НАСОС
PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам, особенно для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известен штанговый скважинный насос (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М. 1988, с. 22), содержащий рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с нагнетательным клапаном, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан.
Недостатками известного штангового скважинного насоса являются недопустимые объемные потери в связи с недостаточной пропускной способностью всасывающего клапана, значительным вредным объемом цилиндра и запаздыванием открытия и закрытия клапанов.
Известен насос, содержащий корпус, выполненный в виде стакана с центральным отверстием в донной части, седло, цилиндр с зауженной горловиной и установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения между днищем стакана и седлом с образованием всасывающего клапана. В корпусе между горловиной и седлом выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие. Обратная сторона седла служит седлом нагнетательного клапана, установленного с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль центральной направляющей, поршень со штоком, при этом с оборотной стороны поршня шток снабжен буртом, ответно центральному отверстию (см. RU2286480 C2, 20.05.2005).
Недостатками известного насоса являются возможность образования в штоковой полости низкого давления при обратном ходе поршня, а также запаздывания закрытия всасывающего клапана вследствие посадки всасывающего клапана на седло в начале цикла нагнетания.
Технической задачей изобретения является повышение объемной подачи, путем снижения запаздывания открытия и закрытия всасывающего клапана и исключение возникновения чрезмерно низкого давления в штоковой полости.
Решение технической задачи достигается тем, что в насосе, содержащем корпус, выполненным в виде стакана с центральным отверстием в донной части, седло, цилиндр с зауженной горловиной и установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения между днищем стакана и седлом с образованием всасывающего клапана, в корпусе между горловиной и седлом выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие, обратная сторона седла служит седлом нагнетательного клапана, установленного с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль центральной направляющей, плунжер со штоком, при этом с оборотной стороны плунжера шток снабжен буртом, ответно центральному отверстию, согласно техническому решению, плунжер с передней стороны снабжен дополнительным штоком, выполняющим функцию направляющей нагнетательного клапана, при этом бурт выполнен в виде кольца ответно штоку и центральному отверстию с возможностью его перекрытия и установлен с возможностью ограниченного плунжером и упором штока осевого перемещения вдоль штока.
Седло в корпусе установлено с гарантированным натягом.
В корпусе выше седла выполнена кольцевая расточка с конической поверхностью с размещенным в ней упором, выполненным в виде разрезного кольца, корпус нагнетательного клапана снабжен как минимум двумя радиальными упругими пластинами, имеющими возможность взаимодействовать с торцами упора корпуса.
На фиг. 1 изображен общий вид насоса (продольный разрез цилиндра);
На фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.
Насос содержит выполненный в виде стакана корпус 1 (фиг. 1) с центральным сквозным отверстием 2 в днище 3 стакана, цилиндр 4 с зауженной горловиной 5, седло 6. Цилиндр 4 установлен в корпусе 1 с возможностью ограниченного днищем 3 стакана и седлом 6 осевого перемещения. В корпусе 1 между горловиной 5 и седлом 6 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 7. Горловина 5 цилиндра 4, имеющего возможность поочередного взаимодействия с седлом 6 и днищем 3 выполняет функцию всасывающего клапана.
В цилиндре 4 установлен плунжер 8 со штоками с передней 9 и тыльной (оборотной) 10 сторон плунжера 8 с образованием рабочей полости 11 и полости 12 управления. Шток 10 с тыльной (оборотной) стороны плунжера 8 снабжен буртом 13, выполненным в виде кольца ответно штоку 10 и центральному отверстию 2 с возможностью ограниченного плунжера 8 и упором 14 штока 10. Упор 14 штока выполнен, например, в виде бурта штока 10. При подъеме из скважины высоковязкой нефти, с целью создания дополнительного усилия вниз, длина и диаметр штока 10 могут быть увеличены.
Нагнетательный клапан 15 с центральным отверстием (на фиг. не указано) насажен на шток 9 с передней стороны плунжера 8, и установлен с возможностью ограниченного седлом 6 перемещения вдоль штока 9, а также поочередного сообщения и разъединения рабочей полости 11 с напорной линией 16.
