СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ КЛАПАНАМИ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для эксплуатации наклонно-направленной скважины при добыче высоковязкой эмульсии и нефти с повышенным содержанием асфальтосмолопарафиновых веществ.
Известный глубинный штанговый насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном, полый плунжер, расположенный в нижней части полого плунжера перевернутое седло нагнетательного клапана, запорный элемент которого соединен с колонной приводных насосных штанг через шток с центратором, переходник [1].
Нагнетательный клапан в этом насосе является управляемым и работает согласно с движением плунжера, что очень важно при откачке высоковязкой жидкости в наклонных скважинах.
Однако в конструкции насоса имеет место сужение критического проходного сечения в седле нагнетательного клапана, где расположен шток, промежуточное звено между указанным клапаном и колонной насосных штанг, что приводит к возникновению дополнительного гидравлического сопротивления на этом участке, ограничению диаметра силового штока, а значит, к расслаблению его соединения с клапаном.
Клапанный разъем в этом насосе подвергается ударным нагрузкам, особенно при возникновении трений в плунжерной паре. Не исключено попадание в этот разъем твердых частиц. Все это приводит к преждевременному выходу из строя клапанной пары, к снижению надежности насоса. Кроме того, в целом работоспособность насоса снижается из-за зависания всасывающего клапана в наклонно-направленной скважине при откачке высоковязкой эмульсии и нефти.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предполагаемой полезной модели является глубинный штанговый насос, содержащий соединенный с колонной
насосно-компрессорных труб цилиндр с боковым приемным каналом, полый плунжер с нагнетательным клапаном, расположенный над плунжером с возможностью действия в пределах рабочего хода нагнетательного клапана преобразователь направления движения колонны насосных штанг, соединенный с последней с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем шара нагнетательного клапана [2].
Однако при спуске этого насоса в наклонно- направленной скважине из-за конструктивной особенности боковой приемной части цилиндра (отсутствует всасывающий клапан), происходит засорение его фильтра твердыми неорганическими отложениями и асфальто-смолопарафиновыми веществами от стенки эксплуатационной колонны скважины. А использование в данном трубном насосе стандартного цилиндра с всасывающим клапаном при откачке высоковязкой жидкости в наклонно-направленных скважинах, происходит зависание или запаздывание срабатывания всасывающего клапана, снижающее работоспособность насоса в целом.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности работы скважинного штангового насоса при откачке высоковязкой жидкости в наклонно-направленной скважине
Поставленная задача решается тем, что скважинный штанговый насос с гидромеханически управляемыми клапанами, содержащий связанный с колонной насосно-компессорных труб цилиндр с всасывающим клапаном и радиальными каналами, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения плунжер с нижним нагнетательным клапаном, установленный над плунжером с возможностью действия в пределах рабочего хода нагнетательного клапана преобразователь направления движения колонны насосных штанг, соединенный с последней с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем, снабженным амортизатором, изолированным от влияния агрессивной среды, выполнен вставным и установлен в колонне насосно-компрессорных труб с нижним замковым креплением. При этом кольцевое пространство, образовавшееся выше замкового крепления между цилиндром и насосно-компессорной трубой, гидравлически связано с внутренней полостью
цилиндра через радиальные каналы в конце восходящего хода плунжера. Причем, радиальные каналы выполнены на верхней части цилиндра на уровне ниже нижнего торца плунжера при его крайнем верхнем положении в виде двух диаметрально расположенных отверстий.
На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого насоса.
На фиг.2 - продольный разрез верхней части этого же насоса в момент движения плунжера вверх.
Скважинный штанговый насос с гидромеханически управляемыми клапанами состоит из цилиндра 1 со всасывающим клапаном 2, расположенного в цилиндре 1 с возможностью возвратно-поступательного движения плунжера 3 с нижним нагнетательным клапаном 4. На цилиндре 1 на одном уровне выполнены два противоположных радиальных отверстия 5, которые в конце восходящего хода плунжера 3 гидравлически сообщают внутреннюю полость цилиндра 1 с кольцевым пространством 6, образующимся между корпусом цилиндра 1 и насосно-компрессорной трубой 7, выше замкового крепления 8. Между плунжером 3 и колонны насосных штанг 9 установлен преобразователь направления движения колонны насосных штанг (в дальнейшем преобразователь), выполненный в виде плоского механизма, состоящего из коромысла 10 с осью 11 в корпусе 12. Концы коромысла 10 соединены шарнирно с верхним штоком 13 и штоком-толкателем 14. Последние снабжены центраторами 15, 16, предусмотренными в корпусе 12 преобразователя и корпусе нагнетательного клапана 4 (см. фиг.1), соответственно. Центратор15 расположен в корпусе 12 с возможностью возвратно-поступательного движения и имеет центральное отверстие под шток-толкатель 14 с уплотнительными элементами 17. В центраторе15 на промежуточном участке между уплотнительными элементами 17 имеется заполненная смазкой полость, в которой установлен амортизатор в виде, например, пружины сжатия 18, размещенной над кольцевым выступом 19.
