ШТАНГОВЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ НАСОС
BOTTOM-HOLE DIFFERENTIAL OIL PUMP

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для добычи высоковязких жидкостей.
Известен штанговый дифференциальный насос для добычи высоковязкой нефти, содержащий неподвижный цилиндр, внутри которого перемещается цилиндр с нагнетательным клапаном. Внутри подвижного цилиндра установлен плунжер с всасывающим клапаном, жестко связанный с неподвижным цилиндром. При подаче жидкости в насосе создается полость с пониженным давлением, которая позволяет снизить усилие перемещения подвижного цилиндра с колонной насосных штанг при его обратном ходе (Рекламный проспект Пермской Компании Нефтяного машиностроения, произведен рекламным агентством «Стиль-МГ» в 2009 году, стр.25).
Однако наличие неподвижных цилиндра и плунжера и подвижного цилиндра между ними повышает трение и износ трущихся поверхностей, требует повышенной точности обработки и подгонки цилиндров и плунжера из-за увеличенного перепада давлений в полостях насоса. Кроме того, в полости с пониженным давлением имеется разрядный клапан, что усложняет конструкцию насоса и снижает его надежность.
Известен штанговый дифференциальный насос для добычи высоковязкой нефти НН-2СП, состоящий из 2-х частей, собственно поршневого насоса и гидроусилителя в виде штока, соединенного с поршнем и проходящего через тарелку всасывающего клапана. В месте выхода штока из рабочей камеры насоса на тарелке клапана установлено механическое уплотнение. При работе насоса на шток постоянно действует нагрузка вниз, равная перепаду давления, умноженному на площадь сечения штока. Это усилие необходимо для преодоления всех сил сопротивления при движении колонны штанг вниз (Каталог продукции Элкам-нефтемаш, www.elkam.ru, стр.8-9).
Однако наличие механических уплотнений между цилиндром, плунжером и штоком без смазки повышает трение и износ трущихся поверхностей, требует повышенной точности обработки и подгонки цилиндров и плунжера из-за увеличенного перепада давлений в полостях насоса. Кроме того, применение кольцевого тарельчатого всасывающего клапана усложняет конструкцию насоса и снижает его надежность, а использование в нем эластичного уплотнения без смазки снижает его надежность.
Наиболее близким к изобретению является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр и плунжер, всасывающий и нагнетательный клапаны, уплотнительное устройство, выполненное в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами, выполненными на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, взаимодействующими с боковой цилиндрической поверхностью плунжера, при этом длина плунжера равна или больше суммы длин замкнутой полости и максимального хода плунжера (RU 2369775 C1, 06.08.2008).
Однако в этом насосе остаются силы трения штанг об трубы и гидродинамическое трение вязкой жидкости.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение силы воздействия на плунжер при его ходе вниз.
Технический результат заключается в повышении возможностей работы насоса и повышении его эффективности при откачке высоковязкой жидкости.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что штанговый дифференциальный насос, содержащий цилиндр с плунжером, всасывающий и нагнетательный клапаны, уплотнительное устройство, выполненное в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами, выполненными на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, взаимодействующими с боковой цилиндрической поверхностью плунжера, при этом длина плунжера равна или больше суммы длин замкнутой полости и максимального хода плунжера, согласно изобретению плунжер выполнен двухступенчатым, а место перехода диаметров плунжера расположено в замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью.
Предпочтительно на верхнем и нижнем торцах плунжера установлены центраторы из износостойкого материала, например стеклонаполненного полиакриламида.
Кроме того, на кольцевых выступах, соприкасающихся с цилиндрической поверхностью плунжера, имеются маслоотводные канавки, например прямые или косые.
Кроме того, наружный диаметр верхней части плунжера должен быть больше, чем наружный диаметр нижней части плунжера.
