ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ ШТАНГОВЫЙ ГЛУБИННЫЙ НАСОС
TELESCOPIC DEEP-WELL ROD PUMP

Изобретение относится к области эксплуатации нефтяной скважины механизированным способом. Телескопический штанговый глубинный насос может использоваться для добычи нефти с большим содержанием механических примесей, песка, эмульсии и вязкой нефти из скважины.
Известен штанговый глубинный насос для откачивания нефти из скважины (см. патент RU №2369775, МПК F04B 47/00, опубл. 10.10.2009 год Бюл. №28, под названием «Скважинный штанговый насос»).
Известный насос содержит цилиндр с всасывающим шаровым клапаном в нижней части. Внутри цилиндра, установленного на колонне насосно-компрессорных труб, установлен полый плунжер с нагнетательным шаровым клапаном с возможностью возвратно-поступательного перемещения от привода на поверхности через колонну штанг.Насос снабжен баком для смазывающего масла и системой смазки пары плунжер-цилиндр.
Недостатком данного насоса является сложность конструкции, нетехнологичность его изготовления. Смазка трущейся поверхности пары плунжер-насос частично устраняет их износ и может увеличить межремонтный период. Однако при перекачивании сильно загрязненной нефти с содержанием механических примесей типа пропанта, резиновых элементов от герметизирующих устройств, песка, а также высоковязких нефтей, асфальстосмолопарафинистых отложений (АСПО) нарушается герметичность шаровых клапанов. Поскольку открытие и закрытие клапана осуществляется только за счет веса столба жидкости и веса самого клапана наличие механических примесей в перекачиваемой жидкости не обеспечивает герметичность в паре клапан-седло. Это приводит к снижению производительности насоса и необходимости ремонтных работ.
Известен также штанговый глубинный насос для откачки нефти из скважины (см. патент RU №2436996, МПК F04B 47/00, опубл. 20.12.2011 год, Бюл. №35, под названием «Штанговый скважинный насос двойного действия»).
Он содержит цилиндр с установленным внутри полым плунжером, всасывающим и нагнетательным шаровыми клапанами, при этом третий нагнетательный клапан выполнен в виде втулки, для которой на уступе переводника, соединяющего колонны труб с цилиндром, выполненным ступенчатым, образуя как бы тарельчатый клапан. Нижняя ступень цилиндра выполнена с большим диаметром, чем верхняя ступень. Клапан в виде втулки установлен на штанге с возможностью продольного перемещения на ней вверх при избыточном давлении в подплунжерной полости.
Этот насос частично увеличивает его производительность, однако и он не лишен недостатков. Так, выполнение всасывающего и нагнетательного клапанов в виде пары шар-седло и выполнение одного из нагнетательных клапанов тарельчатым не всегда обеспечивает полную герметичность, что отрицательно сказывается на его производительности. Объясняется это тем, что добываемая продукция скважины содержит механические примеси типа пропант, песок различной фракции, резиновые частички от герметизирующих элементов насоса, которые осаждаясь вместе с вязкой нефтью и АСПО на контактирующихся поверхностях запорной пары шар и седло в процессе эксплуатации насоса приводят к несовпадению с их геометрическими формами и, следовательно, к неполной посадке шара и тарелки на седло, что приводит к потере герметичности из-за образовавшегося зазора. Герметичность клапана такой конструкции снижается также при малейшем износе и под действием коррозии агрессивной среды в скважине. Кроме того, шаровые клапаны теряют герметичность т.е. не работают и в наклонно-направленных скважинах, где кривизна ствола скважины составляет более 50 градусов по зенитному углу и в горизонтальных скважинах, в которых насос находится в положении 90 градусов по зенитному углу, при котором закрытие клапана осуществляется только за счет веса столба жидкости, а вес самого запорного элемента при этом в закрытии не участвует.
Известен также штанговый глубинный насос для откачки нефти из скважины (см. патент RU №2654559, (51)МПК F04B 47/00, опубл. 08.08.2017 год, под названием «Штанговый глубинный поршневой насос»).