Нижний конец корпуса 12 преобразователя соединен с плунжером 3, а верхний конец с накидным ограничителем 20 посредством резьбового соединения. Внутренняя полость накидного ограничителя 20 выполнена ступенчатой из цилиндрической 21 и квадратной 22 частей под соответствующий
несущий кольцевой выступ 23 и квадрат 24 штока 13, соединенного в свою очередь с колонной насосных штанг 9 через переходник 25. Шток 13 и шток-толкатель 14 в пределах рабочего хода L нагнетательного клапана 4 имеют возможность возвратно-поступательного движения в противоположных друг относительно друга направлениях благодаря связывающему их между собой плоскому механизму. Квадратный разъем штока 13 и накидного ограничителя 20 служит для передачи крутящего момента, передаваемого штанговращателем (не показан). Для прохождения откачиваемой жидкости предусмотрены отверстия 26.
Предлагаемый насос работает следующим образом.
При движении колонны насосных штанг 9 вверх (фиг.2), сначала шток 13 смещается вверх на величину хода L нагнетательного клапана 4 до соприкосновения несущего кольцевого выступа 23 с накидным ограничителем 20. Причем, одновременно коромысло 10 поворачивается вокруг своей оси 11 на угол α, а шток-толкатель 14 с нагнетательным клапаном 4 под действием центратора 15 с амортизатором 18 опускаются вниз и занимают положение "закрыто". Дальнейшее движение колонны насосных штанг 9 вверх происходит без участия плоского механизма при закрытом положении нагнетательного клапана 4 на всем пути движения плунжера 3 вверх при нагнетании надплунжерной жидкости в колонну насосно-компрессорных труб 7. При этом через всасывающий клапан 2 в цилиндр 1 поступает скважинная жидкость под давлением, равным давлению на приеме насоса. В конце восходящего хода плунжера 3 после прохождения нижним торцом нагнетательного клапана 4 плоскости расположения радиальных отверстий 5, из кольцевого пространства 6 жидкость путем дросселирования поступает во внутреннюю полость цилиндра 1 и за короткий промежуток времени повышает в нем давление до давления нагнетания, опережая нисходящий ход плунжера. Благодаря существенной разности давления над и под всасывающим клапаном 2, происходит гидравлическое принудительное его закрытия.
Далее при движении колонны насосных штанг 9 вниз шток 13 также смещается вниз сначала относительно плунжера 3 на величину хода 23 нагнетательного клапана 4. При этом коромысло 10 одновременно
поворачивается влево вокруг своей оси 11 на некоторый угол, увлекая за собой вверх подвешенный на другом конце коромысла центратор 15 и установленный в нем на амортизаторе шток-толкатель 14. После чего кольцевой выступ 23 штока 13 упирается в верхний торец корпуса 12 преобразователя и связанный с последним плунжер 3 приводится в движение вниз, поворачивая коромысло 10 из исходного положения на угол α. При этом нагнетательный клапан 4 открывается и находящаяся в цилиндре 1 жидкость через открытый нагнетательный клапан перетекает в надплунжерную полость через отверстия 26.
Поскольку кольцевое пространство 6 над замковым креплением 8 образует застойную зону, то в процессе работы насоса при даже незначительной обводненности продукции скважины в силу действия разности удельных весов там накапливается вода, отделившаяся от жидкости, находящейся в колонне насосно-компрессорных труб 7. Поэтому в каждом цикле работы насоса дополнительный объем жидкости (воды), поступающей из кольцевого пространства 6, будет обусловливать повышение давления в цилиндре, в результате чего даже в высоковязкой среде будет происходить гидравлическое принудительное закрытие клапана 2. При работе насоса степень превышения давления в цилиндре 1 над приемным зависит от диаметра радиальных отверстий 5 и времени, при котором радиальные отверстия 5 под плунжером 3 остаются «открытыми». Диаметр радиальных отверстий 5 выбирается опытным путем исходя из приемлемого значения расхода жидкости, исключающего гидравлические удары в цилиндре 1. Время, при которым радиальные отверстия 5 остаются «открытыми», регулируется при заданной скорости вращения кривошипа станка-качалки скважины по расстоянию, равному двойному пути перемещения нижнего торца плунжера 3 выше радиальных отверстий 5, путем подгонки положения плунжера 3 в цилиндре 1, а расстояние определяется по динамограмме (по характерному снижению нагрузки на головку балансира в конце восходящего хода плунжера).
Расположение радиальных отверстий 5 на одной плоскости и друг против друга нейтрализует боковые силы действия давления жидкости на плунжер 3, а после прохождения этих отверстий обуславливает взаимное погашение
скорости струй жидкости в цилиндре 1, в результате чего сохраняется целостность и долговечность плунжерной пары.
Предлагаемый скважинный штанговый насос позволяет повысить эффективность эксплуатации наклонно-направленных скважин при добыче высоковязкой нефти и эмульсии за счет исключения запаздывания срабатывание клапанов путем осуществления принудительного механического закрытия нагнетательного клапана и принудительного гидравлического закрытия всасывающего клапана насоса.
Источники информации:
1. Свидетельство на полезную модель №13067, регистр. 20.03.2000 г
2. Патент RU 2211373, опубликован 27.08.2003 г.