Самоустанавливающийся клапан штангового насоса

Полезная модель относится к области нефтедобывающей промышленности и может найти применение при эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) установок и снижения утечек.
Стандартные штанговые насосы, снабженные нагнетательным и всасывающим клапанами в классическом исполнении, предназначены в основном для работы в вертикальных скважинах. В наклонно направленных и горизонтальных скважинах работа клапанов насоса ухудшается по причине запоздалого закрытия, из-за чего происходят утечки через клапанную пару, что в итоге приводит к снижению КПД насоса. Запаздывание закрытия клапана также происходит при наличии свободного газа в продукции из-за высокого газового фактора или низкого давления на приеме насоса, что также снижает КПД установки. Кроме того, при добыче нефти с повышенным содержанием парафина или вязкой нефти клапанные узлы насоса вовсе могут отказать. В подобных случаях приходится реанимировать скважины путем промывки глубинно-насосного оборудования, при отрицательном результате промывки требуется проведение подземного ремонта с заменой насоса.
Известен самоустанавливающийся управляемый всасывающий клапан глубинного штангового насоса (патент RU № 2241853, F04B 47/00, 53/10, опубл. 10.12.2004 в бюл. №34), включающий корпус клапана, установленного под заданным в соответствии с наклоном скважины углом к глубинному насосу, выполненным в диаметре, большем, чем диаметр глубинного насоса, и установленного эксцентрично относительно насоса, клапан снабжен механизмом управления, выполненным в виде груза, расположенного на клапанной клетке и сочлененного с центральным стержнем, шарнирно соединенным со штоком гидравлического амортизатора, связанного с опорой скольжения.
Недостатками известного клапана являются:
- ограниченные функциональные возможности работы, он работает только в наклонно-направленных скважинах, требует индивидуального изготовления под каждую скважину с заданным углом наклона и не пригоден для работы в горизонтальных скважинах, также диаметр клапана больше диаметра насоса, что затрудняет размещение его в скважине, а иногда делает это невозможным;
- конструкция клапана усложнена громоздким механизмом его управления.
Наиболее близким является самоустанавливающийся клапан штангового насоса (патент RU № 2616145, F16K 15/04, F04B 47/00, 53/10, опубл. 12.04.2017 в бюл. № 11), включающий корпус с установленным седлом и держателем, верхний ограничитель (центратор) с проходными отверстиями, запорный элемент, выполненный в виде шара, направляющие запорного элемента (продольные полозья), груз. Самоустанавливающийся клапан штангового насоса также содержит наклонный лоток с промывочными каналами. На одном конце центральной оси самоустанавливающегося клапана эксцентрично закреплен наклонный лоток, выполненный облегченным, а на другом конце в плоскости эксцентриситета наклонного лотка установлен массивный груз, стянутый гайкой и зафиксированный контргайкой, внутренняя поверхность наклонного лотка выполнена вогнутой с радиусом кривизны больше радиуса шара на величину оптимального зазора между седлом и шаром в открытом состоянии клапана, причем вогнутая поверхность наклонного лотка выполнена в виде ложа с продольными полозьями и промывочными каналами между ними.
Недостатками его являются:
- сложность конструкции, большое количество узлов приводит к осаждению (обрастанию) отложений (парафин, соли), что нарушает работу клапана и снижению КПД;
- низкая надежность из-за большого количества сложных узлов в следствие заклинивания;
- большие габариты клапана, представляющего собой сложный многозвенный механизм, что ограничивает его применение для скважин с диаметром эксплуатационной колонны менее 146 мм;
- большие гидравлические сопротивления потока жидкости внутри клапана с большим количеством каналов и узлов снижает КПД насосной установки;
- малые сечения промывочных каналов и ограниченное пространство, образованное между ложем наклонного лотка и запорным элементом, так же снижают КПД насосной установки.
Техническими задачами полезной модели являются повышение коэффициента полезного действия, обеспечение безаварийности работы и увеличение срока эксплуатации насосной установки за счет упрощения конструкции клапана, повышения надежности работы клапана без увеличения поперечных (габаритных) размеров при эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах, снижение гидравлического сопротивления клапана, снижение вероятности обрастания отложениями узлов клапана и расширения функциональных возможностей.
