Скважинный штанговый насос
DOWNHOLE SUCKER-ROD 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 способностью, запаздыванием открытия и закрытия клапанов, а также вероятностью потери устойчивости и провисания низа колонны штанг.
Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, ступенчатый плунжер с нагнетательным клапаном, всасывающий клапан с запорным органом, выполненным в виде втулки, ответно нижней части плунжера с возможностью ограниченного осевого перемещения и образования камеры переменного объема (см. Патент РФ №2669058, МКП F04B 47/00, 2018 г.).
Недостатками известного устройства являются запаздывание открытия и закрытия нагнетательного клапана, невозможности эксплуатации насоса в скважинах с большим углом наклона и горизонтальных скважинах, также возможность потери устойчивости и провисания низа колонны штанг.
Известен скважинный штанговый насос, содержащий составные цилиндр и плунжер, включающие цилиндры и плунжеры большого и малого диаметра, соединенные переводниками, плунжер размещен в цилиндре с образованием камеры переменного объема между переводниками, всасывающий и нагнетательный клапаны, размещенные соответственно в нижней части плунжеров большого и малого диаметра, всасывающий и нагнетательный клапаны содержат седло, запорный орган и упор запорного органа (см. патент РФ №2709754, МКП F04B 47/00, опуб. 19.12.2019, бюл. №35), который принят за прототип.
Недостатками известного устройства являются запаздывание открытия и закрытия нагнетательного и невозможности эксплуатации насоса в скважинах с большим углом наклона и горизонтальных скважинах.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей и снижение объемных потерь путем оснащения нагнетательного клапана направляющей и своевременного его открытия и закрытия.
Решение технической задачи достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем соединенные между собой переводниками ступени цилиндра и плунжера большого и малого диаметров, плунжер размещен в цилиндре с образованием камеры переменного объема между переводниками, всасывающий и нагнетательный клапаны, размещенные в ступени плунжера большого диаметра соответственно в нижней ее части и в корпусе клапана, и включающие седло, запорный орган и ограничитель хода запорного органа, запорный орган всасывающего клапана выполнен в виде втулки с верхним буртом ответно верхнему седлу, а нижним торцом ответно нижнему седлу, втулка сверху снабжена ответно выполненным патрубком, корпус клапана снизу - центральным цилиндрическим отверстием ответно патрубку втулки, и жестко соединен с переводником ступеней плунжеров и соединен телескопически с патрубком втулки с образовнием нижней камеры переменного объема между цилиндром и корпусом клапана с патрубком втулки, в переводнике ступеней плунжера и патрубке втулки выполнены, как минимум, по одному сквозному радиальному отверстию, при этом радиальное отверстие патрубка втулки выполнено с возможностью частичного его перекрытия в верхнем положении втулки, согласно техническому решению, плунжер снабжен штоком с размещенным в нижней ее части запорным органом нагнетательного клапана между верхним и нижним упорами штока, в ограничителе хода запорного органа нагнетательного клапана выполнено центральное сквозное осевое отверстие, ответно выполненное нижней части штока с возможностью ограниченного осевого перемещения штока относительно него между верхним упором и торцом ограничителя хода.
Диаметр отверстия седла нагнетательного клапана больше диаметра ступени плунжера малого диаметра.
Запорный орган насажен на шток с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль штока.
Максимальное расстояние между верхним упором штока и торцом ограничителя хода нагнетательного клапана больше хода запорного органа нагнетательного клапана.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема скважинного штангового насоса;
На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
На фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1.
Скважинный штанговый насос содержит составной цилиндр 1 (см. фиг. 1), включающий верхнюю ступень 2 малого и нижнюю ступень 3 большего диаметра, соединенные между собой, например, переводником 4, плунжер 5, состоящий из верхней ступени малого 6 и нижней ступени 7 большого диаметра, соединенные, например, переводником 8, ответно выполненные соответственно ступеням цилиндра 1 малого 2 и большого 3 диаметра.
В нижней части ступени 7 большого диаметра плунжера 5 выполнены, например, сквозные радиальные отверстия 9 (фиг. 2), расположенные равным угловым расстоянием между ними. Отверстия 9 могут быть выполнены в форме прямоугольника в плане.
Нижняя ступень 7 плунжера 5 в нижней части, выше радиальных отверстий 9, снабжен верхним седлом 10, установленным на выступ (на фиг. не указан) ступени 7. Ступень 7 в нижней части снабжен упором 11, выполненным, например, в виде диска с центральным резьбовым отверстием (на фиг. не указано) и периферийными сквозными осевыми отверстиями 12. Упор 11 со ступенью 7 соединен, например, посредством резьбового соединения (на фиг. не указано).
Упор 11 снабжен, например, винтом 13, в верхней части которого выполнена расточка с буртом (на фиг. не указаны), на которую насажено нижнее седло 14, выполненное, например, в виде шарика с центральным отверстием (на фиг. не указано). Седло 14 сверху зафиксировано, например, упором (на фиг. не указан), выполненным, например, в виде гайки.