Известный штанговый насос близок по технической сущности и может быть принят в качестве прототипа.
Этот насос частично увеличивает его производительность, однако он не лишен недостатков. Насос имеет два клапанных узла в виде поршневой пары (поршень - цилиндр) -верхний, который образует нагнетательный клапан и нижний, который образует приемный клапан. На клапане нагнетательном и приемном, т.е. на стенке поршня и цилиндра выполнены окна на разных уровнях по высоте в продольном направлении с одинаковыми геометрическими размерами, которые должны совмещаться, когда клапан открывается. Вся проблема в том, что для совмещения этих окон, как для нагнетательного клапана, так и для приемного клапана требуется в конструкции клапана иметь направляющий механизм для точного совмещения окон в продольной оси. Применение направляющего механизма требует точности изготовления, т.к. любое отклонение в точности изготовления приведет к снижению пропускной способности или его отсутствию. Также это ведет к увеличению длины конструкции клапана. Применение направляющего механизма не может обеспечить функции противоотворотной муфты, т.к. не будет свободного вращения поршневой пары, т.е. поршня в цилиндре. При отсутствии направляющего механизма верхний нагнетательный и нижний приемный клапана работать не смогут, т.к. не будет совмещения окон в продольном направлении, соответственно, не будет подачи насоса. В конструкции насоса применяется постоянный кольцевой магнит, который устанавливается в нижней части полого плунжера для того, чтобы дополнительно придать усилие для открытия нижнего приемного клапана, когда плунжер находится в крайнем нижнем положении и начинает движение вверх и за счет магнита удерживает притяжением поршень нижнего клапана и открывает его, а далее после отрыва магнита от поршня открытие клапана должно осуществляться за счет разрежения, которое создается в полости полого плунжера и цилиндра насоса при движении полого плунжера вверх, когда верхний нагнетательный клапан закрыт. Применение кольцевого магнита не будет иметь практического применения, т.к. в скважинных условиях много окалины, которая будет всегда притягиваться на поверхность кольцевого магнита и тем самым значительно снизит притяжение магнита к нижнему поршню для дополнительного усилия на открытие нижнего приемного клапана. Еще нужно учесть, что насос не может работать в ударном режиме, когда плунжер доходит до крайнего нижнего положения в цилиндре насоса, т.к. всегда должно оставаться свободное пространство между нижней частью плунжера и нижней частью цилиндра насоса, где монтируется нижний приемный клапан. Если насос будет работать в ударном режиме, когда плунжер будет доходить до крайнего нижнего положения в цилиндре насоса, это приведет к моментальному разрушению постоянного кольцевого магнита, т.к. постоянный магнит является хрупким материалом. Соответственно, если плунжер не будет доходить до крайнего нижнего положения, то магнит не сможет выполнять свои функции по притяжению поршня нижнего приемного клапана и в применении кольцевого магнита нет необходимости. Также хочется отметить, что верхний нагнетательный клапан работает на открытие и закрытие за счет разницы силы трения между плунжером и цилиндром насоса и силы трения поршень - цилиндр самого клапана, а нижний приемный клапан имеет немного другой принцип работы. Открытие происходит по другому принципу, а именно за счет создания разрежения в полости полого плунжера и цилиндра насоса, где кольцевой магнит не применяется по указанным выше причинам, а закрытие происходит за счет пружины и веса столба жидкости. Такой принцип работы нижнего приемного клапана не будет иметь практического применения в отличие от верхнего нагнетательного клапана, т.к. его открытие по принципу работы осуществляется только за счет разрежения в полости плунжера и цилиндра, а этого усилия может быть недостаточно и необходимо дополнительное внешнее принудительное усилие для открытия клапана, но в конструкции этого изобретения дополнительных усилий на открытие нижнего клапана не предусмотрено. Стендовые испытания также показали, что при точном изготовлении в элементах пары трения поршневой пары поршень - цилиндр возникает большое трение и усилие в виде разрежения недостаточно для перемещения и требуется дополнительное принудительное усилие, а если не будет точности изготовления, то не будет герметичности пары трения поршневой пары поршень - цилиндр. Также в конструкции данного изобретения не предусмотрено сливных отверстий для исключения подъема насоса без сифона, поэтому необходимо над насосом дополнительно устанавливать мембранный клапан для слива жидкости перед подъемом, путем создания избыточного давления в колонне (НКТ) с применением агрегата высокого давления и автоцистерны для подачи жидкости. Отсутствие в конструкции сливного отверстия приводит к дополнительным затратам для подъема насоса без сифона.