Технические задачи решаются самоустанавливающимся клапаном штангового насоса, содержащим корпус с установленным седлом и держателем, верхний ограничитель с отверстиями, запорный элемент, выполненный в виде шара, направляющие запорного элемента, груз.
Новым является то, что верхний ограничитель выполнен с пазом, в котором расположена пластинчатая пружина, упирающаяся одним концом в верхний ограничитель, другим в паз груза, при этом пружина выполнена в виде призмы, а груз размещен над запорным элементом, причем груз выполнен в виде цилиндра с пазом, а направляющие запорного элемента выполнены с возможностью направления груза.
На фиг.1 изображена схема самоустанавливающегося клапана штангового насоса, где 1 – корпус, 2 – седло, 3 – держатель, 4 – запорный элемент, 5 – верхний ограничитель, 6 – отверстия в верхнем ограничителе 5, 7 – направляющие запорного элемента 4, 8 – груз, 9 – пазы, 10 – пластинчатая пружина.
Сущность полезной модели.
Самоустанавливающийся клапан штангового насоса содержит корпус 1 с установленным седлом 2 и держателем 3, верхний ограничитель 5 с отверстиями 6, запорный элемент 4, выполненный в виде шара, направляющие 7 запорного элемента 4, груз 8.
Верхний ограничитель 5 выполнен с пазом (на фиг. 1-3 не обозначен), в котором расположена пластинчатая пружина 10, упирающаяся одним концом в верхний ограничитель 5, другим в паз (на фиг. 1-3 не обозначен) груза 8. При этом пружина выполнена в виде призмы. Пластинчатая пружина 10 смягчает ударные нагрузки запорного элемента и как следствие предотвращает разрушение клапана узла, тем самым повышая надежности работы клапана, и обеспечивает увеличение срока эксплуатации насосной установки.
Груз 8 размещен над запорным элементом 4, причем груз 8 выполнен в виде цилиндра с пазом. Данное размещение груза 8 позволяет сильнее прижимать запорный элемент 4 к седлу 2, как следствие обеспечивать герметичность клапана, тем самым перекрывать поток движения жидкости в обратном направлении и обеспечивать безаварийность работы насосной установки. При этом происходит уменьшение поперечных (габаритных) размеров клапана, снижение гидравлического сопротивления клапана, как следствие повышение коэффициента полезного действия насосной установки.
Направляющие запорного элемента выполнены с возможностью направления груза.
Применение груза 8 и пластинчатой пружины 10 обеспечивает эффективное закрытие клапана в наклонном и горизонтальном профиле ствола скважины, а также других осложняющих факторах, таких как свободный газ, вязкость продукции, содержание парафина в продукции.
Предлагаемый клапан работает следующим образом.
При движении плунжера вверх в подплунжерной полости создается разрежение, и предлагаемый клапан под давлением пластовой жидкости открывается. Подплунжерная полость заполняется добываемой жидкостью через клапан. Поток жидкости поступает через седло 2, клапанную полость и отверстия верхнего ограничителя 5. Пластинчатая пружина 10 сжимается, поэтому запорный элемент 4 вместе с грузом 8 поднимается по клапанной полости.
При движении плунжера вниз предлагаемый клапан закрывается. При этом запорный элемент 4 под действием столба жидкости, веса груза 8 и силы упругости пружины 10 опускается и фиксируется в седле 2. Далее процесс повторяется.
Данная полезная модель снижает конструктивную сложность клапанного узла и приводит к повышению надежности клапана, не требующей увеличения поперечных (габаритных) размеров, снижению гидравлического сопротивления жидкости, снижению вероятности обрастания отложениями узлов клапана и расширению функциональных возможностей, обеспечивая работоспособность для горизонтальных и наклонных скважин, и, как следствие, повышению коэффициента полезного действия, безаварийности работы и увеличению срока эксплуатации насосной установки.