СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС
BOTTOM-HOLE OIL PUMP

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации скважин, продуцирующих пластовые жидкости с высоким содержанием газа и механических примесей.
Одной из главных причин выхода из строя скважинного штангового насоса является износ насоса, в частности пары цилиндр-плунжер. От степени износа насоса зависит также его производительность. Уже через 100 суток с начала эксплуатации производительность насосов падает на 10-20%.
Причина износа пары цилиндр-плунжер - наличие в добываемой жидкости песка и воды.
Серьезной причиной износа насосов является песок, для улавливания песка и различных механических примесей предусмотрена установка в скважине различных типов газопесочных якорей, которые улучшают показатели эксплуатации скважинных штанговых насосов.
Абразивный износ пары цилиндр-плунжер - это проникновение в зазор между цилиндром и плунжером песка, воды и других механических примесей и образование за счет этого сверхнормативного перетока добываемой жидкости через зону трения и дальнейшее увеличение износа, вследствие этого - выход насоса из строя.
Технологией изготовления насосов предусматривается для каждой группы посадок Fit1…Fit5 с номинальными зазорами от 0,025-0,125 мм превышение предельного отклонения на 0,063 мм.
Это значительное отклонение вместе с номинальным зазором в отдельные моменты работы насоса позволяет проникать значительно большему количеству добываемой жидкости, чем регламентировано техническими условиями эксплуатации скважинных штанговых насосов, а большая величина зазора между стенками цилиндра и плунжера уже не является препятствием для проникновения все больших частиц мелкодисперсного песка. На практике это особенно проявляется во время эксплуатации ремонтных скважинных штанговых насосов в скважинах, межремонтный период которых в 2-3 раза ниже скважин, где спущены новые насосы.
Другой важной причиной повышенного износа пары плунжер-цилиндр является невозможность для существующей конструкции насоса центровки плунжера относительно цилиндра из-за кривизны ствола скважины. Вследствие этого во время эксплуатации насоса нормативный зазор не будет выдерживаться, и даже незначительные по размеру частицы песка и механических примесей будут вызывать интенсивный износ.
Гранулометрический состав горных пород нефтесодержащих пластов в основном распределен следующим образом: размеры зерен от 80 до 150 мкм до 75-80%, 80 мкм и менее - 10% (В.М.Муравьев. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. Недра, стр.30-32).
Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр и установленный в нем с образованием кольцевого зазора полый плунжер, в теле плунжера выполнены отверстия для соединения полости внутри плунжера и соответственно зоны нагнетания насоса с зазором между стенками цилиндра и плунжером (патент РФ №2295651, опубл. 28.03.2007 г.).
Недостатками этого скважинного штангового насоса является то, что прорезанные в плунжере сквозные отверстия будут забиваться мелким песком и другими механическими примесями, содержащимися в откачиваемой жидкости, что приведет к попаданию механических примесей и мелкого песка в зазор плунжер-цилиндр и может привести к заклиниванию плунжера в цилиндре или к повышенному износу пары плунжер-цилиндр.
По технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к заявляемому насосу является скважинный насос (патент US №6543543), содержащий отклонитель потока, тягу, соединительную муфту, цилиндр с всасывающим клапаном, плунжер с нагнетательным клапаном. Во внутренней полости плунжера установлена соединительная муфта, ниже верхнего заостренного края, соединенная с тягой. Тяга через отклонитель потока соединена со штанговой колонной. К нижней части цилиндра присоединен нагнетательный клапан. В процессе работы, при ходе плунжера вверх, стенки плунжера распираются в стороны под действием веса жидкости, находящейся над соединительной муфтой, что приводит к уменьшению зазора между плунжером и цилиндром и препятствует попаданию механических примесей в зазор, предотвращая заклинивание плунжера в цилиндре. При ходе плунжера вниз, отклонитель потока отстраняет механические примеси, находящиеся в потоке жидкости над плунжером, в центр потока, и вместе с заостренными верхними краями плунжера предотвращает попадание механических примесей в зазор между стенками плунжера и цилиндра.
