ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС ДЛЯ СКВАЖИН С ВЫСОКИМ ГАЗОВЫМ ФАКТОРОМ

Полезная модель относится к технике для добычи нефти, в частности, к скважинным штанговым насосным установкам, и может быть использована при одновременной раздельной добыче нефтегазовой жидкости из двух пластов одной скважины, в частности, для добычи нефти с высоким газовым фактором.
8
Известен глубинный дифференциальный штанговый насос для одновременно-раздельной эксплуатации двух пластов (патент РФ№70321, класс МПК F04B 47/00, дата публ. 14.02.2007), состоящий из двух, соединенных последовательно верхнего и нижнего насосов, имеющих разные диаметры цилиндров и плунжеров, а также разную конструкцию нагнетательных и всасывающих клапанов. Нижний насос меньшего диаметра, его цилиндр и плунжер снабжены двумя клапанами: всасывающим обычной конструкции, укрепленным концентрично на приеме насоса, и нагнетательным-конического типа, механически управляемым. Верхний насос имеет на плунжере нагнетательный клапан обычного типа, и всасывающий, укрепленный на боковой поверхности цилиндра. Данная установка позволяет вести откачку продукции пластов независимо от забойных давлений с использованием одной колонны штанг и лифтовых труб.
Недостатком установки является невозможность учета производительности каждогов пласта в отдельности.
Известен дифференциальный штанговый насос (патент РФ №2273767, Кл. МПК F04B 47/00, дата публ. 10.04.2006), содержащий связанный с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока образуют рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде сосной с цилиндром тарелки отверстием, через которую герметично с помощью механического уплотнения пропущен монолитный шток. Ниже всасывающего клапана установлен приемный фильтр в виде перфорированной цилиндрической трубы. Монолитный шток проходит внутри приемного фильтра, а на его нижней части установлен поршень с уплотнениями.
Недостатком данной конструкции является невозможность использования предлагаемой установки дифференциального штангового насоса при одновременной раздельной добыче нефти из двух пластов, а также при большом газовом факторе нефти.
8
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является первый вариант сдвоенного штангового насоса для откачки жидких сред из скважины с двумя продуктивными пластами (варианты) (патент РФ №53736, класс МПК F04B 47/00, дата публ. 27.05.2006), включающий связанный с колонной насосных труб цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем его верхний плунжер большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжен нагнетательным клапаном, а нижний плунжер меньшего диаметра выполнен в виде штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде сосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично пропущен шток, при этом ниже всасывающего клапана к цилиндру прикреплен приемный фильтр в виде перфорированной цилиндрической трубы, на приемном фильтре ниже и соосно последнему установлен второй цилиндр с всасывающим клапаном на входе со стороны нижнего торца второго цилиндра. Полость приемного фильтра отделена от полости второго цилиндра, шток выполнен полым, проходит через приемный фильтр и механическое уплотнение внутрь второго цилиндра. Полый шток со стороны нижнего конца снабжен нагнетательным клапаном, а со стороны верхнего конца шток пропущен через верхний плунжер и его полость сообщена с полостью выше верхнего плунжера. На втором цилиндре установлен пакер для герметизации кольцевого пространства между вторым цилиндром и обсадной колонной скважины и разделения кольцевого пространства между пластами.
Недостатком данной конструкции является низкий коэффициент полезного действия насосной установки при высоком газовом факторе нефти.
Одной из главных проблем при откачке жидкости из нефтяных скважин является высокое содержание свободного газа в нефти, величина которого влияет на производительность насосной установки.