Технической задачей настоящего изобретения является увеличение производительности штангового глубинного насоса и межремонтного периода эксплуатации.
Поставленная техническая задача решается тем, что описываемым телескопическим штанговым глубинным насосом, включающим спускаемый на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) цилиндр насоса, в нижней части которого установлен приемный клапан и с установленным внутри цилиндра полым плунжером, на который смонтирован нагнетательный клапан.
В зависимости от типа исполнения приемный клапан может устанавливаться на плунжер насоса, а нагнетательный на цилиндр насоса.
Новым является то, что насос снабжен двумя поршневыми парами шток и обойма - верхней и нижней, верхняя поршневая пара установлена на верхней части полого плунжера насоса, а нижняя поршневая пара в нижней части цилиндра насоса. К колонне штанг крепится верхний шток нагнетательного клапана, который имеет верхние и нижние окна. В зависимости от варианта исполнения в промежутке между колонной штанг и верхним штоком может крепиться сцепное устройство «Сцеп-расцеп». Также в поршневой паре шток и обойма выполнены окна или на штоке, или на обойме, в зависимости от клапана и варианта исполнения. Верхний шток удерживается в верхней обойме за счет выступов в нижней его части. Верхняя обойма соединяется с переходной муфтой верхнего клапана, а переходная муфта соединяется с плунжером насоса. В зависимости от варианта исполнения переходная муфта может соединяться и с полым плунжером насоса. Полый плунжер расположен в цилиндре насоса и удерживается за счет выступов в цилиндре насоса, т.к. насос вставного исполнения. В зависимости от варианта исполнения цилиндр бывает без выступов. Нижняя часть цилиндра насоса соединяется с переходной муфтой, которая соединена с нижней обоймой с окнами. В обойме расположен нижний шток приемного клапана, и он удерживается в обойме за счет выступов. Также между штоком и обоймой установлена пружина. Нижний шток соединяется с замковой опорой, которая установлена в переходную муфту цилиндра насоса. На переходную муфту цилиндра насоса установлен фильтр насоса. В зависимости от варианта исполнения в нижней части может быть полый стационарный плунжер насоса, который соединен с переходной муфтой. Эта муфта удерживается на колонне насосно-компрессорных труб. Плунжер насоса в верхней части соединен с нижней обоймой. В обойме расположен нижний шток приемного клапана с окнами, который удерживается в обойме за счет выступов. Также между штоком и обоймой установлена пружина.
В зависимости от технического задания насос может применяться как в трубном, так и вставном исполнении.
Анализ известных технических решений в данной области техники, проведенных по патентному фонду института ТатНИПИнефть ретроспективностью 20 лет с целью определения технического уровня показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование, в заявляемой совокупности существенных признаков, позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении производительности насоса, надежности его работы и, как следствие, увеличения межремонтного периода. Следовательно, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и, по нашему мнению, критерию «изобретательский уровень».
Представленные схематические чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг. 1 и фиг. 2 изображен предлагаемый телескопический штанговый глубинный насос (вариант исполнения №1), а на фиг. 3 и фиг. 4 изображен предлагаемый телескопический штанговый глубинный насос (вариант исполнения №2), спущенный на колонне штанг в скважину, в продольном разрезе, видны цилиндр насоса с полым плунжером, положение штока и обоймы приемного и нагнетательного клапана при ходе штанг вниз и вверх относительно плунжера и цилиндра, видны положение окон при ходе штанг вниз и вверх относительно плунжера и цилиндра, также видны положение пружины при закрытии и открытии приемного клапана.
Насос работает следующим образом.
