СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС
BOTTOM-HOLE OIL PUMP

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для добычи нефти при большом содержании газа в откачиваемой жидкости.
Известна глубинно-насосная установка для откачки газированной жидкости с механическими примесями из нефтяной скважины, содержащая цилиндр с основным всасывающим клапаном, расположенным по оси цилиндра, и дополнительным всасывающим клапаном, расположенным выше основного и эксцентрично оси цилиндра, причем цилиндр снабжен приемной камерой, верхняя часть которой снабжена соединительной трубой, соосной с дополнительным всасывающим клапаном, расположенным на выходе этой трубы (см. патент RU №2100651 С1, 25.12.1996).
Недостатком этой установки является то, что из-за лишнего хода плунжера для газовой составляющей насос обладает низким КПД
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, в полости которого установлен полый плунжер с обводным каналом, выведенным в полую штанговую колонну, и поплавковым клапаном, установленным в полости плунжера, и снабженный охватывающим его плавающим поршнем, имеющим проходное отверстие, расположенное с возможностью перекрытия его поплавковым клапаном (см. авторское свидетельство SU №983310 А, 22.07.1981).
Недостатком этого насоса, принятого в качестве прототипа, является то, что поплавковый клапан, подвижный поршень и обводной канал установлены в подвижном плунжере, имеющем ограниченные размеры по диаметру, что усложняет конструкцию насоса, снижает его надежность и повышает его стоимость. Кроме того, в насосе применены дорогие и ненадежные полые штанги, а наличие дополнительных гидравлических сопротивлений уменьшает эффективность насоса.
Кроме того, остается проблема отрыва поплавкового шара от седла из-за большого перепада давлений на клапане.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы насоса и уменьшение негативного влияния газа на работу насоса.
Технический результат - повышение КПД насоса, уменьшение газообразования в насосной камере.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с размещенным в нем полым плунжером, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан, и насосную камеру с всасывающим клапаном в нижней части, при этом насос снабжен перепускным каналом с поплавковым клапаном, выполненным с запорным поплавковым элементом и расположенным над ним седлом, цилиндр выполнен со стороны внутренней поверхности ступенчатым, перепускной канал с запорным поплавковым элементом выполнен в нижней части меньшей ступени цилиндра над насосной камерой, причем одно отверстие канала соединено с верхней частью насосной камеры, а другое отверстие канала соединено со скважиной.
Кроме того, запорный поплавковый элемент выполнен пустотелым.
Пустотелый запорный поплавковый элемент заполнен газом под расчетным давлением.
Кроме того, пустотелый запорный поплавковый элемент находится в направляющей клетке.
Оси плунжера и корпуса насоса могут быть расположены асимметрично.
Перепускной канал с поплавковым клапаном выполнен в виде отдельного устройства с возможностью переустановки, например, на резьбовом соединении.
Для точности посадки в седло запорный поплавковый элемент клапана находится в направляющей клетке
Запорный поплавковый элемент выполнен с обтекателем со стороны насосной камеры, причем в обтекателе выполнено дренажное отверстие.
На фиг.1 приведена схема реализации скважинного плунжерного насоса при крайнем нижнем положении плунжера, на фиг.2 - то же при крайнем верхнем положении плунжера, на фиг.3 - насос с асимметрично расположенными осями плунжера и корпуса, на фиг.4 - перепускной канал с поплавковым клапаном в виде отдельного узла.
В неподвижной части насоса 1, а именно в нижней части меньшей ступени, выполненного со ступенчатой внутренней поверхностью цилиндра, находится перепускной канал 2, соединяющий верхнюю часть насосной камеры 3 со скважиной 4. В перепускном канале 2 размещен поплавковый клапан, состоящий из седла 5, расположенного сверху, и запорного поплавкового элемента 6, например пустотелого и заполненного под давлением газом шарика с положительной плавучестью в скважинной жидкости, находящегося в направляющей клетке 7. В цилиндр 8 насоса вставлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно внутренней стенки меньшей ступени цилиндра 8 и уплотненный относительно нее полый плунжер 9. В нижней части полого плунжера 9 расположен нагнетательный клапан 10, а в нижней части насосной камеры 3, образованной большей ступенью цилиндра 8, расположен всасывающий клапан 11. На конце направляющей клетки 7 со стороны насосной камеры 3 установлен обтекатель 12 с дренажным отверстием 13 (Фиг.4) для предотвращения возможности закрытия поплавкового клапана потоком газа при его удалении из насосной камеры 3. На верхнем и нижнем концах полого плунжера 9 могут быть установлены центраторы (не показаны). При содержании большого количества твердых частиц в откачиваемой жидкости перед поплавковым клапаном можно установить фильтр (не показан). Полый плунжер 9 и цилиндр 8 насоса можно выполнить с асимметричным расположением их осей. В этом случае образуется большее пространство для расположения в насосе перепускного канала 2 и поплавкового клапана (Фиг.3).
