САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ МАГНИТНЫЙ КЛАПАН ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к установкам штанговых глубинных насосов и может быть использована для эксплуатации нефтяных скважин, в том числе горизонтальных и наклонно-направленных.
В процессе эксплуатации штанговых насосных установок необходимо учитывать негативные факторы, осложняющие работу штанговых глубинных насосов (ШГН): большое газосодержание на приеме насоса, большое содержание механических примесей, асфальтосмолистые парафиновые отложения (АСПО) в насосно-компрессорных трубах (НКТ) и на насосных штангах, солей в узлах ШГН и в НКТ, значительная кривизна скважин, высоковязкие эмульсии, высоковязкие нефти. В тех случаях, когда они проявляются совокупно, возникает потребность борьбы одновременно с рядом осложняющих факторов.
Чаще всего возникают осложнения вследствие влияния газа на работу насоса, уменьшающего коэффициент наполнения цилиндра.
Из практики эксплуатации ШГН выявлена закономерность: чем больше расстояние между нижней частью плунжера до всасывающего клапана (вредное пространство), тем выше вероятность срыва подачи жидкости из-за наличия газа.
Кроме того в насос попадают дополнительные отложения в виде механических примесей, или же насос работает в условиях высоковязких нефтей, АСПО и различных солей.
Снижение «вредного пространства» насоса достигается корректной подгонкой насоса при завершении текущего или капитального ремонта скважины, однако в силу человеческих факторов это не всегда выполняется. Данные мероприятия имеют и обратный эффект, когда подгонка плунжера выполнена с избыточной посадкой, это может привести к отказу насосной установки по причине частого соударения плунжера и цилиндра насоса. Вероятность стабильной работы насоса, даже при наличии в нем «вредного пространства» увеличивается, если насос максимально погружен под динамический уровень, то есть давление на приеме насоса увеличено, тем самым повышен подпор и снижено вредное влияние газа, который находится в растворенном состоянии и не имеет возможности свободного проявления. Если насос спущен на достаточную глубину, в которой давление столба жидкости равно давлению насыщения, то вредного влияния газа не проявляется, потому что свободного газа в таких условиях нет. Однако при заглублении насоса ближе к интервалу перфорации скважины в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах возникает проблема, связанная с отказами клапанов штангового глубинного насоса, которые не работают в участках ствола скважины с отклонениями от вертикали более 40 градусов.
Существует множество различных методов для борьбы с осложнениями при работе ШГН. Так, с отложениями АСПО и высоковязкими эмульсиями борются, применяя различные химические реагенты, деэмульгаторы, растворители АСПО, ингибиторы АСПО, предотвращающие образование парафина. Также применяют термическую обработку скважины горячей нефтью и водой, установку газо-песочных якорей для снижения влияния механических примесей на работу насоса и прочие методы.
Недостаток этих методов заключается в том, что для их реализации необходимо осуществлять дополнительные затраты на химикаты, специальную технику, персонал или услуги подрядных организаций.
В качестве альтернативы дорогостоящим методам используют насосы со специальными клапанами. Например, известны клапаны штанговых насосов, состоящие из пары седло-шарик («Скважинные штанговые насосы для добычи нефти», каталог, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1988 г.). Недостатком таких клапанов является то, что они плохо работают в наклонных скважинах при перекачке при перекачке вязких и загрязненных жидкостей.
Известен пружинный клапан поршневого насоса (патент РФ №2180709, МПК F16K 15/02, опубл. 15.02.2002 г.), содержащий установленное в корпусе седло, взаимодействующую с ним тарель со штоком, проходящим через направляющую, выполненную в перегородке с периферийными отверстиями для прохода жидкости. Шток снабжен, по крайней мере, одной дополнительной тарелью, взаимодействующей с перегородкой без перекрытия периферийных отверстий и расположенной вне зоны седла с возможностью синхронного взаимодействия соответствующих таре лей с седлом и перегородкой. На шток надета пружина сжатия, которая поджимает тарель к седлу и принудительно закрывает клапан.