(Вариант исполнения №1). Представленные схематические чертежи поясняют суть изобретения, где на:
Фиг. 1 изображен предлагаемый телескопический штанговый глубинный насос вставного исполнения, где в эксплуатационную колонну 1, спускается колонна насосно-компрессорных труб 2,5"НКТ 2, каждая труба НКТ соединяется между собой муфтой 3, в нижней части колонны 2,5"НКТ установлена переходная муфта 4, к переходной муфте соединен фильтр насоса 5, в центральной части переходной муфты 4 установлена замковая опора 6. Насос спускается на колонне штанг 7, которая соединена с верхним штоком 8 с выступами в котором имеется окна «А» и «Б», верхний шток 8 перемещается в верхней обойме 9 вниз и упирается выступами на обойму 9 при движении колонны штанг 7 вниз и при этом окна «А» и «Б» верхнего штока 8 открыты и полый плунжер насоса 10, который расположен в цилиндре насоса 11 с выступами и соединен с верхней обоймой 9 через переходную муфту верхнего нагнетательного клапана 12 также движется вниз и при этом создается нагнетание жидкости, т.е. добываемой продукции через верхний нагнетательный клапан. Стрелками схематично указано направление движения жидкости. Верхняя обойма 9 имеет возможность свободного вращения в любом направлении на верхнем штоке 8, что придает ей функцию противоотворотного устройства. При этом нижняя часть цилиндра насоса 11 соединена с переходной муфтой цилиндра насоса на приемный клапан 13, который в свою очередь соединен с нижней обоймой 14 с выступами и окнами, в обойме 14 расположен нижний шток 15, который был зафиксирован в замковую опору 6 после спуска насоса на колонне штанг 7. При движении полого плунжера 10 вниз, между полым плунжером 10 и цилиндром насоса 11 создается большое трение, что способствует движению цилиндра насоса 11 вниз до момента пока приемный клапан не закроется, т.е. пока окна нижней обоймы 14 не перекроются нижним штоком 15, когда нижний шток 15 упрется в верхнюю часть нижней обоймы 14. Также на закрытие приемного клапана принудительно влияет давление столба жидкости, которое имеется в колонне 2,5"НКТ при открытом нагнетательном клапане и также на закрытие приемного клапана влияет действие пружины 16, которая находится между нижней обоймой 14 и нижним штоком 15. В результате мы имеем работу нижнего приемного клапана на закрытие за счет незначительного перемещения цилиндра насоса 11 вниз, далее на:
Фиг. 2 колонна штанг 7 движется вверх, где верхний шток 8 закрепленный на колонне штанг 7 также перемещается вверх до момента, пока нижняя часть штока 8 не упрется своими выступами в верхнюю обойму 9, где окно «Б» верхнего штока будет закрыто, соответственно верхний нагнетательный клапан будет закрыт.Дальнейшее движение вверх колонны штанг 7 приведет к перемещению полого плунжера 10 вверх, который соединен с верхней обоймой 9, через переходную муфту верхнего нагнетательного клапана 12, при этом между плунжером 10 и цилиндром 11 возникает сильное трение, а в полости цилиндра 11 создается разрежение и все это приводит к движению цилиндра 11 вверх. К нижней части цилиндра 11 соединена переходная муфта с цилиндра насоса на приемные клапана 13, которая также перемещает нижнюю обойму 14 вверх до того, как нижняя обойма не упрется уступами в нижний шток 15 и происходит сжатие пружины 16, при этом окна нижней обоймы 14 открываются и в результате происходит прием добываемой жидкости в фильтр насоса 5, а далее в центральное отверстие нижнего штока 16 и пройдя через нижнюю обойму 14 открытых окон добываемая жидкость попадает в полость цилиндра 11. Стрелками схематично указано направление движения жидкости. Нижняя обойма 14 имеет возможность свободного вращения в любом направлении на нижнем штоке 15, что придает ее функцию противоотворотного устройства. Далее цикл повторяется. Для извлечения насоса производится подъем колонны штанг 7 вверх с усилием 3 тонны, где нижний шток 15 выходит из замковой опоры, а жидкость, находящая в колонне 2,5"НКТ 2 сливается через центральное отверстие в замковой опоре и дальнейший подъем колонны 2,5"НКТ 2 производится без сифона.