Выполнение плунжера двухступенчатым и расположение места перехода диаметров плунжера в замкнутой полости позволяют дифференцировать давление столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб и добавить дополнительно силу воздействия на плунжер при его ходе вниз, равную произведению величины давления столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб на разность площадей поперечного сечения большого и малого диаметров плунжера. Исполнение перехода диаметров плунжера в замкнутой полости обеспечивает максимальное давление на плунжер при его ходе вниз. Использование верхнего и нижнего уплотнений позволяет сохранять давление в замкнутой полости. Наличие между плунжером и цилиндром насоса смазывающей жидкости уменьшает износ трущейся пары плунжер-цилиндр и увеличивает межремонтный период насоса. Уменьшение трения в паре дополнительно снижает зависание колонны штанг и расход энергии на подъем откачиваемой жидкости из скважины. Учитывая, что зазор между плунжером и цилиндром изолирован от откачиваемой жидкости, то это, также, расширяет возможности работы с высоковязкой нефтью. Замена обычных скважинных штанговых насосов на предлагаемый не требует ничего дополнительного, т.к. у них общий принцип работы. Насос может работать при меньшем поступлении откачиваемой жидкости, чем производительность насоса, вплоть до полного отсутствия откачиваемой жидкости и работы насоса «всухую» без повреждений для насоса и его перегрева за счет наличия своей автономной смазывающей системы. Вышеперечисленные преимущества предлагаемого насоса позволяют намного увеличить межремонтный период насоса.
На Фиг.1 представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса с полым плунжером, когда плунжер находится в своем нижнем положении, а на Фиг.2 представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса с глухим плунжером, когда плунжер находится в своем верхнем положении.
Дифференциальный штанговый насос в первом варианте (Фиг.1) содержит цилиндр 1 с всасывающим клапаном 2 в нижней части, размещенный в цилиндре 1 полый цилиндрический плунжер 3, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан 4. Полый цилиндрический плунжер 3 выполнен двухступенчатым по наружным диаметрам. Уплотнительное устройство размещено между цилиндром 1 и плунжером 3 и выполнено в виде расширенной замкнутой полости 5, образованной боковой поверхностью плунжера 3 и кольцевыми выступами 6, выполненными на внутренней поверхности цилиндра 1 и снабженными верхним уплотнительным кольцом 7 и нижним уплотнительным кольцом 8, взаимодействующими с боковыми цилиндрическими поверхностями разных диаметров плунжера 3. На верхнем и нижнем концах плунжера 3 установлены центраторы 9 и 10 из износостойкого материала, например стеклонаполненного полиакриламида. Замкнутая полость 5 имеет заливную пробку 11 и заполнена смазывающей жидкостью 12, например маслом. Предлагаемый насос исполнен в невставном варианте, но не исключается и вставной вариант. Насос присоединен к насосно-компрессорным трубам 13, внутри которых находятся штанги 14, передающие возвратно-поступательное движение плунжеру 3. Для защиты верхней части плунжера 3 от воздействия откачиваемой жидкости 15 расчетный объем, выше верхнего уплотнения 7, залит тяжелой жидкостью 16, например ртутью.
Штанговый дифференциальный насос с полым плунжером (Фиг.1) работает следующим образом.
В начале всасывания откачиваемой жидкости 15 плунжер 3 находится в крайнем нижнем положении и начинает движение вверх, что приводит к снижению давления в нижней части цилиндра 1 и открытию всасывающего клапана 2, через который откачиваемая жидкость 15 начинает поступать в цилиндр 1. При достижении плунжером 3 своего крайнего верхнего положения процесс всасывания откачиваемой жидкости 15 в цилиндр 1 заканчивается, всасывающий клапан 2 закрывается, а в цилиндре 1 находится отобранный из скважины объем жидкости. При движении плунжера 3 вниз, в цилиндре 1, за счет уменьшения его свободного объема, начинает повышаться давление. За счет превышения давления откачиваемой жидкости в цилиндре 1 по сравнению с давлением в колонне насосно-компрессорных труб 13 нагнетательный клапан 4 открывается и откачиваемая жидкость 15 из нижней части цилиндра 1, через полый плунжер 3, поступает в колонну насосно-компрессорных труб 13 и далее, по последней на поверхность. Верхнее уплотнительное кольцо 7 предотвращают попадание откачиваемой жидкости в полость 5 с одновременным предотвращением утечки смазывающей жидкости из нее. При достижении плунжером 3 крайнего нижнего положения нагнетательный клапан 4 закрывается и начинается следующий цикл работы скважинного штангового насоса, аналогичный описанному выше. Заливка и слив смазывающей жидкости вниз полости 5 осуществляются через пробку 11.
