. Нижние части насосной камеры 2 и управляющей камеры 6 заполнены расчетным объемом буферной жидкости 10 с образованием гидрозатвора через канал 9. В управляющей камере 6 своей нижней частью расположен плунжер 11, соединенный с колонной штанг 13. На верхнем и нижнем концах плунжера 11, а при необходимости и на штангах 13 установлены центраторы 12 из износоустойчивого материала, например из стеклонаполненного полиакриламида. Верхняя часть плунжера 11 размещена в разделительной камере 14, образованной над управляющей камерой 6 и отделенной от последней цилиндром 15 с кольцевым уплотнением 16, охватывающим плунжер 11. Разделительная камера 14 заполнена расчетным объемом тяжелой буферной жидкости 17.
Во втором варианте исполнения насоса с глухим плунжером (фиг.2) цилиндр 15 имеет полость 18, заполненную смазывающей жидкостью 19, и уплотнения 16 и 20 в нижней и верхней частях цилиндра 15 соответственно.
Аналогично, как и в первом варианте, разделительная камера 14 заполнена расчетным объемом тяжелой буферной жидкости 17, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера 11 его наружная поверхность, начиная от уплотнения 16, в пределах рабочего хода плунжера 11, омывалась буферной жидкостью 17. В случае повышенного расхода смазывающей жидкости 19 над насосом дополнительно устанавливается питательная емкость с аналогичной смазывающей жидкостью 19, имеющая гидравлический канал с полостью 18 (не показан).
Для вывода откачиваемой жидкости 21 из насосной камеры 2 в колонну насосно-компрессорных труб 5 и далее на поверхность имеется канал 22.
Объем буферной жидкости 17 в разделительной камере 14 в обоих вариантах исполнения насоса рассчитывается так, чтобы при крайнем верхнем положении плунжера 11 его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения 16, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, омывалась буферной жидкостью 17. В качестве приводной 7 и смазывающей 19 жидкостей может быть применено минеральное масло. В качестве буферной жидкости 17 могут быть использованы ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с откачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у откачиваемой и приводной жидкостей. Наружную поверхность плунжера 11, омываемую буферной жидкостью 17, предпочтительно покрыть материалом, не смачивающимся буферной жидкостью 17, но смачивающимся приводной 7 и смазывающей 19 жидкостями.
Насос работает следующим образом.
В начале всасывания откачиваемой жидкости из скважины (не показана) в управляющей камере 6 находится фиксированный и неизменный объемы приводной жидкости 7 и буферной жидкости 10 и минимальный объем откачиваемой жидкости 21, т.к. плунжер 11 находится в своей низшей точке. Буферная жидкость 17 над плунжером 11 также находится в своей низшей точке. По мере перемещения колонны штанг 13 вместе с плунжером 11 вверх увеличивается объем насосной камеры 2, что приводит к открытию всасывающего клапана 3, через который откачиваемая жидкость 21 начинает поступать в насосную камеру 2 из скважины. При достижении плунжером 11 своей верхней точки перемещения заполнение насосной камеры 2 откачиваемой из скважины жидкостью 21 прекращается, закрывается всасывающий клапан 3 и начинается процесс нагнетания.
При нагнетании, создаваемом движением колонны штанг 13 вниз вместе с плунжером 11, объем управляющей камеры 6 уменьшается и начинается выдавливание приводной жидкостью 7 буферной жидкости 9, а последняя, в свою очередь, давит на откачиваемую жидкость 21 в насосной камере 2, что приводит к повышению давления в насосной камере 2 и к открытию нагнетательного клапана 4. Как результат, откачиваемая жидкость 21 из насосной камеры 2 через нагнетательный клапан 4 поступает в колонну насосно-компрессорных труб 5 по обводному каналу 22. Далее, по колонне насосно-компрессорных труб 5 откачиваемая из скважины жидкость 21 поступает на поверхность. При достижении плунжером 11 своей низшей точки перемещения заканчивается цикл нагнетания и начинается описанный выше следующий цикл работы насоса. При верхнем и нижнем крайних положениях плунжера поверхности разделения буферной жидкости 10 с приводной жидкостью 7 и откачиваемой жидкостью 21 не доходят до нижнего среза перегородки 8 в целях сохранения функции гидрозатвора и предотвращения перетоков и последующего смешения приводной и откачиваемой жидкостей.
Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности при добыче различных жидких сред из скважин.