(Вариант исполнения №2). Представленные схематические чертежи поясняют суть изобретения, где на:
Фиг. 3 изображен предлагаемый телескопический штанговый глубинный насос трубного исполнения, где в эксплуатационную колонну 1, спускается колонна насосно-компрессорных труб 2,5"НКТ 2, каждая труба НКТ соединяется между собой муфтой 3, в нижней части колонны 2,5"НКТ установлена переходная муфта 4, к переходной муфте соединен фильтр насоса 5, в центральной части переходной муфты 4 установлена стационарный полый плунжер 10, с боковым сливным отверстием 17 на фиг. 1 и 2 такого отверстия нет, конструктивно это не требуется и плунжер является подвижный, к верхней части полого стационарного плунжера соединена нижняя обойма 14, в которой перемещается нижний шток 15 с окнами и выступами, а между нижней обоймой 14 и нижним шток 15 установлена пружина 16. На полый стационарный плунжер насоса 10 сверху вставляется цилиндр насоса 11, верхняя часть цилиндра насоса 11 соединена с переходной муфтой верхнего нагнетательного клапана 12, которая в свою очередь соединена с верхней обоймой 9, в ней перемещается верхний шток с уступом 8 и окнами «А» и «Б», где верхняя его часть соединена с нижней частью, сцеп-расцепа 19 на фиг. 1 и 2 сцеп-расцеп не применяется. Вся эта конструкция насоса спускается на колонне 2,5"НКТ 2, далее на колонне штанг 7 в колонну 2,5"НКТ 2 спускается верхняя часть сцеп-расцепа 19, которая соединена с колонной штанг 7 и когда она движется вниз и доходит до нижней части сцеп-расцепа 18, то происходит их захват. Далее продолжается движение колонны штанг 7 вниз при которой верхний шток 8 перемещается в верхней обойме 9 вниз и упирается выступами на обойму 9, а окна «А» и «Б» верхнего штока 8 открыты и цилиндр насоса 11, который вставлен в полый стационарный плунжер насоса 10 также движется вниз, т.к. он соединен с верхней обоймой 9 через переходную муфту верхнего нагнетательного клапана 12 и при этом создается нагнетание жидкости, т.е. добываемой продукции через верхний нагнетательный клапан. Стрелками схематично указано направление движения жидкости. Верхняя обойма 9 имеет возможность свободного вращения в любом направлении на верхнем штоке 8, что придает ей функцию противоотворотного устройства. При этом к верхней части стационарного полого плунжера насоса 10 соединена нижняя обойма 14 в которой перемещается нижний шток с окнами и уступом 15 и при движении цилиндра насоса 11 вниз между элементами конструкции нижнего штока 15 и цилиндром насоса 11 создается трение, что способствует движению нижнего штока 15 вниз до момента пока приемный клапан не закроется, т.е. пока окна нижнего штока 15 не перекроются нижней обоймой 14, когда нижний шток 15 упрется элементами конструкции в нижнюю обойму 14. Также на закрытие приемного клапана принудительно влияет давление столба жидкости, которое имеется в колонне 2,5"НКТ при открытом нагнетательном клапане и также на закрытие приемного клапана влияет действие пружины 16, которая находится между нижней обоймой 8 и нижним штоком 9. В результате мы имеем работу нижнего приемного клапана на закрытие за счет перемещения цилиндра насоса 11 вниз, далее на:
Фиг. 4 колонна штанг 7 движется вверх, где колонна штанг 7 соединенная с верхним штоком 8, через верхнюю и нижнюю часть сцеп-расцепа 19 и 18 и при движении колонны штанг 7 вверх происходит движение верхнего штока 8 вверх до момента пока нижняя часть штока 8 не упрется своими выступами в верхнюю обойму 9, где окно «Б» верхнего штока будет перекрыто верхней обоймой 9, соответственно верхний нагнетательный клапан будет закрыт.