Техническим результатом предлагаемого дифференциального штангового насоса для добычи нефти с высоким газовым фактором является увеличение коэффициента полезного действия насоса, заключающееся в увеличении соотношения между объемом нефти, откачиваемой за один ход штанги насоса, и эффективным рабочим объемом цилиндра насоса.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в процессе движения колонны штанг вниз происходит постоянный выход нефтяного газа из цилиндра насоса без образования газовой шапки в цилиндре, что обеспечивается благодаря конструкции, включающей плунжер и нагнетательный клапан, выполненный в виде одного конструктивного элемента в виде плунжера-клапана, включающего полый переходной шток с центральным сквозным каналом, концевой наружной резьбой с обоих торцев и кольцевым уступом, расположенным со стороны забоя за концевой наружной резьбой. К торцу кольцевого уступа со стороны забоя поджато седло, фиксируемое с другой стороны от осевого перемещения гайкой, накрученной на наружную концевую резьбу полого переходного штока. Установленная концентрично полому переходному штоку, подвижная часть плунжера-клапана включает в себя цилиндрический корпус с концевой внутренней резьбой с обоих торцев, наружный диаметр которого совпадает с внутренним диаметром корпуса насоса. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса плунжера-клапана и наружная поверхность полого переходного штока образуют кольцевую камеру. Со стороны дневной поверхности в цилиндрический корпус плунжера-клапана вкручена цилиндрическая втулка с центральным каналом, и несколькими сквозными продольными отверстиями в стенке, а со стороны забоя в него вкручена цилиндрическая тарель с центральным каналом и несколькими продольными сквозными отверстиями в стенке. Внутренний диаметр цилиндрической втулки и цилиндрической тарели совпадает с наружным диаметром полого переходного штока, наружный их диаметр выполнен не более наружного диаметра цилиндрического корпуса плунжера-клапана.
Для достижения указанного технического результата, осевое перемещение «n» подвижной части плунжера-клапана, включающей цилиндрический корпус, тарель и цилиндрическую втулку, по наружной поверхности полого переходного штока со стороны забоя ограничивается седлом, зафиксированном на полом переходном штоке, а со стороны дневной поверхности ограничивается торцем переводной муфты, соединяющей полый переходной шток и колонну полых штанг. При этом, для предотвращения уменьшения коэффициента подачи верхнего насоса, величина продольного перемещения «n» плунжера-клапана конструктивно выполнена больше величины продольного перемещения «m» уплотнительного узла.
Дифференциальный штанговый насос для скважин с высоким газовым фактором содержит цилиндр 1, соединенный со стороны дневной поверхности с колонной НКТ, а со стороны забоя-с корпусом 2 всасывающего клапана. Внутри цилиндра 1 концентрично установлен плунжер-клапан 3 дифференциального штангового насоса, полый переходной шток 4 с центральным сквозным каналом, концевой наружной резьбой с обоих торцев и кольцевым уступом 5, расположенным на его наружной поверхности со стороны забоя за концевой наружной резьбой. Полый переходной шток 4 соединен с колонной полых штанг переходной муфтой 6. К торцу кольцевого уступа 5 со стороны забоя поджато седло 7, фиксируемое от осевого перемещения гайкой 8, закрепленной на наружную концевую резьбу полого переходного штока 4. Внутренняя поверхность цилиндра 1 и наружная поверхность полого полированного штока насоса образуют кольцевую камеру А.
Установленная концентрично относительно полого переходного штока 4, подвижная часть плунжера-клапана 3 включает в себя полый цилиндрический корпус 9 с концевой внутренней резьбой с обоих торцев, наружный диаметр которого совпадает с внутренним диаметром цилиндра 1 насоса. Со стороны дневной поверхности в цилиндрический корпус 9 плунжера-клапана 3 вкручена цилиндрическая втулка 10 с центральным каналом, и несколькими сквозными продольными отверстиями в стенке, а со стороны забоя в цилиндрический корпус 9 вкручена цилиндрическая тарель 11 с центральным каналом и несколькими продольными сквозными отверстиями в стенке. Внутренний диаметр цилиндрической втулки 10 и цилиндрической тарели 11 совпадает с наружным диаметром полого переходного штока 4, наружный их диаметр выполнен не более наружного диаметра цилиндрического корпуса плунжера-клапана 3. Через центральные каналы цилиндрической втулки 10 и тарели 11 проходит полый переходной шток 4.
