Подвесной компрессор с приводом от балансира станка-качалки

Полезная модель относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности к установкам для механизированной добычи продукции из скважин, и может быть использована для откачки сепарированного газа из затрубного пространства нефтяной скважины, оборудованной штанговой установкой, для увеличения дебита нефти.
Известно, что скопление газа в затрубном пространстве приводит к отжиму динамического уровня вплоть до приема насоса, снижению притока нефти к забою за счет уменьшения депрессии на пласт, а в конечном итоге - к срыву подачи нефти штанговым насосом.
Известны установки штангового нефтяного насоса (патенты РФ № 49923, 122453), которые, с целью откачки газа из затрубного пространства скважин, заполненным нефтяным газом, снабжены дополнительным цилиндром с проточным плунжером, которые позволяют перепускать газ из затрубного пространства в колонну насосно-компрессорных труб.
Однако, известные штанговые установки характеризуются возникновением значительных гидравлических сопротивлений в момент хода колонны штанг вниз при добыче нефти повышенной вязкости, что существенно затрудняет добычу нефти повышенной вязкости.
Кроме того, для спуска дополнительного цилиндра с проточным плунжером в насосно-компрессорная трубу (НКТ) необходимо произвести подземный ремонт скважины.
Известно применение для отбора газа из затрубного пространства двух и более скважин подвесного  компрессора с приводом от балансира станка-качалки.
Например, известен подвесной компрессор с приводом от балансира станка-качалки по патенту  RU № 2122105С1, содержащий цилиндр с установленным в его полости поршнем, всасывающей линией, соединенной с затрубным пространством скважины. Часть компрессора, ограниченная стенками цилиндра и тыльной стороной поршня, герметично соединена с затрубным пространством этой же или другой скважины. При этом,  используются полости с обеих сторон поршня для нагнетания газа из затрубного пространства двух скважин.
Однако данный компрессор характеризуется невысокой  надежностью работы, поскольку поршневая пара компрессора подвержена достаточно быстрому износу, что приводит к невозможности работы компрессора.
Кроме того, давление газа в затрубном пространстве эксплуатируемых скважин, как правило,  различно. Это приводит к тому, что через образовавшийся в результате износа зазор будет поступать газ из области высокого давления в область низкого давления, что создаст препятствия для   откачки газа из обеих скважин.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является подвесной компрессор с приводом от балансира станка-качалки по патенту RU № 162632U1. Подвесной компрессор включает цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны в крышке, в верхней части цилиндра, поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре в нагнетания и всасывания.  Поршень расположен в цилиндре с зазором между его боковыми цилиндрическими поверхностями, перекрытым сальниковым уплотнением, установленным в нижней части цилиндра. Наружная сторона верхнего торца цилиндра имеет шарнирную опору, выполненную с возможностью крепления на балансире станка-качалки, а нижняя часть поршня имеет шарнирную опору, выполненную с возможностью крепления на стойке станка-качалки. Полость цилиндра частично заполнена рабочей жидкостью, в частности техническим маслом. Всасывающий клапан компрессора трубопроводной линией соединен с затрубным пространством скважины, а нагнетательный клапан трубопроводной линией соединен с коллектором для дальнейшей транспортировки газа потребителю.
В такте всасывания газа из затрубного пространства скважины поршень движется от крышки цилиндра к сальниковому уплотнению, и рабочая жидкость вытесняется из зазора в цилиндр, а в такте вытеснения газа, при обратном движении поршня, рабочая жидкость под давлением входит в этот зазор. Присутствие рабочей жидкости в зазоре образует гидрозатвор, который увеличивает степень сжатия газа в компрессоре и эффективность его работы.
Однако в процессе эксплуатации такого подвесного компрессора происходят естественные утечки рабочей жидкости из компрессора через сальниковое уплотнение вследствие значительного повышения давления в цилиндре компрессора и, соответственно, в зазоре между цилиндром и поршнем в такте нагнетания газа в коллектор. Повышение давления обуславливает выдавливание рабочей жидкости из цилиндра в зазор и далее через сальниковое уплотнение из компрессора. Потеря рабочей жидкости из компрессора приводит к резкому уменьшению степени сжатия газа компрессором и выходу его из строя.
