Скважинный штанговый насос
BOTTOM-HOLE SUCKER-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 способностью, запаздыванием открытия и закрытия всасывающего клапана, а также вероятностью потери устойчивости и провисания низа колонны штанг.
Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, ступенчатый плунжер с нагнетательным клапаном, всасывающий клапан с запорным органом, выполненным в виде втулки, ответно нижней части плунжера с возможностью ограниченного осевого перемещения и образования камеры переменного объема (см. Патент РФ №2669058, МКП F04B 47/00, 2018 г.) который принят за прототип.
Недостатками известного устройства являются запаздывание закрытия всасывающего клапана вследствие его закрытия только от его веса, а также возможность потери устойчивости и провисания низа колонны штанг.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение объемных потерь путем снижения запаздывания закрытия всасывающего клапана и обеспечения регулирования нагрузки на запорный орган.
Решение технической задачи достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, всасывающий клапан, включающий верхнее и нижнее седла, запорный орган, выполненный в виде втулки с верхним буртом ответно верхнему седлу, нижнее седло размещено в днище насоса со сквозным осевым отверстием, плунжер со ступенями большого и малого диаметра с нагнетательным клапаном, втулка установлена с возможностью ограниченного упором осевого перемещения вдоль плунжера с образованием камеры переменного объема, образованного торцом втулки, ступенью плунжера малого диаметра и цилиндром, согласно техническому решению, цилиндр выполнен ступенями большего и малого диаметра ответно ступеням плунжера, нижнее седло соединено с плунжером, в нижней части которого выше нижнего седла выполнено, как минимум, одно сквозное радиальные отверстие с возможностью сообщения с осевым отверстием днища, вход нагнетательного клапана выполнен в виде цилиндрического углубления с торцовой поверхностью, плунжер снабжен патрубком с буртом в нижней части ответно отверстиям втулки и цилиндрическому углублению с возможностью взаимодействия бурта с торцом втулки, в верхней части патрубка выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие с возможностью частичного его перекрытия боковой поверхностью цилиндрического углубления в верхнем положении втулки.
Плунжер малого диаметра в нижней части снабжен центральным отводом с размещенным в нем нагнетательным клапаном.
Патрубок в нижней части выполнен большего диаметра, а длина верхнего участка больше суммарной высоты цилиндрического углубления и максимального хода втулки.
Патрубок оснащен, как минимум одним контргрузом, выполненным в виде насаженного на него кольца.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена схема скважинного штангового насоса;
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
На фиг. 3- разрез Б-Б на фиг. 1;
На фиг. 4 - насос с патрубком с увеличенной массой;
На фиг. 5 - вариант исполнения насоса с малым вредным объемом цилиндра;
На фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5.
Скважинный штанговый насос содержит составной цилиндр 1 (см. фиг. 1), включающий верхний цилиндр 2 малого и нижний цилиндр 3 большего диаметра, соединенные между собой, например, переводником 4, плунжер 5, состоящий из верхнего плунжера 6 малого диаметра и нижнего плунжера 7 большого диаметра, соединенные, например, переводником 8, ответно выполненные соответственно цилиндрам меньшего 2 и большого 3 диаметра.
В нижней части плунжера 7 большого диаметра выполнены, например, три сквозные радиальные отверстия 9 (фиг. 2), расположенные равным угловым расстоянием между ними. Отверстия 9 могут быть выполнены в форме прямоугольника в плане.
Нижний плунжер 7 в нижней части, выше радиальных отверстий 9, снабжен верхним седлом 10, выполненным, например, в виде заплечика. Плунжер 7 в нижней части снабжен днищем 11, включающим нижнее седло 12, выполненное, например, в виде диска со сквозными центральным (на фиг. не указано) и периферийными осевыми отверстиями 13 (фиг. 3), упор 14, выполненный, например, в виде диска с центральным резьбовым отверстием (на фиг. не указано) и соединенный с плунжером 7 посредством резьбового соединения (на фиг. не указано). Упор 14 установлен ниже седла 12 с гарантированным осевым зазором (на фиг. не указан). В седле 12 выполнено, например, центральное сквозное отверстие (на фиг. не указано). Упор 14 установлен с возможностью взаимодействия с седлом 12 посредством регулировочного болта 15 с контргайкой 16. В верхней части болта 15 выполнен цилиндрический выступ 17, ответно выполненный центральному отверстию седла 12. Днище 11 соединено с болтом 15 посредством шайбы и пружинного разрезного кольца, установленного в цилиндрической канавке (на фиг. не указаны) выступа 17.
