ГЛУБИННЫЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС
DOWNHOLE PLUNGER PUMP

Предполагаемое изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам добычи нефти и воды с помощью глубинного плунжерного насоса. Изобретение может быть использовано для повышения эффективности эксплуатации поверхностных насосов поршневого типа, перекачивающих газожидкостные смеси.
В глубинном плунжерном насосе при ходе плунжера вверх давление под плунжером снижается так, что под действием появившегося перепада давления между камерой наполнения и приемом в насосе открывается всасывающий клапан. В открытый клапан поступает скважинная жидкость, камера заполняется. В большинстве насосов этого типа всасывающий клапан представляет собой клапанную пару из конусной седловины и тяжелого металлического шарика. При ходе плунжера вверх над шариком всасывающего клапана давление снижается, и под действием возникшего перепада давления шарик поднимается вертикально вверх до ограничителя - клапанной клетки. Как правило, диаметр шарика доходит до 80% от диаметра полости цилиндра насоса, поэтому скважинная жидкость после седловины клапана движется в полость насоса по относительно узкому кольцевому пространству между шариком и цилиндром (корпусом). насоса. Высоковязкая нефть при прохождении всасывающего клапана испытывает повышенное гидродинамическое сопротивление, повышается и степень дегазации этой жидкости. Благодаря этим факторам снижается степень заполнения полости насоса.
Известен всасывающий клапан в составе устройства для эксплуатации скважины в виде принудительного тарельчатого клапана с пружиной (патент РФ на изобретение №2388901 С1, опубл. 10.05.2010). Клапан обладает той же инерционностью, что и традиционная клапанная пара из шарика и седловины, а сам тарельчатый клапан является местным гидродинамическим сопротивлением для входящей в полость насоса скважинной жидкости.
Известно изобретение, в котором степень заполнения полости плунжерного насоса регулируется с помощью датчика давления, помещенного непосредственно в пространство между всасывающим клапаном и плунжером (патент РФ №2439295 С1, опубл. 10.01.2012, бюл. №1). По изобретению конструкция всасывающего клапана остается традиционной с указанным недостатком сужения потока входящей в насос скважинной жидкости.
Технической задачей изобретения является изменение конструкции всасывающего клапана глубинного плунжерного насоса с тем, чтобы скважинная жидкость после прохождения отверстия в седловине клапана не изменяла своего направления и не встречала на своем пути гидродинамического сопротивления в виде тяжелого шарика. В задачу изобретения входит также совершенствование процессов открытия-закрытия всасывающего клапана. Известно, что шарик клапана традиционной конструкции откроется только при превышении разности давлений ниже и выше шарика над давлением самого шарика от собственного веса. Определенную негативную роль на скорость отрывания шарика от седловины играют и асфальтосмолопарафиновые вещества, способные отложиться на шарике и седловине. Поэтому всасывающий клапан должен иметь такую конструкцию, которая позволит клапану открываться быстро, своевременно и на все сечение входящего потока скважинной жидкости.
Поставленная задача решается в изобретении тем, что в известной конструкции глубинного плунжерного насоса, состоящего из корпуса - цилиндра, плунжера, нагнетательного и всасывающего клапанов, датчика давления в полости насоса между плунжером и всасывающим клапаном, на входе в насос установлен дополнительный датчик давления, а всасывающий клапан выполнен в виде электромагнитного клапана, обеспечивающего вертикальное и монолитное прохождение скважинного потока в полость цилиндра после седловины клапана, причем отверстие в седловине клапана имеет меньший диаметр, чем диаметр полости цилиндра насоса, датчики давления и электромагнитный клапан соединены электрокабелями или иной приемлемой связью со станцией управления на поверхности земли с тем, чтобы открытие и закрытие всасывающего электромагнитного клапана происходило в зависимости от показаний датчиков давления, а именно:
н
вх
- клапан открывается при Р меньшем, чем Р при ходе плунжера вверх;
н
вх
- клапан закрывается при Р большем, чем Р при ходе плунжера вниз;
н
где: Р - давление в полости насоса между плунжером и всасывающим электромагнитным клапаном;
вх
Р - давление на приеме плунжерного насоса.
