ШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
SUCKER ROD PUMPING UNIT

Изобретение относится к области механизированной добычи нефти, позволяет осуществлять добычу из фонда скважин, осложненных вязкостью и механическими примесями.
Известна установка, содержащая механизм возвратно-поступательного движения насосов, систему измерения и регистрации параметров насосов, снабженная конической передачей для вращения ротора винтового насоса, а механизм возвратно-поступательного движения штангового насоса - цепным приводом с шарнирным соединением, приводимым в движение электродвигателем с коническим редуктором, причем насосы закреплены на раме с замком-фиксатором, выполненной с возможностью установки под необходимым углом наклона осей насосов (Патент РФ №2159867 F04B 51/00, 27.11.2000 г.).
Однако предложенные в составе установки замки-фиксаторы предназначены для ограничения угла поворота механизмов рамы и не имеют возможности препятствовать продольному перемещению механизмов. В отдельных случаях возникает необходимость ограничения именно продольного перемещения механизмов и узлов конструкций.
Также известна штанговая насосная установка, содержащая колонны насосных труб и штанг, цилиндр с установленными одна над другой ступенями разного диаметра, имеющий сквозной проход в нижней торцевой части ступени большего диаметра, подвешенные на колонне насосных штанг два соединенных соосно между собой и подвижно расположенных внутри цилиндра полых плунжера меньшего и большего диаметра с всасывающим и нагнетательным клапанами, установленными в плунжере большего диаметра, полость которого сообщается с полостью цилиндра с помощью отверстий. Максимальное расстояние от верхнего конца плунжера большего диаметра до места сочленения ступеней цилиндра равна длине хода плунжеров. Груз соединен с нижним концом плунжера большего диаметра и имеет возможность движения через сквозной проход. Груз имеет верхнюю полую часть, сообщающуюся через всасывающий клапан с полостью плунжера большего диаметра. Фильтр расположен в полой части груза. Замковая опора выполнена на уровне сквозного прохода, оснащенного втулкой-скребком.
При крайнем верхнем положении плунжеров низ фильтра расположен не выше уровня втулки-скребка (патент РФ №2395718, F04B 47/00, 2010 г.).
Однако утечки через плунжерную пару, накапливаясь, в полости цилиндра под плунжером большего диаметра, ограничивают длину хода последнего, препятствуя его перемещению вниз, что приводит к значительному снижению работоспособности штанговой насосной установки в целом.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является штанговая насосная установка, содержащая колонны насосных труб и штанг, цилиндр с установленными одна над другой ступенями разного диаметра, имеющий сквозной проход в нижней торцевой части ступени большего диаметра, подвешенные на колонне насосных штанг два соединенных соосно между собой и подвижно расположенных внутри цилиндра полых плунжера меньшего и большего диаметра с всасывающим и нагнетательным клапанами, всасывающий клапан установлен в плунжере большего диаметра, полость которого сообщается с полостью цилиндра с помощью отверстий, при этом максимальное расстояние от верхнего конца плунжера большего диаметра до места сочленения ступеней цилиндра равна длине хода плунжеров, груз, имеющий верхнюю полую часть, сообщающуюся через всасывающий клапан с полостью плунжера большего диаметра, соединенный с нижним концом плунжера большего диаметра и имеющий возможность движения через сквозной проход, фильтр, расположенный в полой части груза, замковую опору, выполненную на уровне сквозного прохода, оснащенного втулкой-скребком, отличающаяся тем, что верхняя часть цилиндра снабжена тороидальными грузами, тороидальные грузы снабжены резиновыми уплотнительными кольцами, посадочное место для которых выполнено повышенной чистоты, над тороидальными грузами на наружной поверхности цилиндра размещены подпружиненные фиксаторы в форме равнобедренного треугольника, вершина которого направлена вверх, нижняя часть цилиндра снабжена нижними уплотнительными кольцами; в нижнем конце плунжера меньшего диаметра установлена нагнетательная клапанная коробка диаметром, превышающим диаметр этого плунжера, в которой размещен нагнетательный клапан, максимальное расстояние от верха клапанной коробки до места сочленения ступеней цилиндра больше длины хода плунжеров, в нижней части плунжера большего диаметра выполнен клапан компенсации утечек, представляющий собой клетку клапана с седлом и запорным органом в форме шара (патент RU №2565947, F04B 47/02, 2014 г.).
Однако ударные нагрузки, возникающие при достижении нижней мертвой точки во время хода колонны насосных штанг вниз, приводят к сокращению межремонтного периода работы скважины, снижают герметичность плунжерной пары. Также в процессе работы плунжерного насоса может наблюдаться смещение тороидальных грузов по причине недостаточного качества изготовления, ошибок при монтаже, износа в процессе работы.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в обеспечении полноценной работоспособности насоса повышением прижимающей силы тороидальных грузов, путем изменения геометрии нижней части тороидальных грузов и их посадочного места, сохранением длины хода плунжера большего диаметра.