В основу настоящей полезной модели поставлена задача повышения надежности и ресурса работы подвесного компрессора к станку-качалке путем снижения утечек рабочей жидкости из компрессора через сальниковое уплотнение.
Поставленная задача решается тем, что в подвесном компрессоре с приводом от балансира станка-качалки, содержащем цилиндр, включающий  всасывающий и нагнетательный клапаны, поршень, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения с образованием зазора между наружной цилиндрической поверхностью поршня и внутренней цилиндрической поверхностью цилиндра, сальниковое уплотнение, установленное на внутренней поверхности цилиндра и перекрывающее указанный зазор, при этом цилиндр выполнен с возможностью заполнения части его полости рабочей жидкостью, согласно предлагаемой полезной модели, по крайней мере часть поршня, располагаемая над сальниковым уплотнением в конце такта нагнетания компрессора, выполнена полой, со сквозными отверстиями, располагаемыми над сальниковым уплотнением при положении поршня  в конце такта всасывания.
Благодаря тому, что, по крайней мере, часть поршня выполнена полой и поршень в верхней части снабжен сквозными отверстиями, рабочая жидкость будет перетекать из цилиндра в полость поршня в такте нагнетания. При этом давление в кольцевом зазоре над сальниковым уплотнением будет поднимется незначительно, поскольку начальное давление в полом поршне соответствует примерно атмосферному значению.
Снижение давления в кольцевом зазоре практически устраняет утечки рабочей жидкости из компрессора через сальниковое уплотнение, и, соответственно, предотвращает снижение степени сжатия газа компрессором, тем самым повышает надежность и ресурс работы поршневого компрессора.
Целесообразно, чтобы поршень был выполнен с возможностью заполнения части его полости рабочей жидкостью.
Дополнительная рабочая жидкость в полости поршня играет роль демпфера и увеличивает общий объем рабочей жидкости, тем самым повышает ресурс работы рабочей жидкости в компрессоре и, соответственно, надежность работы компрессора.
С целью обеспечения максимального объема рабочей жидкости в поршне, позволяющей максимально повысить ресурс работы рабочей жидкости в компрессоре, целесообразно, чтобы весь поршень, входящий в цилиндр в такте нагнетания, был выполнен полым, а также чтобы полость поршня была заполнена рабочей жидкостью до уровня указанных сквозных отверстий при положении поршня в конце такта всасывания.
Целесообразно, чтобы площадь отверстий  поршня было не меньше площади кольцевого зазора между поршнем и цилиндром.
Такое соотношение площадей позволяет избежать возникновение дополнительных сопротивлений при перетоке рабочей жидкости из полости цилиндра в полость поршня.
Для обеспечения максимального ресурса работы рабочей жидкости в компрессоре целесообразно, чтобы цилиндр был заполнен рабочей жидкости в объеме, не меньшем суммы объема полости поршня, объема кольцевого зазора, объема мертвого пространства при положении поршня в конце такта нагнетания.
Данный объем рабочей жидкости в цилиндре является максимально возможным.
В дальнейшем предлагаемая полезная модель будет более подробно раскрыта на конкретных примерах ее выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображены:
Фиг. 1 - схема компрессора при положении  поршня в конце такта всасывания;
Фиг. 2 - схема компрессора при положении  поршня в конце такта нагнетания;
Фиг. 3 - схема компрессора при положении поршня в промежуточном положении в такте нагнетания .
Компрессор содержит цилиндр 1, включающий крышку 11 с  установленными в ней  подпружиненным всасывающим клапаном 12 и нагнетательным  клапаном 13. В качестве всасывающего клапана 12 может быть использован известный подпружиненный  шаровой клапан, а в качестве нагнетательного клапана 13  - известный шаровой клапан.
Всасывающий клапан 12 соединен с затрубным пространством скважины гибким рукавом высокого давления (не показан), а нагнетательный клапан 13 аналогично соединен с коллектором (не показаны).