В работу предлагаемого насоса заложены несколько принципов.
1. Клапан должен открываться и закрываться вне зависимости от давления на приеме в насос и наличия или отсутствия адгезионных отложений на элементах клапана.
2. Клапан должен обеспечить свободный вход скважинной жидкости в полость насоса.
н
вх
н
н
3. Открытие-закрытие всасывающего клапана осуществляется по известным законам гидравлики, а именно: клапан открывается электромагнитом по команде станции управления при Р меньшем, чем Р. Это возможно только при ходе плунжера вверх. Закрытие электромагнитного клапана происходит также по команде со станции управления (СУ) при Р большем, чем Р. Это возможно только при ходе плунжера вниз и благодаря тому, что на входе все же остается седловина клапана в виде незначительного сужения полости цилиндра. В изобретении седловина играет роль местного гидродинамического сопротивления, которое необходимо для организации процессов открытия-закрытия электромагнитного клапана путем сравнения двух давлений: на входе в насос и в его полости.
На чертеже изображено устройство глубинного плунжерного насоса, где 1 - корпус насоса (цилиндр), 2 - плунжер, 3 - седловина всасывающего электромагнитного клапана, 4 - запорный элемент электромагнитного клапана, 5 - электромагнит всасывающего клапана, 6 - датчик давления в полости насоса, 7 - датчик давления на входе в насос, 8 - станция управления, 9 - линии связи между датчиками, электромагнитом и станцией управления (в традиционном исполнении - это электрокабели).
Глубинный плунжерный насос работает следующим образом. Привод плунжера обеспечивает поступательное движение плунжера 2 вверх-вниз с постоянной частотой. При ходе плунжера вниз даже при еще закрытом нагнетательном клапане давление под плунжером, то есть в полости насоса превысит давление на входе в насос, и по заданной программе действий СУ 8 дает команду на закрытие седловины 3 запорным элементом 4 с помощью электромагнита 5. Нагнетательный клапан открывается, и жидкость из полости насоса перетекает в колонну лифтовых труб. При ходе плунжера вверх закрывается нагнетательный клапан, и давление в полости насоса становится меньше, чем на входе в насос. Станция управления дает команду на открытие электромагнитного клапана путем прижатия запорного элемента 4 к электромагниту 5. Информация из датчиков давления 6 и 7 поступает в СУ в постоянном режиме, поэтому контроллер станции управления своевременно подает необходимые команды на открытие-закрытие всасывающего электромагнитного клапана. Современные электромагниты компактны и обладают значительной силой для полного закрытия и открытия всасывающего клапана несмотря на вязкостные характеристики скважинной жидкости и наличие АСПО на элементах клапана.
Отметим то, что в глубинных плунжерных насосах общепринятой конструкции всасывающий клапан является достаточно уязвимым узлом насоса ввиду того, что его открытие связано с перепадом давления до и после запорного элемента - шарика. При малом значении этого перепада всасывающий клапан может остаться в закрытом положении. Предложенный глубинный плунжерный насос имеет всасывающий клапан, работа которого не зависит от величины указанного перепада давления. Клапан будет полностью и своевременно открываться и закрываться при наличии такого перепада давления, сколь мало бы не было его значение. На наш взгляд, это расширяет возможности плунжерного насоса по откачке высоковязких нефтей с низким погружением глубинного насоса под динамический уровень жидкости в скважине. Это является одним из существенных отличий предложенного насоса. Вторым отличием, на наш взгляд, является то, что новая конструкция всасывающего клапана обеспечивает свободное вхождение скважинной жидкости в полость насоса без встречи с гидродинамическим сопротивлением в виде тяжелого шарика.
Наиболее удобным и экономически привлекательным наше техническое решение будет для глубинного плунжерного насоса, который приводится в действие погружным линейным электродвигателем. По имеющимся силовым кабелям будет возможным передача информации о величине давлений в полости насоса и на входе в насос и управление работой электромагнитного всасывающего клапана насоса.