ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к технике добычи нефти, в частности - к дифференциальным штанговым насосам, и может быть преимущественно использована для откачки из наклонных скважин с углом наклона более 60° и из горизонтальных скважин.
Известна скважинная штанговая насосная установка для добычи нефти, содержащая всасывающий клапан с узлом уплотнения и упорной воронкой, полый шток, соединенный с колонной полых штанг, плунжер и нагнетательный клапан (см. патент на полезную модель RU 97775, F04B 47/00, 20.09.2010)
Данная скважинная штанговая насосная установка может быть использована для наклонных скважин, т.к. оба клапана приводные.
Однако данная насосная установка выполнена с длинным плунжером, что может привести к его заклиниванию, выполнение уплотнения щелевым приводит к увеличению утечек, а длинный канал для прохода жидкости приводит к большому гидравлическому сопротивлению.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный штанговый насос, содержащий связанный с колонной насосных труб цилиндрический корпус, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер с верхней ступенью большего диаметра и нижней ступенью меньшего диаметра, причем верхняя ступень плунжера снабжена механическим уплотнением относительно верхней части цилиндрического корпуса и в верхней ступени плунжера выполнен сквозной канал с нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между цилиндрической внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью нижней ступени плунжера, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, седло которого установлено в нижней части цилиндрического корпуса, а тарелка выполнена с отверстием, через которое проходит монолитный шток, и расположенным над ним механическим уплотнением относительно наружной поверхности монолитного штока, (см. патент на полезную модель RU 39366, F04B 47/00, 27.07.2004).
Однако известная конструкция дифференциального штангового насоса имеет ряд недостатков, а именно выполнение нагнетательного клапана в виде грузового шарикового клапана приводит к его неработоспособности в наклонных и горизонтальных скважинах, что сужает область использования данного дифференциального штангового насоса.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность насосу работать в наклонных и горизонтальных скважинах за счет замены грузового шарикового клапана на клапан с приводом от колонны штанг насоса.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб цилиндрический корпус, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер с верхней ступенью большего диаметра и нижней ступенью меньшего диаметра, причем верхняя ступень плунжера снабжена механическим уплотнением относительно верхней части цилиндрического корпуса и в верхней ступени плунжера выполнен сквозной канал с нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между цилиндрической внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью нижней ступени плунжера, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, седло которого установлено в нижней части цилиндрического корпуса, а тарелка выполнена с отверстием, через которое проходит монолитный шток, и расположенным над ней механическим уплотнением относительно наружной поверхности монолитного штока, причем седло нагнетательного клапана расположено в выполненной в верхней ступени плунжера расточке, а его плоская тарелка размещена в расточке верхней ступени плунжера над седлом и закреплена на верхней части монолитного штока, прикрепленного к верхней ступени плунжера с возможностью осевого перемещения относительно него, причем всасывающий и нагнетательный клапаны снабжены каждый ограничителем хода их тарелок.
В ходе проведенного исследования было установлено, что штанги в штанговых насосах при добыче нефти, при работе в наклонных скважинах с большим набором кривизны и горизонтальных скважинах (осложненные условия работы) испытывают повышенные силы сопротивления как при ходе вверх, так и при ходе вниз.
При ходе вверх нагрузки на колонну насосных штанг преодолеваются с помощью привода увеличенной мощности и установки насосных штанг повышенной прочности. При ходе вниз движение колонны насосных штанг и рабочего органа насоса - плунжера осуществляется только за счет веса колонны насосных штанг. Силы механического и гидродинамического трения препятствуют движению насосных штанг вниз, колонна насосных штанг движется медленнее, чем приводной механизм (станок-качалка), что приводит к ударам и обрыву насосных штанг. На прочность насосных штанг большое влияние оказывают также знакопеременные нагрузки, которые возникают в насосных 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 с механическим уплотнением, сквозным каналом и нагнетательным клапаном, плоская тарелка которого размещена в расточке и закреплена на верхней части монолитного штока, прикрепленного к верхней ступени с возможностью осевого перемещения относительно нее в сочетании с выполнением нижней ступени плунжера меньшего диаметра в виде монолитного штока и образованием рабочей камеры насоса с всасывающим клапаном в кольцевом пространстве, заключенном между внутренней стенкой цилиндрического корпуса и поверхностью плунжеров с выполнением всасывающего клапана соосно с цилиндром в виде тарелки с отверстием, через которое герметично проходит монолитный шток, и механическим уплотнением относительно монолитного штока позволяет с одной стороны добиться увеличения нагрузки на дифференциальный плунжер при ходе вниз за счет гидростатического давления в колонне насосных труб, а с другой стороны - сократить осевые габариты дифференциального штангового насоса. Кроме того, в этой конструкции дифференциального штангового насоса использовано для уплотнения монолитного штока и верхней ступени дифференциального плунжера с нагнетательным клапаном 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 клапаны воздействуют силы трения, которые обеспечивают его надежную работу.
Таким образом, удалось создать достаточно простую конструкцию насоса с минимальным количеством деталей.
В результате решена поставленная в полезной модели задача -достигается возможность насосу работать в наклонных и горизонтальных скважинах за счет выполнения обоих клапанов описанным выше образом с механическим уплотнением с приводом от колонны штанг, что обеспечивает управление работой обоих клапанов независимо от их пространственного положения.
На чертеже представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса.
Дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб 1 цилиндрический корпус 2, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг 3 дифференциальный плунжер 4 с верхней ступенью 5 большего диаметра и нижней ступенью 6 меньшего диаметра, причем верхняя ступень 5 плунжера 4 снабжена механическим уплотнением 7 относительно верхней части цилиндрического корпуса 2 и в верхней ступени 5 плунжера 4 выполнен сквозной канал 8 с нагнетательным клапаном 9, а нижняя ступень 6 плунжера 4 выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство 10, заключенное между цилиндрической внутренней стенкой корпуса 2 и наружной поверхностью нижней ступени 6 плунжера 4, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном 11, седло 12 которого установлено в нижней части цилиндрического корпуса 2, а тарелка 13 выполнена с отверстием, через которое проходит монолитный шток, и расположенным над ним механическим уплотнением 14 относительно наружной поверхности монолитного штока, причем седло 15 нагнетательного клапана 9 расположено в выполненной в верхней ступени 5 плунжера 4 расточке 16, а его плоская тарелка 17 размещена в расточке 16 верхней ступени 5 плунжера 4 над седлом 15 и закреплена на верхней части монолитного штока, прикрепленного к верхней ступени 5 плунжера 4 с возможностью осевого перемещения относительно него, причем всасывающий 11 и нагнетательный 9 клапаны снабжены каждый ограничителем хода, соответственно 18 и 19, их тарелок 13 и 17.
Дифференциальный штанговый насос работает следующим образом.
При движении колонны насосных штанг 3 вверх вместе с монолитным штоком нижней ступени 6 дифференциального плунжера 4 вверх поднимается всасывающий клапан 11, длина хода которого регулируется ограничителем хода 18, и в кольцевое пространство 10 из скважины поступает откачиваемая жидкая среда. Далее при движении колонны насосных штанг 3 вниз всасывающий клапан 11 перекрывается тарелкой 13. Одновременно за счет движения вниз верхней ступени плунжера 4 уменьшается кольцевое пространство 10 и под действием давления жидкой среды последняя через нагнетательный клапан 9, длина хода которого регулируется ограничителем хода 19, поступает в сквозной канал 8 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 11 для новой порции откачиваемой жидкой среды, а нагнетательный клапан 9 перекрывает сквозной канал 8, 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 наклонных и горизонтальных скважин различных жидких сред, в том числе высоковязкой нефти.