Поставленная задача решается тем, что штанговая насосная установка, содержащая колонны насосных труб и штанг, цилиндр с установленными одна над другой ступенями разного диаметра, имеющий сквозной проход в нижней торцевой части ступени большего диаметра, подвешенные на колонне насосных штанг два соединенных соосно между собой и подвижно расположенных внутри цилиндра полых плунжера меньшего и большего диаметра с всасывающим и нагнетательным клапанами, всасывающий клапан установлен в плунжере большего диаметра, полость которого сообщается с полостью цилиндра с помощью отверстий. Максимальное расстояние от верхнего конца плунжера большего диаметра до места сочленения ступеней цилиндра равна длине хода плунжеров. Груз соединен с нижним концом плунжера большего диаметра и имеет возможность движения через сквозной проход. Груз имеет верхнюю полую часть, сообщающуюся через всасывающий клапан с полостью плунжера большего диаметра. Фильтр расположен в полой части груза. Замковая опора выполнена на уровне сквозного прохода, оснащенного втулкой-скребком. Верхняя часть цилиндра снабжена тороидальными грузами, тороидальные грузы снабжены резиновыми уплотнительными кольцами, посадочное место для которых выполнено повышенной чистоты, над тороидальными грузами на наружной поверхности цилиндра размещены подпружиненные фиксаторы, в форме равнобедренного треугольника, вершина которого направлена вверх, нижняя часть цилиндра снабжена нижними уплотнительными кольцами; в нижнем конце плунжера меньшего диаметра установлена нагнетательная клапанная коробка диаметром, превышающим диаметр этого плунжера, в нижней части которой размещен нагнетательный клапан, максимальное расстояние от верха клапанной коробки до места сочленения ступеней цилиндра больше длины хода плунжеров, в нижней части плунжера большего диаметра выполнен клапан компенсации утечек, представляющий собой клетку клапана с седлом и подпружиненным запорным органом в форме шара. Согласно изобретению нижний ряд тороидальных грузов поверхностью, обращенной в сторону цилиндра большего диаметра, в осевом сечении выполнены в форме усеченного конуса с отверстием по центру, также плунжер большего диаметра в нижней своей части оснащен тарельчатой пружиной.
На фиг. 1 показана конструкция устройства, на фиг. 2 показан перепускной клапан.
Устройство содержит колонны насосно-компрессорных труб 1 и штанг 2, цилиндр 3 с установленными одна над другой ступенями разного диаметра; полые плунжеры: меньшего диаметра 4 - верхний и большего диаметра 5 - нижний, снабженные соответственно нагнетательным 6 и всасывающим 7 клапанами, причем нагнетательный клапан 6 размещен в нагнетательной клапанной коробке 8 в нижнем конце плунжера 4 меньшего диаметра. Диаметр нагнетательной клапанной коробки 8 превышает диаметр плунжера 4. Максимальное расстояние от верха нагнетательной клапанной коробки 8 до места сочленения ступеней цилиндра 3 больше длины хода плунжеров. Полость плунжера 5 сообщается с полостью цилиндра 3 через отверстия 9, с полостью плунжера 4 посредством нагнетательного клапана 6 и с полостью фильтрового груза 10 посредством всасывающего клапана 7. В нижней части плунжера 5 большего диаметра выполнен клапан 11 компенсации утечек (подробно изображен на фиг. 2), представляющий собой клетку клапана с седлом и подпружиненным запорным органом в форме шара, перепуск газожидкостной смеси производится в полость фильтрового груза. Верхняя часть цилиндра 3 снабжена тороидальными грузами 12, препятствующими страгиванию цилиндра 3 при ходе колонны штанг 2 вверх, причем нижние грузы 14 поверхностью, обращенной в сторону цилиндра большего диаметра в осевом сечении выполнены в форме усеченного конуса с отверстием по центру, и верхними уплотнительными кольцами 13, предназначенными для защиты зазора, образованного наружной стенкой цилиндра 3 и внутренней стенкой насосно-компрессорных труб 1 от попадания мехпримесей, и предотвращая заклинивание насоса в насосно-компрессорных трубах 1. Нижняя часть цилиндра 3 снабжена нижними уплотнительными кольцами 15, герметизирующими нижнее посадочное место 16 цилиндра 3, оснащенное втулкой-скребком 17 для очистки фильтра 18 штанговой насосной установки, выполненного в полой части фильтрового груза 10. Для удержания тороидальных грузов 12, 14 от осевого перемещения во время установки верхних уплотнительных колец 13 на верхнее посадочное место 19, выполненное повышенно чистым во избежание их повреждения, на наружной поверхности цилиндра 3 установлены подпружиненные фиксаторы 20 в форме равнобедренного треугольника, вершина которого направлена вверх. Для обеспечения безударного движения плунжера при его достижении нижней мертвой точки под плунжером большего диаметра установлена тарельчатая пружина 21.