Винт 13 снизу снабжена контргайкой 15 с возможностью регулирования зазора (на фиг. не указан) между торцами упора 11 и седла 14.
В ступени 7 выше седла 12 установлен запорный орган 16 всасывающего клапана, выполненный в виде втулки с буртом 17 в верхней части. На втулке 16 снизу выполнено, например, цилиндрическое углубление с образованием выступа (на фиг. не указаны), в котором установлено металлическое уплотнительное кольцо 18. Втулка 16 установлена с возможностью одновременного взаимодействия бурта 17 и кольца 18 с верхним 10 и нижним 14 седлами. Диаметр цилиндрической части втулки 16 выполнен меньше диаметра седла 10 с возможностью образования гарантированного радиального зазора (на фиг. не указан) между ними.
Ступень 7 большого диаметра плунжера 5 снабжен корпусом 19 нагнетательного клапана, соединенным с переводником 8 посредством патрубка 20. Патрубок 20 соединен с переводником 8 и корпусом 19 клапана, например, при помощи резьбовых соединений (на фиг. не указаны). В нижней части корпус 19 клапана снабжен, например, патрубком 21. Втулка 16 снабжена патрубком 22, верхняя часть которого ответно выполнена отверстию (на фиг. не указано) патрубка 21, телескопически соединен с ним и установлен с возможностью одновременного перемещения с втулкой 16. В нижней части патрубка 22, например, выполнена расточка с образованием бурта (на фиг. не указаны) с возможностью взаимодействия бурта с торцом втулки 16.
Корпус 19 (фиг. 3) клапана выполнен, например, в виде стакана с днищем 23 (на фиг. не указано) в верхней части. В днище 23 корпуса 19 выполнены осевые сквозные центральное отверстие (на фиг. не указано), и, как минимум, одно периферийное отверстие 24, а в нижней части корпуса 19 клапана размещено седло 25 нагнетательного клапана, взаимодействующее, например, с торцом патрубка 21. Седло 25 сверху, например, зафиксировано упором 26, выполненным, например, в виде разрезного пружинного кольца, установленного в кольцевой канавке (на фиг. не указана) корпуса 19 клапана.
Плунжер 5 снабжен штоком 27, нижняя часть которого выполнена ответно центральному отверстию днища 23 с образованием верхнего упора 28 в виде бурта. Нижний торец шока 27 снабжен нижним упором 29 выполненным, например, в виде гайки.
Шток 27 насажен на центральное осевое отверстие днища 23 корпуса 19 с возможностью ограниченного осевого перемещения плунжера 5 относительно штока 27. На шток 27 между нижним 29 и верхним 28 упорами насажен запорный орган 30 нагнетательного клапана, выполненный, например, в виде шарика с центральным отверстием (на фиг. не указано). Запорный орган 30 установлен с возможностью поочередного взаимодействия с седлом 25 и с днищем 23 корпуса 19, выполняющим функцию ограничителя его хода. Днище 23 выполняет также функцию направляющей запорного органа 30.
Запорный орган 30 может быть установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль штока 27. Шток 27 установлен с возможностью взаимодействия верхнего упора 28 с оборотной стороной днища 23, и нижнего упора 29 с запорным органом 30.
При этом ход запорного органа 30 может быть меньше расстояния между торцом днища 23 и верхним упором 28 штока 27.
Диаметр отверстия седла 25 может быть выполнен больше диаметра малого плунжера 6.
Вес запорного органа 30, при его установке на шток 27 с возможностью перемещения вдоль него, больше силы трения между запорным органом 30 и штоком 27.
Нижнее седло 14 всасывающего клапана и седло 25 нагнетательного клапана установлены с образованием рабочей полости 31 между ними.
Например, нижняя часть втулки 16 снабжена направляющей 32, например, выполненной в виде диска, ответно боковой поверхности ступени 7 плунжера. В периферийной части направляющей 32 выполнены осевые сквозные канавки 33. Направляющая 32 соединена с втулкой 16, например, посредством резьбового соединения (на фиг. не указано), и например, снабжена упором (на фиг. не указано), взаимодействующим с уплотнительным кольцом 18 для его фиксации.
Плунжер 5 установлен в цилиндре 1 с образованием верхней камеры 34 переменного объема, образованного между переводниками 4 и 8.
Например, в верхней части патрубка 22 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 35 с возможностью его частичного перекрытия в верхнем положении втулки 16.
В переводнике 8 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 36.
Корпус 19 клапана с патрубками 21 и 22 установлен с возможностью образования нижней 37 камеры переменного объема с возможностью сообщения с рабочей полостью 31 и с верхней камерой 33 переменного объема.
Упорно-уплотнительные поверхность (на фиг. не указана) бурта 17 втулки 16 может быть выполнена сферической.
Шток 27 соединен с приводом, посредством колонны штанг (на фиг. не показаны).
