ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к технике добычи нефти, в частности -к дифференциальным штанговым насосам, и может быть использована для откачки из скважин высоковязких жидкостей.
Известна скважинная штанговая насосная установка для добычи высоковязкой нефти, содержащая наземный привод, подвешенный в полости скважины на колонне насосно-компрессорных труб штанговый насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, в цилиндре которого размещен соединенный с колонной насосных штанг полый плунжер, связанный с направляющим шкивом и грузом, установленными под плунжером; межтрубное пространство скважины снабжено стабилизирующими башмаками, установленными по всей длине насосно-компрессорных труб, за пределами которых размещена колонна насосных штанг, выполненная гибкой и центрируемая относительно межтрубного пространства стабилизирующими башмаками, верхний конец которой закреплен на наземном приводе, а нижний на наружной поверхности насосно-компрессорных труб (см. патент RU 2059884, F 04 В 47/00, 10.05.1996).
Недостатками известного решения являются сравнительно невысокая эффективность и надежность работы скважинной насосной установки.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является конструкция дифференциального штангового насоса, в котором используются два цилиндра разных диаметров, последовательно соединенных друг с другом. В цилиндрах размещен дифференциальный плунжер, который приводится в действие колонной штанг, связанной с приводом. Два цилиндра и дифференциальный плунжер образуют три камеры. Верхняя цилиндрическая камера гидравлически связана с напорной линией насоса. Другая цилиндрическая
камера и кольцевые камеры могут быть связаны или с приемной линией или образуют рабочую камеру насоса. За счет неполной разгрузки дифференциального плунжера от действия гидростатического давления в лифтовой колонне на колонну штанг при их ходе вниз создается дополнительная тяга вниз (см., книгу Б.С.Захарова «Поршневые и плунжерные насосы для добычи нефти», Москва, ОАО «ВНИИОЭНГ», 2002, с.35).
Однако известная конструкция дифференциального штангового насоса имеет ряд недостатков, а именно большие габариты (10 м вместо 5 м у обычных насосов), увеличенные утечки (до 3,5 раз по сравнению с утечками в обычных насосах), более сложная конструкция (два цилиндра, боковые клапаны и др.).
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности дифференциальных штанговых насосов.
Указанная задача решается за счет того, что дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб корпус, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью плунжеров, образует рабочую камеру насоса с всасывающим клапаном, а всасывающий клапан выполнен соосно с цилиндром в виде тарелки с отверстием, через которое герметично проходит монолитный шток.
В ходе проведенного исследования было установлено, что штанги в штанговых насосах при добыче высоковязкой нефти, при работе в наклонных скважинах, а также в скважинах с большим содержанием
парафина и смолистых веществ (осложненные условия работы) испытывают повышенные силы сопротивления как при ходе вверх, так и при ходе вниз.
При ходе вверх нагрузки на колонну штанг преодолеваются с помощью привода увеличенной мощности и установки штанг повышенной прочности. При ходе вниз движение колонны штанг и рабочего органа насоса, плунжера, осуществляется только за счет веса колонны штанг. Силы механического и гидродинамического трения препятствуют движению штанг вниз, колонна штанг движется медленнее, чем приводной механизм (станок-качалка), что приводит к ударам и обрыву штанг. На прочность штанг большое влияние оказывают также знакопеременные нагрузки, которые возникают в штангах при работе на вязких жидкостях. КПД штанговых насосов, работающих в осложненных условиях, значительно ниже КПД насосов, работающих в обычных условиях.
Выполнение насоса с верхней ступенью плунжера большего диаметра со сквозным каналом и нагнетательным клапаном, нижней ступенью плунжера меньшего диаметра в виде монолитного штока и образование рабочей камеры насоса с всасывающим клапаном в кольцевом пространстве, заключенном между стенками цилиндра и поверхностью плунжеров с выполнением всасывающего клапана соосно с цилиндром в виде тарелки с отверстием, через которое герметично проходит монолитный шток, позволяет с одной стороны добиться увеличения нагрузки на дифференциальный плунжер при ходе вниз за счет гидростатического давления в колонне труб, а с другой стороны сократить осевые габариты дифференциального штангового насоса. Кроме того, в этой конструкции дифференциального штангового насоса использовано для уплотнения монолитного штока механическое уплотнение по патенту РФ №2037077, что практически полностью устраняет перетекание из зоны высокого давления в зону с более низким давлением. В этой конструкции дифференциального насоса дополнительно к перепаду давления на клапан воздействуют силы трения, которые обеспечивают его надежную работу. Удалось создать
достаточно простую конструкцию насоса с минимальным количеством деталей.
В результате решена поставленная в полезной модели задача - упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности дифференциальных штанговых насосов.
На чертеже представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса.
Дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб 1 корпус 2, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг 3 дифференциальный плунжер 4. Верхняя ступень 5 плунжера 4 большего диаметра имеет сквозной канал 6 и снабжена нагнетательным клапаном 7. Нижняя ступень 8 плунжера 4 меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока 9. Кольцевое пространство 10, заключенное между стенками цилиндра 11 корпуса 2 и поверхностью нижней ступени 8 плунжера 4, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном 12. Всасывающий клапан 12 выполнен соосно с цилиндром 11 в виде тарелки 13 с отверстием 14, через которое герметично проходит монолитный шток 9.
Дифференциальный штанговый насос работает следующим образом.
При движении колонны насосных штанг 3 вверх вместе с монолитным штоком 9 вверх поднимается всасывающий клапан 12 и в кольцевое пространство из скважины поступает откачиваемая жидкая среда. Далее при движении колонны насосных штанг 3 вниз всасывающий клапан перекрывается тарелкой 13. Одновременно за счет движения вниз верхней ступени 5 плунжера 4 уменьшается кольцевое пространство 10 и под действием давления жидкой среды последняя через нагнетательный клапан 7 поступает в сквозной канал 6 и далее из него в колонну насосных труб 1, а из колонны насосных труб 1 откачиваемая жидкая среда поступает на поверхность. Далее следует движение колонны насосных штанг 3 вверх. При этом открывается всасывающий клапан 12 для новой порции
откачиваемой жидкой среды, а нагнетательный клапан 4 перекрывает сквозной канал 6, не давая поступать в кольцевое пространство 10 жидкой среде из колонны насосных труб 1. Таким образом повторяется описанный выше цикл работы дифференциального штангового насоса.
Настоящая полезная модель может быть использована в нефтяной и других отраслях промышленности, где требуется откачка из скважины различных жидких сред, в том числе высоковязкой нефти.