Нагнетательный клапан 15 оснащен, например, многодисковым механическим уплотнением (см., RU 2263228 С1, 2005) с целью снижения трения и компенсации износа,
При недостаточном весе клапана 15 корпус 1 может быть снабжен упором 20, например, выполненным в виде разрезного кольца, установленного в кольцевой расточке 21 корпуса 1 с конической поверхностью, расширяющейся в сторону седла 6. Корпус 17 нагнетательного клапана 15, например, снабжен упором 22, выполненным в виде разрезного кольца, снабженным, как минимум, двумя радиальными упругими пластинами 23, имеющими способность взаимодействовать с торцами упора 20. Упругие пластины 23 установлены с одинаковым угловым расстоянием друг от друга. Упор 22 в корпусе 1 установлен, например, в кольцевом пазу (на фиг. не указан), выполненном в корпусе 17 клапана 15.
Штанговый насос установлен вертикально в скважине, шток 9 с передней стороны плунжера 8 соединен, например, с приводом посредством колонны штанг (на фиг. не показаны).
Седло 6 на посадочную поверхность (на фиг. не указана) корпуса 1 может быть установлено с натягом.
Опорно-уплотнительная поверхность (на фиг. не указана) нагнетательного клапана 15, а также седла 6 со стороны всасывающего клапана или горловины 5 цилиндра 4 выполнены, например, сферическими.
Монтаж и демонтаж насоса из скважины осуществляется следующим образом.
При достаточном весе клапана 15, превышающем силу трения уплотнительных колец 18 по поверхности штока 9 и от перепада давления в кольцевом канале между боковыми поверхностями корпуса 1 и корпуса 17 клапана 15, корпус 1 может не оснащаться упором 20, а клапан 15 - упором 22.
Насос в сборе с цилиндром 4 (фиг. 1), плунжером 8 со штоками 9, 10 и буртом 13, с седлом 6 и нагнетательным клапаном 15, насаженным на шток 9, на штангах (на фиг. не указаны) опускается вниз. Цилиндр 4 опускается до взаимодействия с днищем 3. Далее клапан 15 опускается на седло 6, которое находится выше посадочной поверхности (на фиг. не указана). При незначительном увеличении давления в нагнетательной линии 16, например, путем долива скважины жидкостью, седло 6 опускается на посадочную поверхность.
При демонтаже и подъеме насоса шток 9 при помощи колонны штанг (на фиг. не показана) поднимается вверх. При этом горловина 5 цилиндра 4 взаимодействует с седлом 6, повышая давление в рабочей полости. При дальнейшем движении штока 9 вверх открывается клапан 15. При дальнейшем движении штока 9 вверх плунжер 8 взаимодействует с внутренним торцом горловины 5. Далее седло выходит из посадочной поверхности, сообщая нагнетательную линию 16 с пластовой средой.
При недостаточном весе клапана 15 корпус 1 оснащается упором 20, а клапан - упором 22. При этом подъем и опускание насоса осуществляется аналогично за исключением процесса пропускания клапана 15 с седлом 6 через упор 20.
При опускании насоса упругие пластины 23 взаимодействуют с упором 20, выполненным в виде разрезного кольца. Под действием силы тяжести клапана 15 упор 20 по конической поверхности 21 опускается вниз, увеличиваясь в диаметре. Далее упругие пластины 23, наружный диаметр которых чуть больше минимального внутреннего диаметра кольца, проходят вниз.
При подъеме насоса, после снятия седла 6 с посадочной поверхности, при взаимодействии упругих пластин 23 с упором 20, пластины 23 деформируются, и проходят вверх. Так как диаметр седла 6 меньше внутреннего диаметра упора 20, седло 6 и цилиндр 4 насоса свободно поднимаются наверх. Насос работает следующим образом.
Пусть плунжер 8 (фиг. 1) находится в нижнем положении и движется вниз. При этом нагнетательный клапан 15 закрыт, а цилиндр 4 нижним торцом взаимодействует с днищем 3 и отодвинут от седла 6. Радиальные каналы 7 открыты и жидкость, например, из пласта (на фиг. не показан) поступает в рабочую полость 11. Бурт 13 взаимодействует с упором 14.
