Скважинный штанговый насос
DOWNHOLE ROD PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам с самодействующими клапанами, 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 способности всасывающего клапана, значительными вредным объемом цилиндра и запаздыванием открытия и закрытия клапанов.
Известен всасывающий клапан скважинного погружного насоса (патент RU № 2487271, МПК F04B 53/10, F04B 47/00, опубл. 10.07.2013 г., бюл. № 19), содержащий цилиндр с радиальными отверстиями, втулку, установленную внутри цилиндра с возможностью перекрытия радиальных отверстий.
Недостатками известного устройства являются недостаточная пропускная способность всасывающего клапана вследствие движения жидкости по кольцевому каналу с поворотами, а также возможность накапливания механических примесей в нижней части цилиндра насоса.
Наиболее близок по технической сущности насос (патент RU № 2692588, МПК F04B 47/00, опубл. 25.06.2019, бюл. № 18), содержащий корпус, с размещенным с возможностью ограниченного осевого перемещения подпружиненный относительно корпуса цилиндр, полый плунжер со штоком и зауженной нижней горловиной, установленный с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения относительно штока, снабженного направляющей в верхней его части, в нижней части корпуса размещено седло всасывающего клапана, а выше седла выполнено, как минимум одно сквозное радиальное отверстие, нижняя часть цилиндра выполнена зауженной и имеет возможность взаимодействовать с седлом, в нижней части на шток неподвижно насажен запорный орган нагнетательного клапана с возможностью взаимодействия с торцом плунжера, корпус в верхней части выполнен ступенчатым с образованием конической поверхности и снабжен выполненным ответно цилиндру и конической поверхности корпуса затвором с образованием щелевого уплотнения между ним и цилиндром.
Выполнение цилиндра и плунжера с зауженной горловиной и ограниченно подвижными относительно корпуса и штока позволяет увеличить пропускную способность клапанов и снизить запаздывание их открытия и закрытия. Однако из-за ограничения массы затвора, наличия на поверхности цилиндра и корпуса вязкой нефти при монтаже насоса затвор может фиксироваться в корпусе с образованием прослойки жидкости в конической паре. Это может привести к обратному перемещению затвора вверх за счет сил от перепада давления и трения между цилиндром и затвором при пуске насоса.
Кроме того, при опускании плунжера с затвором возможен изгиб штока при взаимодействии нижнего его торца с седлом всасывающего клапана.
Отсутствие центровки затвора может привести к осложнению при опускании плунжера, особенно в наклонных скважинах.
Технической задачей является создание скважинного штангового насоса, конструкция которого обеспечивает надежную герметичную посадку затвора на корпус, тем самым обеспечивая надежную работу насоса в скважине.
Техническая задача решается скважинным штанговым насосом, содержащим корпус, установленный в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения и подпружиненный относительно корпуса цилиндр с горловиной, шток с закрепленным в нижней части запорным органом нагнетательного клапана, полый плунжер, установленный с возможностью ограниченного упором и запорным органом нагнетательного клапана осевого перемещения относительно штока, седло всасывающего клапана, размещенное в нижней части корпуса с возможностью взаимодействия с горловиной цилиндра с образованием рабочей полости, в корпусе выше седла выполнено, как минимум одно радиальное отверстие, корпус в верхней части выполнен ступенчатым с образованием конической посадочной поверхности и снабжен двухступенчатым затвором с центральным сквозным цилиндрическим отверстием, выполненным ответно цилиндру и конической поверхности корпуса с образованием щелевого уплотнения между ним и цилиндром.
Новым является то, что шток оснащен направляющей, жесткосоединенной с затвором и размещенной в верхней его части, шток выше затвора и затвор снабжены упорами с возможностью взаимодействия друг с другом, при этом расстояние между верхними торцами горловины цилиндра и упора затвора меньше расстояния между нижними торцами упора штока и плунжера, а максимальное расстояние между упорами затвора и штока больше длины хода плунжера.
Новым является также то, что наружный диаметр упора штока больше диаметра отверстия затвора.
Новым является также то, что направляющая штока установлена с возможностью взаимодействия с упором.
На фиг.1 представлен скважинный штанговый насоса.
На фиг. 2 представлен вариант исполнения насоса с размещением направляющей штока в верхей части затвора.