Со стороны забоя полый переходной шток 4 соединен резьбовым соединением с полым полированным штоком штангового насоса, пропущенным через герметичный узел уплотнения 12 всасывающего клапана дифференциального штангового насоса. Осевое смещение «m» узла уплотнения 12 ограничивается расстоянием между торцем воронки 13, жестко соединенной с узлом уплотнения 12, и кольцевым уступом 14, расположенным со стороны дневной поверхности на внутренней концевой поверхности корпуса 2 всасывающего клапана. Внутренняя поверхность корпуса 2 всасывающего клапана и наружная поверхность узла уплотнения 12 образуют кольцевую приемную камеру Б для поступающей жидкости из верхнего пласта.
Дифференциальный штанговый насос для скважин с высоким газовым фактором в составе скважинной насосной установки для одновременной раздельной добычи нефти из двух пластов, работает следующим образом.
При ходе штанги вверх происходит одновременное раздельное заполнение цилиндра каждого насоса продукцией своего пласта, при этом продукция нижнего пласта через нижний насос поступает во внутренний канал цилиндра в подплунжерное пространство нижнего трубного насоса.
Продукция верхнего пласта, проходя через кольцевой зазор, образовавшийся при движении вверх на величину «m» уплотнительного узла 12 всасывающего клапана, заполняет объем камеры Б и далее через прорези воронки 13, поступает в камеру А под плунжером-клапаном 3. При этом часть объема под плунжером-клапаном 3, при высоком газовом факторе, заполняется сжимаемой газовой фракцией и газожидкостной смесью, поступившими из верхнего пласта вместе с добываемой жидкостью, образуя «газовую шапку».
При ходе штанги вниз, всасывающий клапан нижнего трубного насоса перекрывает доступ жидкости в сквозной канал, при этом жидкость поступает через нагнетательный клапан во внутренний канал плунжера полого полированного штока, полого переходного штока 4, переходной муфты 6 и колонны полых штанг, и выходит на дневную поверхность.
Одновременно с этим, при ходе штанги вниз, всасывающий клапан 12 с воронкой 13 верхнего дифференциального штангового насоса перекрывает кольцевой зазор для поступления жидкости из пласта в приемную кольцевую камеру Б, сместившись на расстояние «m». Плунжер-клапан 3, двигаясь вниз вместе с переходной муфтой 6, седлом 7 и гайкой 8, начинает сдавливать газожидкостную смесь, находящуюся в кольцевых приемных камерах А и Б. В процессе движения штанги вниз, подвижная часть плунжера-клапана 3, включающая цилиндрический корпус 9, втулку 10 и тарель 11, сдвигается вверх принудительно за счет трения по внутренней поверхности цилиндра 1, давая возможность сжатому газу, выделившемуся из газовой фракции и газожидкостной смеси, выйти на дневную поверхность через кольцевой зазор между седлом 7 и торцем тарели 11, через продольные отверстия тарели 11, через кольцевой зазор между цилиндрическим корпусом 9 и полым переходным штоком 4, через продольные отверстия втулки 10, кольцевой зазор между переводной муфтой 6 и колонной насосно-компрессорных труб. Ограничение свободного хода «n» подвижной части плунжера-клапана 3 позволяет производить в процессе всего хода штанги вниз в рабочем режиме выкид максимального количества жидкости без газовой составляющей, увеличивая тем самым коэффициент полезного действия насоса, определяемый соотношением между объемом откачиваемой за один ход добываемой жидкости и объемом камер А и Б.
Для предотвращения уменьшения коэффициента подачи верхнего насоса, величина продольного перемещения «n» плунжера-клапана 3 конструктивно выполнена больше величины продольного перемещения «m» уплотнительного узла 12 с воронкой 13, ограниченного уступом 14 в корпусе 2 всасывающего клапана.
При очередном ходе штанги вверх, отсутствие газовой шапки приводит к тому, что объем, который занимала газовая шапка, заполняется жидкостью, поднимающейся из пласта.
Предлагаемый дифференциальный штанговый насос в составе установки для одновременной раздельной добычи обеспечивает одновременную раздельную эксплуатацию двух пластов с раздельным подъемом продукции на дневную поверхность из нижнего пласта и верхнего пласта с высоким газовым фактором, при этом обеспечивается возможность раздельного замера дебита каждого пласта и раздельного промыслового сбора продукции пластов.