Пружинный клапан может работать в сложных условиях, но из-за коррозии он быстро ломается ввиду разрушения стали. Поломка пружин приводит к большим потерям, останавливаются скважины, производится подъем насоса для замены, и в итоге нефтегазодобывающие предприятия несут дополнительные потери.
Известен самоустанавливающийся клапан штангового глубинного насоса (патент РФ №2616145, МПК F16K 15/04, опубл. 12.04.2017 г.), содержащий корпус, центратор с проходными отверстиями, наклонный лоток с промывочными каналами, седло и шар. На одном конце центральной оси самоустанавливающегося клапана эксцентрично закреплен наклонный лоток, выполненный облегченным. 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. Вогнутая поверхность наклонного лотка выполнена в виде ложа с продольными полозьями и промывочными каналами между ними.
Недостатком данного клапана является сложность конструкции, приводящая к снижению надежности устройства.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции и повышение надежности клапана.
Техническим результатом полезной модели является увеличение КПД насоса за счет повышения герметичности клапанной пары.
Поставленная задача решается и технический результат достигается самоустанавливающимся магнитным клапаном штангового глубинного насоса, содержащим корпус, в котором размещена клапанная пара, состоящая из шарика, взаимодействующего с металлическим седлом, под которым установлено магнитное кольцо, имеющее размеры, аналогичные седлу.
Сущность полезной модели поясняется принципиальной схемой ШГН с самоустанавливающимися магнитными клапанами: нагнетательным и всасывающим.
Насос содержит плунжер 1, перемещающийся внутри цилиндра 2, соединенного с НКТ (на чертеже не показано). В нижней части плунжера установлен нагнетательный клапан, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан. Конструкция клапанов одинакова и включает корпус 3 с размещенной в нем клапанной парой, состоящей из шарика 4, взаимодействующего с седлом 5, под которым установлено магнитное кольцо 6, имеющее размер, аналогичный размеру соответствующего седла. В нижней части насоса установлен приемный фильтр 7 для улавливания крупного мусора.
Самоустанавливающиеся нагнетательный и всасывающий магнитные клапаны в составе ШГН работают следующим образом. При движении плунжера 1 вверх закрывается шарик нагнетательного клапана, происходит подъем жидкости, находящейся над плунжером, на поверхность, при этом в цилиндре насоса снижается давление и происходит открытие шарика всасывающего клапана за счет перепадов давлений между полостью цилиндра насоса 2 и давлением в скважине. При движении плунжера вниз происходит посадка шарика всасывающего клапана в седло 5 и открытие шарика нагнетательного клапана, жидкость через полый плунжер перетекает в НКТ. Из-за воздействия силы притяжения магнитных колец 6 происходит самоустановка шариков всасывающего и нагнетательного клапанов в седла, обеспечивая максимальную герметичность даже при эксплуатации скважины с углом наклона от вертикали более 40 градусов.
По причине отсутствия в конструкции клапана дополнительных узлов и механизмов, отсутствует вероятность их отказа, а следовательно повышается надежность устройства. За счет увеличения силы притяжения шарика к седлу, благодаря магнитному кольцу обеспечивается герметичность клапанной пары и снижается влияние естественной гравитационной силы в скважинах с углом наклона от вертикали более 40 градусов.
Данная полезная модель прошла опытно-промысловые испытания в скважинах ООО «Башнефть-Добыча». В двух скважинах штанговый глубинный насос был спущен в участки ствола с отклонением от вертикали 87,3 и 89,7 градусов. За счет заглубления и безотказной работы ШГН получен эффект в виде дополнительной добычи нефти 2,5 и 4,7 тонн в сутки. Испытания признаны успешными.
Таким образом, использование предложенного самоустанавливающегося магнитного клапана ШГН упрощает конструкцию и позволяет повысить надежность и стабильность работы насоса.