Возможно выполнение перепускного канала 2 с поплавковым клапаном в виде отдельного устройства с возможностью его установки или переустановки, например, на резьбовом соединении (Фиг.4). В этом случае, в насосе можно устанавливать различные типоразмеры перепускного канала с поплавковым клапаном, а при необходимости место установки перепускного канала с поплавковым клапаном может быть заглушено, например, пробкой на резьбовом соединении.
Скважинный плунжерный насос работает следующим образом.
P
W
T
P
W
P
T
P
W
P
T
P
W
W
P
P
T
W
P
P
T
В начале процесса всасывания (Фиг.1), когда плунжер 9 начинает движение вверх, идет расширение насосной камеры 3 с падением давления, и когда давление откачиваемой жидкости в скважине 4 на уровне установки поплавкового и всасывающего клапанов превысит давление в насосной камере 3, открываются всасывающий клапан 11 и запорный поплавковый элемент 6 и через них в насосную камеру 3 поступает откачиваемая жидкость из скважины 4. При этом давление (P) внутри рабочей камеры меньше давления (P) в затрубном пространстве скважины и меньше давления (P) внутри полого плунжера 9. При образовании свободного газа в насосной камере 3 с открытым запорным поплавковым элементом 6 происходит замещение свободного газа на поступающую через перепускной канал 2 откачиваемую скважинную жидкость и/или частичное растворение газа в поступающей через поплавковый и всасывающий клапаны откачиваемой жидкости из скважины (P<P и P<P). Если к началу нагнетания в насосной камере 3 остался свободный газ, то поплавковый клапан остается открытым, т.к. газ не может приподнять запорный поплавковый элемент 6. В начале процесса выталкивания (Фиг.2), когда полый плунжер 9 начинает движение вниз, всасывающий клапан 11 закрывается, нагнетательный клапан 10 еще не открыт, запорный поплавковый элемент 6 остается открытым, и в насосную камеру 3 через него продолжает поступать откачиваемая жидкость до момента, пока давление в насосной камере 3 не сравняется с давлением в скважине 4 (P=P и P<P). При этом не исключено пробулькивание через перепускной канал 2 газа из насосной камеры 3 в скважину. Как только давление в насосной камере 3 (P) превысит давление в скважине (P), через перепускной канал 2 начнется выдавливание не растворившегося газа в скважину 4 (P<P и P<P). По мере исхода свободного газа из насосной камеры 3 уровень откачиваемой жидкости в насосной камере 3 повышается, жидкость поступает в перепускной канал 2 и начинает поднимать плавающий в ней запорный поплавковый элемент 6 по направляющей клетке 7 до его последующей посадки на седло 5. Возрастающее давление в насосной камере 3 прижимает запорный поплавковый элемент 6 к седлу 5 и герметично закрывает поплавковый клапан. При дальнейшем движении вниз плунжера 9 возрастающее давление в насосной камере 3, достигнув давления жидкости в колонне труб (не показана), открывает нагнетательный клапан 10 и жидкость из насосной камеры 3 начинает поступать через открытый нагнетательный клапан 10 в полость плунжера 9 и далее в колонну труб (P<P и P=P). При достижении плунжером 9 своего крайнего нижнего положения вектор движения плунжера 9 меняется на противоположный и цикл повторяется. Таким образом, предлагаемый насос с поплавковым клапаном осуществляет три основные стадии по уменьшению отрицательного влияния газового фактора.
1. Стадия уменьшения объема образования газа. При всасывании откачиваемой жидкости из скважины в насосную камеру поплавковый клапан снижает образование газового мешка путем подачи в верхнюю часть насосной камеры, т.е. в область образования газового мешка, откачиваемой жидкости из скважины, т.к. поплавковый клапан работает, в этом случае, как дополнительный всасывающий клапан.
2. Стадия замещения газа жидкостью. При выталкивании откачиваемой жидкости из насосной камеры в лифтовую колонну на начальном этапе выталкивания открытый поплавковый клапан продолжает работать как дополнительный всасывающий клапан, осуществляя доступ откачиваемой жидкости из скважины в насосную камеру насоса до момента выравнивания давлений в насосной камере и в скважине.
3. Стадия выпуска газа в скважину. При продолжении выталкивания откачиваемой жидкости из насосной камеры в лифтовую колонну после превышения давления в насосной камере над давлением в скважине через открытый поплавковый клапан выталкивается весь свободный газ до момента закрытия поплавкового клапана откачиваемой жидкостью.
Во всех стадиях предоставляется возможность удалять через перепускной канал с поплавковым клапаном находящийся в насосной камере свободный газ в скважину.
Вышеизложенное позволяет увеличить период всасывания в цикле работы насоса. В предлагаемом насосе поплавковый клапан установлен не в потоке откачиваемой жидкости, а обособленно, что не создает дополнительных гидравлических сопротивлений откачиваемой жидкости.
Преимущество изобретения состоит в том, что поплавковый клапан от предлагаемого насоса может применяться на других типах и видах насосов, где имеется проблема со свободным газом при перекачке газожидкостной среды. Поплавковый клапан насоса может изготавливаться как отдельное устройство и устанавливаться, например, на резьбе в верхнюю точку полости газообразования насоса.