Скважинный штанговый насос (фиг. 1), установленный в скважине (на фиг. не показана) для подъема нефти, содержит установленный в корпусе 1 цилиндр 2 с горловиной 3, седло 4 всасывающего клапана, размещенное в корпусе 5 клапана. Корпус 5 клапана, выполненный в виде стакана, жестко соединен с корпусом 1. Седло 4 выполнено, например, в виде шарика и зафиксировано неподвижно упором 6.
Горловина 3 цилиндра 2 снабжена, например, съемным уплотнительным кольцом 7, которое выполняет функцию запорного органа всасывающего клапана. Цилиндр 2 установлен с возможностью поочередного взаимодействия с седлом 4 и упором 8 корпуса 1, выполненным в виде цилиндрического уступа. В корпусе 5 клапана, выше седла 4, выполнены сковозные радиальные отверстия 9.
Внутри цилиндра 2 размещен полый составной плунжер 10, снабженный снизу патрубком 11, диаметр которого равен диаметру плунжера 10. В патрубке 11 выполнены сквозные радиальные отверстия 12. Между патрубком 11 и плунжером 10 размещено седло 13 нагнетательного клапана. В патрубке 11 ниже отверстий 12 размещен диск 14 с центральным и периферийными отверстиями (на фиг. не указаны).
Насос снабжен штоком 15, на нижнюю часть которого, между седлом 13 и диском 14, насажен запорный орган 16 нагнетательного клапана с возможностью поочередного взаимодействия с седлом 13 и диском 14. Запорный орган 16 может быть выполнен в виде шарика с центральным отверстием. Диск 14 насажен на нижнюю часть штока 15, выполненной ответно центральному отверстию диска 14.
Корпус 1 выше упора 8 выполнен ступенчатым с коническим расширением с образованим конической посадочной поверхности 17. Корпус 1 снабжен двухступенчатым затвором 18 с центральным отверстием (на фиг. не указано) с конической опорной поверхностью 19, выполненной ответно конической посадочной поверхности 17 корпуса 1. Затвор 18 размещен с образованием щелевого уплотнения между нижней цилиндической ее частью и цилиндром 2. В нижней части затвор 18 оснащен направляющей 20 штока 15 в виде диска с центральным отверстием (на фиг. не указано), ответно выполненным штоку 15, и периферийными отверстиями (на фиг. не указаны).
0
ш
0
ш
В верхней части шток 15 снабжен упором 21, диаметр которого больше диаметра отверстия затвора 18. При этом расстояние между верхними торцами горловины 3 и затвора 18 (Н) меньше максимального расстояния между нижними торцами диска 14 и упора 21 (Н), т.е. Н < Н.
Цилиндр 2 в нижней части снабжен пружиной 22, установленной между торцом корпуса 5 клапана и упором 23 цилиндра 2, выполненным, например, в виде разрезного пружинного кольца, размещенного в кольцевой канавке (на фиг. не указана). Максимальное усилие пружины 22 меньше веса цилиндра 2 с горловиной 3.
Уплотнительное кольцо 7 горловины 3 плунжера 2 может быть установлено с натягом, или зафиксировано, например, посредством кольца 24, зафиксированного, например, винтами (на фиг. не указаны).
Запорные органы 4 и 16 установлены с образованием рабочей 25 и напорной 26 полостей.
Корпус 1 насоса соединен с колонной насосно-компрессорных труб 27, а шток 15 - с колонной штанг (на фиг. не показана).
Направляющая 20 установлена в верхней части затвора 18, и соединена с ним посредством резьбового соединения. При этом диаметр упора 21 может быть выполнен меньше диаметра отверстия затвора 18.
Монтаж и демонтаж насоса.
0
ш
Корпус 1 (фиг. 1) насоса с цилиндром 2, седлом 4 с корпусом 5 клапана опускается вместе с насосно-компрессорными трубами (НКТ) 27. Далее осуществляется сборка, насаженная на шток 15, в составе плунжера 10, штока 15 с запорным органом 16, диском 14, затвором 18. Вся эта сборка опускается вниз на колонне штанг (на фиг. не показана). При этом плунжер 10 и затвор 18 центрированы относительно цилиндра 2 диском 14 и направляющей 20 соответственно. При приближении торца патрубка 11 к горловине 3 цилиндра 2, затвор 18 заходит вовнутрь цилиндра 2, и под действием силы тяжести своей конической посадочной поверхностью 17 сажается на сопрягаемую коническую опорную поверхность 19 корпуса 1. Так как расстояние между верхними торцами горловины 3 и затвора 18 меньше максимального расстояния между торцами упора 21 и патрубка 11 плунжера 10, т.е. Н < Н, упор 21 взаимодействует с торцом затвора 18, передавая часть веса колонны штанг на затвор 18.