Нагнетательный клапан установлен с возможностью сообщения рабочей полости 31 с нагнетательной линией 38.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 5 находится в начальном положении подъема штока 27 (фиг. 1). При этом бурт 17 втулки 16 и уплотнительное кольцо 18 взаимодействуют соответственно с седлами 10 и 14. Запорный орган 30 нагнетательного клапана взаимодействует с днищем 23, выполняющим функцию ограничителя его хода. Всасывающий клапан закрыт, а нагнетательный клапан - открыт. Давление в рабочей полости 31 равно давлению в нагнетательной линии 38. Давление в нижней кольцевой камере 37 переменного объема давление чуть больше давления в полости 31 из-за движения жидкости из верхней камеры 34 переменного объема в рабочую полость 31 через радиальное отверстие 36.
При движении плунжера 5 вверх объем камеры 34 уменьшается. Вследствие этого жидкость, вытесняемая из камеры 34, через отверстия 36, 35, камеру 37, рабочую полость 31 и нагнетательный клапан перетекает в напорную линию 38. Кроме того, в напорную линию подается жидкость от перемещения ступени 6 малого диаметра плунжера 5.
При приближении плунжера 5 в верхнее положение, его скорость снижается. В крайнем верхнем положении плунжера 5 его скорость равна нулю.
При обратном ходе штока 27 вниз плунжер 5 не перемещается. Вместе с штоком 27 вниз опускается и запорный орган 30 нагнетательного клапана до взаимодействия с седлом 25. Герметизация напорной линии 38 осуществляется по уплотнительной поверхности седла 25, а также по торцу между запорным органом 30 и нижним упором 29 штока 27. Далее плунжер 5 опускается вниз совместно с штоком 27. При установке запорного органа 30 с возможностью перемещаться вдоль штока 27, последний может перемещаться вниз до взаимодействия верхнего упора 28 с оборотной стороной днища 23.
С увеличением объема камеры 34 давление в ней, и далее в камере 37 и рабочей полости 31 начинает снижаться. Когда давление в камере 37 и рабочей полости 31 становится меньше, чем на входе насоса, втулка 16 поднимается вверх, сообщая рабочую полость 31 и камеру 37 с входом. Камера 37 с входом насоса сообщается посредством каналов 33 в направляющей 32 втулки 16, а также через щель между буртом 17 и седлом 10.
При движении вверх втулки 16 частично перекрывается радиальные отверстия 3 5 патрубка 31, увеличивая перепад давления между рабочей полостью 31 и камерой 37.
В дальнейшем движении плунжера 5 вниз втулка 16 полностью поднимается вверх, например, до взаимодействия торца направляющей 32 с нижним торцом ступени 7 плунжера 5. При этом жидкость из пластовой среды (на фиг. не показано) через осевые отверстия 12 упора 11, щель между седлом 14 и уплотнительным кольцом 18 поступает в рабочую полость 31.
Усилие на подъем втулки 16 вверх определяется неуравновешенней площадью сечения втулки 16, которая пропорциональна разности квадратов диаметров седла 10 и кольца 18, а также разностью давления жидкости перед насосом и в рабочей полости 31 и камере 37.
При опускании плунжера 5 вниз на него сверху действует усилие от перепада давления на ступень 6 малого диаметра.
При приближении плунжера 5 в крайнее нижнее положение он останавливается. Прекращается движение жидкости через всасывающий клапан. Выравниваются давления в рабочей полости 31, камерах 37, 34 и в пластовой среде. Под действием веса втулки 16 и патрубка 22 втулка 16 опускается на седла 10 и 14.
При обратном движении штока 27 вверх плунжер 5 под действием перепада давления может перемещаться вниз, навстречу штоку 27. Далее запорный орган 30 взаимодействует с днищем 23 корпуса 19 клапана, и плунжер 5 начинает перемещаться вверх с штоком 5.
В начале движения плунжера 5 вверх, давление в камерах 34 и 37 возрастает. Это приводит к увеличению контактного давления в сопрягаемых парах бурт 17 -седло 10 и втулка 18 - седло 14.
Далее цикл повторяется.
При установке запорного органа 30 на шток 27 с возможностью перемещения вдоль него, снижается вероятность провисания колонны штанг (на фиг. не показана) в начале перемещения штока 27 вниз. При взаимодействии запорного органа 30 с седлом 25, при меньшей скорости опускания плунжера 5, чем скорость штока 27, последний выдвигается вниз до взаимодействия верхнего упора 28 с оборотной стороной днища 23.
При достаточном весе запорного органа 30, последний при подъеме штанги 27, опускается до взаимодействия с нижним упором 29 штока 27.
При выполнении диаметра отверстия седла 25 больше диаметра малого плунжера 6, увеличивается контактное давление между запорным органом 30 и седлом 25.
Таким образом, оснащение плунжера штоком, на который насажен запорный орган нагнетательного клапана, позволяет установить насос в наклонно направленные скважины, а также в горизонтальные отводы. Упор нагнетательного клапана выполняет одновременно функции направляющей, а также ограничителем перемещения штока относительно плунжера.
Установка запорного органа на шток с возможностью перемещения вдоль него снижает вероятность провисания штока, а также соединенного с ним колонной штанг.