Дальнейшее движение вверх колонны штанг 7 приведет к перемещению цилиндра насоса 11 вверх, который соединен с верхней обоймой 9, через переходную муфту верхнего нагнетательного клапана 12, при этом между полым стационарным плунжером 10 и цилиндром 11 создается разрежение, а в самом полом стационарном плунжере 10 имеется избыточное давление, которое имеется на забое скважины и за счет разницы этих давлений нижний шток 15 с уступом и окнами перемещается вверх до того, как нижний шток 15 не упрется уступами в нижнюю обойму 14 и при этом происходит сжатие пружины 16, при этом окна нижнего штока 15 открываются и в результате происходит прием добываемой жидкости в фильтр насоса 5, а далее через полый стационарный плунжер 10 и нижний шток 15 открытых окон добываемая жидкость попадает в полость цилиндра 11. Стрелками схематично указано направление движения жидкости. Также на открытие приемного клапана влияет трение, которое возникает между элементами нижнего штока 15 и цилиндра насоса 11, что заставляет нижний шток 9 принудительно двигаться вверх при движении цилиндра насоса 11 вверх. Нижний шток с уступом и окнами 9 имеет возможность свободного вращения в любом направлении на нижней обойме 14, что придает ей функцию противоотворотного устройства. Далее цикл повторяется. Для извлечения насоса производится подъем колонны штанг 7 вверх, где цилиндр насоса 11 выходит из полого стационарного плунжера 10 и извлекается на поверхность. Далее происходит подъем колонны 2,5 "НКТ 2 без сифона, т.к. в верхней части полого стационарного плунжера под приемным клапаном предусмотрено сливное отверстие 17 через которое вся добываемая жидкость с колонны 2,5 "НКТ 2 перетекает в эксплуатационную колонну 1.
На фиг. 3 и 4 нет позиции 6 и 13, т.к. конструктивно эти элементы не применяется в технологическом процессе работы насоса.
Работа клапана поршневой пары, при которой обеспечивается 100% открытие и закрытие, связана с конструктивной особенностью клапана поршневой пары, где открытие и закрытие происходит в двух параллельных плоскостях (см. представленные схематические рисунки), путем перемещения одной плоскости по отношению к другой в непосредственном соприкосновении двух плоскостей, тем самым создается эффект «ножниц». Данный эффект «ножниц» при закрытии клапана, т.е. возвратно-поступательном движении плунжера позволяет срезать всевозможные механические примеси, которые попали между двумя плоскостями соприкосновения поршневого клапана вплоть до мелких металлических элементов, соизмеримых с размерами окна поршневой пары, и тем самым обеспечивает 100% закрытие клапана. При открытии клапана происходит очищение от механических примесей за счет движения извлекаемой жидкости (продукции) из скважины. В стандартных клапанах шарик и тарелка садятся на седло, и при наличии механических примесей герметичность нарушается, даже при условии принудительного закрытия, т.к. герметичность обеспечивается только при полной посадке шарика и тарелки на седло, а при наличии механических примесей остается кольцевой зазор, который не позволяет закрыться клапану даже принудительным закрытием.
Технико-экономическое преимущество предложения складывается из следующего.
Благодаря надежной работе насоса увеличивается межремонтный период скважины, что приведет к экономии времени и материальных затрат, а также к снижению трудовых ресурсов. Кроме того, одним из конструктивных достоинств клапана поршневой пары является то, что он выполняет функцию противоотворотной муфты, что исключает возможность отворота плунжера во время работы ШГН. Реализация функции противоотворотной муфты возможна благодаря тому, что окна находятся только на одном из элементов плоскостей в непосредственном соприкосновении двух плоскостей по отношению к друг другу, где второй элемент не имеет окон, что не требует совпадения окон и придает конструкции свободное произвольное вращение. Также изменены геометрические размеры окон, составляющих клапан, что при работе позволяет увеличивать пропускную способность продукции скважины, следовательно, увеличить производительность насоса. Данный насос можно использовать с большой длиной хода плунжера до 20 метров и более и смене режима работы насоса.