Дифференциальный штанговый насос во втором варианте (Фиг.2) содержит корпус 17, насосную камеру 18 с всасывающим клапаном 19 и сообщенную при помощи нагнетательного клапана 20 управляющую камеру 21 с приводной жидкостью 22, отделенную при помощи перегородки 23 от насосной камеры 18. Насосная камера 18 и управляющая камера 21 соединены между собой гидравлически нижними частями через переточный канал 24, образованный между корпусом 17 и нижней частью перегородки 23. Образованная полость заполнена расчетным объемом буферной жидкости 25 с образованием гидрозатвора. В управляющей камере 21, своей нижней частью малого диаметра, расположен глухой плунжер 26, выполненный двухступенчатым по наружным диаметрам, соединенный с колонной штанг 27. Уплотнительное устройство размещено между цилиндром 28 и плунжером 26 и выполнено в виде расширенной замкнутой полости 29, образованной боковой поверхностью плунжера 26 и кольцевыми выступами 30 и 31, выполненными на внутренней поверхности цилиндра 28 и снабженными верхним уплотнительным кольцом 32 и нижним уплотнительным кольцом 33, взаимодействующими с боковыми цилиндрическими поверхностями разных диаметров плунжера 26.
Камера 34, над плунжером 26, заполнена расчетным объемом буферной жидкости 35, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера 26 его наружная поверхность, начиная от уплотнения 32, в пределах рабочего хода плунжера 26, омывалась буферной жидкостью 35. Замкнутая полость 29 заполнена смазывающей жидкостью 36. В случае повышенного расхода смазывающей жидкости 36 над насосом дополнительно устанавливается питательный бак с аналогичной смазывающей жидкостью 36, имеющий гидравлический канал с полостью 29 (не показан).
Для вывода откачиваемой жидкости 37 из насосной камеры 18 в колонну насосно-компрессорных труб 38 имеется канал 39.
В качестве приводной 22 и смазывающей 36 жидкостей может быть применено минеральное масло.
В качестве буферной жидкости 25 и 35 могут быть использованы ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, несмешивающаяся с перекачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей.
Наружная поверхность плунжера 26, омываемая буферной жидкостью 20, предпочтительно покрыта материалом, не смачивающимся буферной жидкостью 20.
На концах плунжера 26 могут быть установлены центраторы (не показаны).
Штанговый дифференциальный насос с глухим плунжером (Фиг.2) работает следующим образом.
В начале всасывания откачиваемой жидкости 37 плунжер 26 находится в крайнем нижнем положении и начинает движение вверх, что приводит к снижению давления в насосной камере 18 и открытию всасывающего клапана 19, через который откачиваемая жидкость 37 начинает поступать в насосную камеру 18. При достижении плунжером 26 своего крайнего верхнего положения процесс всасывания откачиваемой жидкости 37 в насосную камеру 18 заканчивается, всасывающий клапан 19 закрывается, а в насосной камере 18 находится отобранный из скважины объем жидкости. При движении плунжера 26 вниз, в насосной камере 18, за счет уменьшения его свободного объема, начинает повышаться давление. За счет превышения давления откачиваемой жидкости 37 в насосной камере 18 по сравнению с давлением в колонне насосно-компрессорных труб 38 нагнетательный клапан 20 открывается и откачиваемая жидкость 37 из насосной камеры 18 через канал 39 поступает в колонну насосно-компрессорных труб 38 и далее по последней на поверхность. При возвратно-поступательных движениях плунжера 26 его центральная часть между двумя уплотнениями 32 и 33 находится в масляной ванне в замкнутой полости 29. Уплотнения 32 и 33 предотвращают попадание откачиваемой жидкости 37 в замкнутую полость 29 с одновременным предотвращением утечек масла из нее. При достижении плунжером 26 крайнего нижнего положения начинается следующий цикл работы скважинного штангового насоса, аналогичный описанному выше.
Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности при добыче различных высоковязких жидких сред из скважин с помощью скважинных штанговых насосов.