К цилиндру 1 в области крышки 11 (далее по тексту условно - верхняя часть цилиндра) закреплен кронштейн 2, выполненный с возможностью установки в шарнире балансира станка–качалки (на рис. не показан).
Компрессор содержит поршень 3, установленный в цилиндре 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения с образованием зазора 4 между наружной боковой  цилиндрической поверхностью 31 поршня 3 и внутренней боковой цилиндрической поверхностью 14 цилиндра 1.
Величина зазора 4 определяется группой посадки поршня в цилиндре при бесконтактном уплотнении по известным методикам.
На внутренней поверхности 14 цилиндра 1, в нижней его части,  установлено сальниковое уплотнение 5, перекрывающее указанный зазор 4.
В предпочтительном варианте весь поршень 3, располагающийся в цилиндре 1 над сальниковым уплотнением 5 в конце такта нагнетания компрессора, выполнен полым. При этом полой может быть выполнена только передняя по ходу движения поршня в такте нагнетания (Фиг. 2) часть  поршня (далее условно эта часть поршня будет именоваться, как верхняя часть 32).
К противоположной части поршня 3 (далее условно эта часть поршня будет именоваться, как нижняя часть 33), расположенной вне цилиндра 1 в конце такта нагнетания, закреплен кронштейн 6, выполненный с возможностью установки в шарнире стойки станка – качалки (на рис. не показан).
В верней части 32 полого поршня 3 выполнены сквозные отверстия 35. Отверстия 35 в поршне 3 расположены таким образом что при положении поршня 3 в конце такта всасывания (Фиг. 1),  нижние уровни отверстий 35 располагались  над верхним уровнем сальникового уплотнения 5.
Цилиндр 1 и поршень 3 выполнены с возможностью заполнения части их полостей рабочей жидкостью 7. В качестве рабочей жидкости могут быть использованы жидкости, имеющие трибологические характеристики, достаточные для работы компрессора по заданным техническим характеристикам, например техническое масло.
Рабочую жидкость 7 заливают в полость 15 цилиндра 1 и полость 36 поршня 3 перед креплением компрессора на станке-качалке (не показан).
Исходный объем рабочей жидкости 7, первоначально заливаемой в полость 15 цилиндра 1, определяют из условия равенства этого объема сумме внутреннего объема полости 36 поршня 3 , объема кольцевого зазора 4 при положении поршня 3 в конце такта нагнетания (Фиг. 2) и объема  мертвого пространства 8, который поддерживают как по техническим, так и технологическим причинам для предотвращения контакта поршня 3 с цилиндром 1.
Исходный объем рабочей жидкости 7 в полости 15 цилиндра 1 может несколько превышать рассчитанную указанным образом величину,  при этом излишки этой жидкости под действием газовой шапки 37 во внутренней полости 36 поршня 3 при верхнем его положении (Фиг. 1) откачиваются вместе с газом через нагнетательный клапан 13 в коллектор .
В случае, когда диаметр и длина хода поршня являются достаточно большими, объемы рабочей жидкости также будут значительными, при этом объем заливаемой в цилиндр рабочей жидкости необходимо корректировать с учетом давления в коллекторе и объема сжатого газа в верхней части внутренней полости поршня в конце такта нагнетания.
Исходный объем рабочей жидкости 7, первоначально заливаемой в полость 36 поршня 3, выбирают из условия, чтобы  уровень 71 рабочей жидкости 7 в полости 36 поршня 3 немного не достигал уровня отверстий 35 при положении поршня 3 в начале такта нагнетания (Фиг.2).
При этом общий минимальный объем рабочей жидкости в компрессоре создают и поддерживают, исходя из условия, чтобы при верхнем положении поршня 3, в конце такта нагнетания (Фиг.2), уровень 71 рабочей жидкости 7 в поршне 3 был расположен выше уровня верхней части отверстий 35.
Возможно выполнение компрессора, и его работа без заливки рабочей жидкости в полость поршня в исходном состоянии компрессора, при  этом полой будет выполнена только передняя часть поршня, когда плоскость нижнего торца полой части поршня находится на уровне нижней точки сквозных отверстий поршня в конце такта всасывания .