Недостатком данной конструкции является недостаточная эффективность скважинного насоса за счет увеличения зазора между плунжером и цилиндром при ходе плунжера вниз. Механические примеси, находясь в турбулентном потоке скважинной жидкости, при ходе плунжера вниз попадают в зазор между плунжером и цилиндром, а при последующем ходе вверх - могут заклинить плунжер в цилиндре. Отклонитель потока не может эффективно предотвращать попадание механических примесей в зазор между плунжером и цилиндром в условиях турбулентного потока.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы скважинного насоса за счет предотвращения попадания механических примесей в зазор между плунжером и цилиндром благодаря плотному прижатию стенок плунжера к стенкам цилиндра.
Поставленная задача решается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с всасывающим клапаном, плунжер с нагнетательным клапаном, соединительную муфту, расположенную во внутренней полости плунжера ниже его верхнего заостренного края, внутренняя полость плунжера по месту расположения соединительной муфты выполнена конической, а соединительная муфта выполнена с верхней и нижней коническими поверхностями, при этом нижняя коническая поверхность соединительной муфты сопрягается с конической внутренней полостью плунжера, а ее верхняя коническая поверхность опирается на коническую гайку.
Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1 с всасывающим клапаном 2 и размещенный в цилиндре 1 плунжер 3 с нагнетательным клапаном 4. Во внутренней полости плунжера 3 ниже верхнего его заостренного края 5 установлена соединительная муфта 6, выполненная с верхней 7 и нижней 8 коническими поверхностями. Соединительная муфта 6 своей нижней 8 конической поверхностью соприкасается с внутренней конической поверхностью 9 плунжера 3. Верхняя коническая поверхность 7 соединительной муфты 6 прижимается конической поверхностью 10 гайки 11 к внутренней конической поверхности 9 плунжера 3. Плунжер 3 содержит внутреннюю полость 15 и делит полость цилиндра 1 на всасывающую полость 12 и нагнетательную 13. Соединительная муфта 6 соединяет плунжер 3 с колонной насосных штанг 14.
Заявляемый насос работает следующим образом: после спуска насоса в скважину (не показана) его узлы занимают положение, показанное на чертеже.
После включения привода насоса колонна штанг 14 с соединительной муфтой 6 и конической гайкой 11, плунжером 3 и нагнетательным клапаном 4 поднимаются вверх. Нагнетательный клапан 4 закрыт, всасывающий клапан 2 цилиндра 1 открывается, и жидкость, содержащая механические примеси, заполняет объем полости 12. Под действием веса жидкости над нагнетательным клапаном 4 стенки плунжера 3 распираются в стороны, что препятствует попаданию механических примесей в зазор между цилиндром 1 и плунжером 3. Верхняя коническая поверхность 7 соединительной муфты 6 оказывает давление на коническую поверхность 10 гайки 11, которая прижимает стенки плунжера 3 к стенкам цилиндра 1, что способствует еще большему уменьшению зазора между плунжером 3 и цилиндром 1.
При ходе колонны штанг 14 с соединительной муфтой 6 и гайкой 11, плунжером 3 и нагнетательным клапаном 4 вниз всасывающий клапан 2 закрывается, а нагнетательный клапан 4 открывается, и жидкость из полости 12 вытесняется в полость 15 цилиндра 1 и далее в полость 13 плунжера 3.
Под действием веса колонны штанг 14 нижняя коническая поверхность 8 соединительной муфты 6 оказывает давление на внутреннюю коническую поверхность 9 плунжера 3, способствуя уменьшению зазора между плунжером 3 и цилиндром 1, что препятствует попаданию механических примесей в зазор между цилиндром 1 и плунжером 3 и исключает заклинивание плунжера 3 в цилиндре 1.
Верхний конец плунжера 3, сделан заостренным, для уменьшения вероятности оседания механических частиц на торце при остановке скважинного насоса и исключения их попадания в зазор между плунжером 3 и цилиндром 1 при запусках скважинного штангового насоса.
В отличие от конструкции в прототипе по патенту №6543543 в заявляемом насосе соединительная муфта 6 не имеет жесткого соединения со стенкой цилиндра 1, что позволяет распираться стенкам цилиндра 1 в стороны под действием веса жидкости над нагнетательным клапаном 4, при ходе скважинного штангового насоса вверх и под действием веса колонны штанг 14, при ходе скважинного штангового насоса вниз.