После посадки затвора 18 на корпус 1 шток 15 с плунжером 10 поднимается вверх с возможностью образования гарантированного зазора между затвором 18 и упором 21 в нижнем крайнем положении плунжера 10 при подъеме пластовой сред.
Демонтаж осуществляется в обратном порядке. Шток 15 с насаженными на него затвором 18, плунжером 10, запорным органом 16 поднимается вверх посредством колонны штанг.
При опускании штанги 15 с плунжером 10 и затвором 18 (фиг. 2) исключается радиальное и угловое смещение затвора 18 от оси штока 15 за счет обеспечения его устойчивости. Это позволяет максимально уменьшить диаметр упора 21, снижая дополнительные гидравлические сопротивления.
Насос работает следующим образом.
Пусть плунжер 10 находится в нижнем положении и в насосе начинается циклы всасывания и нагнетания. При этом всасывающий клапан приоткрыт, т.е. уплотнительное кольцо 7 горловины 3 плунжера 5 отошло от седла 4, а запорный орган 16 нагнетательного клапана взаимодействует с седлом 13. Давление в рабочей полости 25 чуть ниже давления в пластовой среде (на фиг. не показана), и жидкость из пласта через боковые отверстия 9 поступает в рабочую полость 25. Давление в напорной полости 26, т.е. в полостях плунжера 10 и цилиндра 2 равно давлению нагнетания. При подъеме штока 15 с запорным органом 16 добываемая среда плунжером 10 поднимается вверх.
Перепад давления во всасывающем клапане и величина подъема горловины 3 над седлом 4 определяется отношением разности веса цилиндра 2 в сборе и усилия пружины 22, и величиной площади неуравновешенной кольцевой поверхности цилиндра 2 с горловиной 3. Максимальный ход цилиндра 2 ограничен упором 8.
При приближении плунжера 10 к верхней мертвой точке скорость штока 15 снижается. Это приводит к снижению расхода жидкости через всасывающий клапан и в напорную полость 26. С уменьшением расхода жидкости через всасывающий клапан снижается перепад давления в клапане. Под действием собственного веса цилиндр 2 опускается вниз. При нахождении плунжера 10 в верхней мертвой точке расстояние между торцами затвора 18 и упора 21 больше длины хода плунжера 10. При этом горловина 3 опускается на седло 4.
При обратном ходе штока 15 с плунжером 10 вниз давление в рабочей полости 25 увеличивается. При превышении давления в рабочей полости 25 над давлением в напорной полости 26, под действием создавшегося перепада давления плунжер 10 отрывается от запорного органа 16, сообщая рабочую полость 25 с напорной полостью 26. С увеличением скорости штока 15, а значит и расхода жидкости через нагнетательный клапан, скорость плунжера 10 снижается, что приводит к увеличению площади прохода нагнетательного клапана. Максимальное открытие нагнетательного клапана ограничено диском 14.
При приближении плунжера 10 к нижней мертвой точке его скорость снижается. С уменьшением расхода жидкости через нагнетательный клапан плунжер 10 приближается к запорному органу 16, снижая площадь прохода клапана.
Таким образом, оснащение штока 15 упором 21, имеющим возможность взаимодействовать с затвором при монтаже насоса обеспечивает гарантированную посадку затвора 18 на корпус 1. Это особенно важно при подъеме высоковязкой нефти, когда вес затвора 18 может оказаться недостаточным для выдавливания вязкой нефти из зазора между сопрягаемыми коническими поверхностями 17 и 19. Кроме того, возможность расположения плунжера 10 в непосредственной близости от горловины 3 цилиндра при крайнем нижнем положении плунжера 10 позволяет снизить вредный объем цилиндра с одновременным снижением объемных потерь.
Работа насоса на фиг. 2 аналогична описанному выше.
Конструкция скважинного штангового насоса обеспечивает надежную герметичную посадку затвора на корпус, тем самым обеспечивая надежную работу насоса в скважине.