Штанговая насосная установка работает следующим образом: при ходе вверх колонны штанг 2 всасывающий клапан 7 закрывается под действием избыточного давления в полости плунжера 5 большего диаметра вследствие перетекания газожидкостной смеси из полости, образованной цилиндром 3 и расположенными друг над другом плунжерами большего и меньшего диаметров 5 и 4, через отверстия 9 в указанную полость. При этом нагнетательный клапан 6 открывается, и газожидкостная смесь движется вверх по ходу колонны штанг 2 со скоростью, обеспечиваемой добываемым объемом нефти; выполненный в полой верхней части фильтрового груза 10 фильтр 18 очищается, проходя втулку-скребок 17, что сокращает число подземных ремонтов по причине засорения фильтра 18. Тороидальные грузы 12, размещенные в верхней части цилиндра 3 удерживают его, препятствуя страгиванию при ходе колонны штанг 2 вверх. Нижний ряд тороидальных грузов поверхностью, обращенной в сторону цилиндра большего диаметра, в осевом сечении выполнены в форме усеченного конуса с отверстием по центру. Таким образом обеспечивается гарантированная прижимающая сила на торец цилиндра большего диаметра, расположение торца большего цилиндра не должно быть выше точки изменения профиля колонны насосных труб, для обеспечения гарантированной прижимающей силы. При смещениях в процессе функционирования скошенные тороидальные грузы будут позиционировать цилиндр большего диаметра при воздействии смещающей силы, удерживая его в исходном положении.
Насосные трубы в месте расположения тороидальных грузов выполнены большим диаметром для увеличения веса грузов.
Секции грузов с уплотнительными кольцами устанавливаются чередованием с секциями без колец для снижения сил трения и обеспечения их сохранности при спуско-подъемных операциях.
При ходе вниз нагнетательный клапан 6 закрывается из-за снижения давления в полости, образованной цилиндром 3, и расположенными друг над другом плунжерами большего и меньшего диаметров 5 и 4, всасывающий клапан 7 открывается за счет давления на приеме насоса, в плунжер большего диаметра 5 поступает газожидкостная смесь через фильтр 18.
В процессе работы штангового насоса в области под плунжером 5 большего диаметра накапливается газожидкостная смесь в результате утечек в плунжерной паре, что препятствует движению вышеупомянутого плунжера 5 вниз и снижает его длину его хода. Клапан 11 компенсации утечек позволяет перепускать их во внутреннюю полость фильтрового груза 10. Клапан компенсации утечек открывается при ходе колонны насосных штанг вниз.
Тарельчатая пружина 21 обеспечивает безударную остановку плунжера, обеспечивая тем самым более равномерный ход работы установки, снижая нагрузки на плунжерную пару и колонну насосных штанг.
Фильтровый груз 10, находящийся вне полости насосно-компрессорных труб 1, облегчает движение плунжеров 4,5 и колонны штанг 2 вниз в вязких средах, при этом газожидкостная смесь, находящаяся в насосно-компрессорных трубах 1, всем объемом перемещается вниз по ходу движения колонны штанг 2.
В процессе работы насоса возможно попадание мехпримесей в зазор между наружной стенкой цилиндра 3 и внутренней стенкой замковой опоры 14, что приведет к заклиниванию насоса в замковой опоре 14. Этому препятствуют резиновые уплотнительные кольца 13 на посадочном месте 19 повышенной чистоты. Во время установки этих резиновых уплотнительных колец 13 неизбежно осевое перемещение тороидальных грузов 12. Во избежание этого над ними на поверхности цилиндра 3 размещены подпружиненные фиксаторы 20, выполненные в форме равнобедренного треугольника, вершина которого направлена вверх.
Внутренний диаметр насосно-компрессорных труб 1 больше внутреннего диаметра посадочного места 19 резиновых уплотнительных колец 13 для обеспечения их сохранности во время спуско-подъемных операций.
Таким образом, предложенная конструкция штанговой насосной установки обеспечивает полноценную работоспособность насоса, исключением попадания мехпримесей в зазор между стенкой насоса и внутренней стенкой замковой опоры, т.е. заклинивания насоса в замковой опоре и сохранением длины хода плунжера большего диаметра.