При приближении плунжера 8 к нижнему крайнему положению бурт 13 перекрывает центральное отверстие 2. При дальнейшем движении плунжера 8 давление в полости 12 управления повышается, и под действием усилия от перепада давления, действующего на площадь сечения цилиндра 4,  последний передвигается вверх до взаимодействия с седлом 6.
При обратном ходе плунжера 8 вверх давление в рабочей полости 11 увеличивается. За счет усилия от перепада давления, действующего на разность площадей цилиндра 4 и отверстия горловины 5 за вычетом площади штока 9, а также силы трения плунжера 8 по поверхности цилиндра 4, горловина 5 цилиндра 4, выполняющая функцию всасывающего клапана, прижимается своим торцом к седлу 6. Этим самым рабочая полость 11 изолируется от входных радиальных отверстий 7.
Одновременно, при движении плунжера 8 вверх, давление жидкости в полости 12 управления снижается, и под действием усилия от перепада давления бурт 13 вдоль штока 10 передвигается вверх, сообщая полость 12 управления с пластовой средой.
При дальнейшем движении плунжера 8 вверх давление жидкости в рабочей полости 11 становится выше давления в нагнетательной линии 16. Далее открывается нагнетательный клапан 15, сообщая рабочую полость 11 с нагнетательной линией 16. При подъеме упора 14 выше днища 3 бурт 13 под действием веса опускается до взаимодействия с упором 14.
Высота подъема клапана 15 зависит от скорости движения плунжера 8. При достаточном весе клапана 15 высота его подъема над седлом пропорциональна расходу жидкости в степени 0,5. Поэтому в данном случае не обязательно оснащение корпуса 1 и клапана 15 упорами 20 и 22.
При недостаточном весе клапана 15 корпус 1 и клапан 15 могут оснащаться упорами 20 и 22. При увеличении расхода жидкости из рабочей полости 11 клапан 15 может подниматься до упора 20, т.е. до взаимодействия упругих пластин 23 с упором 20. Учитывая, что на клапан 15 снизу действую сила трения штока 9 по уплотнительным дискам 18, от перепада давления в кольцевом зазоре между корпусом 1 и корпусом 17 клапана 15, указанное усилие недостаточно для деформации пластин 23.
В конце цикла нагнетания расход жидкости через клапан 15 уменьшается, снижая перепад давления в нем. Под действием веса клапан 15 начинает опускаться вниз, преодолевая силу трения по поверхности штока 9. В положении плунжера 8 в верхней мертвой точке клапан 15 чуть приподнят над седлом 6.
При обратном ходе плунжера 8 вниз давление в рабочей полости 11 снижается. За счет создавшегося перепада давления и силы трения в уплотнении клапана 15 последний опускается на седло 6. Одновременно цилиндр 4 за счет веса, силы трения в уплотнении плунжера и от перепада давления, передвигается вниз, открывая всасывающий клапан. Жидкость из пласта через радиальные каналы 7 поступает в рабочую полость.
При подъеме из скважины высоковязкой нефти длина и диаметр штока 10 увеличиваются. Тогда при движении плунжера 8 вниз за счет дополнительного веса штанги исключается провисание штанг (на фиг. не показаны).
При выполнении опорно-уплотнительных поверхностей клапана 15 и седла 6 со стороны всасывающего клапана сферическими, появляется возможность увеличить ресурс работы клапанов и повысить их герметичность.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет:
- увеличить пропускную способность всасывающего клапана, за счет увеличения площади прохода седла всасывающего клапана;
- существенно снизить запаздывание закрытия всасывающего клапана, за счет его принудительного перемещения вверх давлением от полости управления;
- снизить запаздывание открытия всасывающего клапана, за счет снижения вредного объема цилиндра, а также его открытие, за счет сил трения поршня и веса цилиндра;
- упростить процессы подъема и установки насоса в сборе.