Однако наличие рабочей жидкости в поршне и больший объем полости  поршня позволяют увеличить общий рабочий объем рабочей жидкости в компрессоре, что обуславливает увеличение ресурса работы рабочей жидкости и всего компрессора.
Во избежание дополнительных сопротивлений при перетоке рабочей жидкости из полости  15 цилиндра 1 в полость 36 поршня 3, в предпочтительном варианте, отверстия 35 и зазор 4 выполняют таким образом, чтобы общая площадь отверстий  35 была больше площади кольцевого зазора 4, исключающее штуцирование. При этом, параметры отверстий определяют известными методами, в зависимости от многих факторов (вязкость масла, температура, скорость поршня, наличие конденсата и т.д.).
Компрессор работает следующим образом.
При работе станка–качалки балансир совершает движение вверх и вниз, заставляя поршень 3  совершать возвратно-поступательные движения в цилиндре 1 между двумя крайними точками: в конце такта всасывания (Фиг.1), которое условно здесь по тексту называется  крайним нижним положением, и в конце такта нагнетания (Фиг.2,) которое условно здесь по тексту называется крайним верхним положением.
При движении поршня 3 от крайнего верхнего к крайнему нижнему положению в полость 15 цилиндра 1 через всасывающий клапан 12 поступает газ из затрубного пространства скважины (такт всасывания газа). При этом часть рабочей жидкости постепенно вытекает через отверстия 35 из полости 36 поршня 3 в зазор 4 и далее в полость 15 цилиндра 1. В крайнем нижнем положении поршня 1 отверстия 35 поршня 3 расположены выше сальникового уплотнения 5, при этом полость 36 полого поршня 3 и полость 15 цилиндра 1, включая зазор 4, частично заполнены рабочей жидкостью 7, а полость 15 цилиндра 1 над уровнем 72 рабочей жидкости 7 заполнена газом из затрубного пространства.
При обратном движении  поршня 3, в период движения поршня 3 в цилиндре 1, как показано на Фиг. 3,  давление газа в цилиндре 1 повышается и достигает давления нагнетания в коллектор, при котором газ из полости 15 цилиндра 1 вытесняется через нагнетательный клапан 13  в коллектор. Рабочая жидкость из полости 15 цилиндра 1 поступает в кольцевой зазор 4 между ним и поршнем 3. Благодаря тому, что полость 36 поршня 3 только частично заполнена рабочей жидкостью 7, образуя газовую подушку над уровнем 71 рабочей жидкости 7, рабочая жидкость  перетекает из зазора 4 в полость 36 поршня 3 через отверстия 35, сжимая газ в газовой подушке поршня 3.
При этом давление в кольцевом зазоре 4 ниже отверстий 35 будет подниматься  незначительно за счет поступления рабочей жидкости в полость 36 поршня 3, поскольку начальное давление в полости 36 поршня 3 соответствует примерно атмосферному значению. Незначительное повышение давления в кольцевом зазоре 3 ниже отверстий 35 предупреждает утечки рабочей жидкости из компрессора через сальниковое уплотнение 5, тем самым обеспечивая высокую надежность и ресурс работы компрессора.
В момент подхода поршня 3 в крайнее верхнее положение (Фиг.2)  вся рабочая жидкость из полости 15 цилиндра 1 войдет в полость 36  поршня 3, сжав в нем газ на максимальную величину. Предельное значение этого давления может соответствовать давлению в коллекторе.
Излишки жидкости в полости 15 цилиндра 1 над поршнем 3 (если они образуются) при достижении поршнем 3 крайнего верхнего положения вытесняются в коллектор через нагнетательный клапан 13. Такой случай будет иметь место при первом качании балансира после запуска его в работу.
Далее описанные циклы будут повторяться. При этом при ходе поршня 3 вниз давление газовой подушки в полости 36 поршня 3 помогает вытеснению рабочей жидкости из полости 36 поршня 3 в полость 15 цилиндра 1.
Таким образом, работа компрессора позволяет постепенно откачивать газ из затрубного пространства и снижать в нем давление, что благоприятно отражается на работе установки и увеличивает депрессию на пласт.