Сквозные отверстия 13 седла 12 выполнены с возможностью сообщения с радиальными отверстиями 9 плунжера 7. В упоре 14, ответно отверстиям 13 седла 12 и с возможностью сообщения с ними, выполнены сквозные осевые отверстия 18.
В плунжере 7 выше седла 12 установлен запорный орган 19 всасывающего клапана, выполненный в виде втулки с буртом 20 в верхней части. При этом бурт 20 и боковая поверхность втулки 19 выполнены ответно внутренней поверхности (на фиг. не указана) плунжера 7 и заплечика 10.
В бурте 20 и в нижней части втулки 19 выполнены упорно-уплотнительные поверхности 21 и 22, ответно выполненные седлам 10 и 12 с возможностью одновременного взаимодействия с ними. Упорно-уплотнительные поверхности 21 и 22 могут быть выполнены сферическими, а ответно выполненные поверхности седел 10 и 12 - коническими, с возможностью касания сопрягаемых пар по линии. При этом, с целью обеспечения достаточного усилия на контактные поверхности, касание поверхности 21 и седла 10 осуществляется по максимальному диаметру упорно-уплотнительной поверхности 21, а касание поверхности 22 с седлом 12 - по минимальному диаметру упорно-уплотнительной поверхности 22.
В нижней части плунжера 6 малого диаметра установлен нагнетательный клапан, включающий седло 23, запорный орган 24, выполненный, например, в виде шарика, и ограничитель хода 25 шарика 24.
Нижнее седло 12 всасывающего клапана и седло 23 нагнетательного клапана установлены с образованием рабочей полости 26 между ними.
Например, в заплечике 10 плунжера 7 выполнена, как минимум, одна сквозная продольная канавка 27 с возможностью сообщения отверстий 9 с рабочей полостью 26.
Плунжер 5 установлен в цилиндре 1 с образованием дополнительно, верхней камеры 28 переменного объема между переводниками 4 и 8.
В нижней части переводника 8 выполнено цилиндрическое углубление 29 с заплечиком (на фиг. не указан) с образованием торцовой поверхности 30.
Плунжер 5 снабжен патрубком 31, нижняя часть которого выполнена меньшего диаметра с образованием бурта (на фиг. не указан). Концевые участки патрубка 31 выполнены ответно отверстиям втулки 19 (на фиг. не указано) и цилиндрическому углублению 29 с возможностью взаимодействия бурта патрубки 31 с торцом втулки 19 и ограниченного осевого перемещения втулки 19 с патрубком 31 между нижним седлом 12 и торцовой поверхностью 30 цилиндрического углубления 29. В верхней части патрубка 31 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 32, частично перекрываемое боковой поверхностью углубления 29 в верхнем положении запорного органа 19.
Патрубок 31 установлен с образованием нижней кольцевой камеры 33 переменного объема между плунжером 7 и патрубком 31. В переводнике 8 выполнено, как минимум, одно радиальное отверстие 34, сообщающее верхнюю 28 и нижнюю 33 камеры переменного объема.
Верхний плунжер 6 соединен, например, с приводом, посредством колонны штанг (на фиг.  не показаны).
Нагнетательный клапан установлен с возможностью сообщения рабочей полости 26 с нагнетательной линией 35.
Патрубок 31 (фиг. 4) может быть выполнен ступенчатым, с большим диаметром в нижней части. При этом длина участка 36 верхней части, ответно выполненной цилиндрическому углублению 29, должна быть больше суммарной высоты углубления и максимального хода втулки 19. Наружный диаметр патрубка 31 может быть выполнена чуть меньше диаметра плунжера 7.
Патрубок 31 может быть оснащен, как минимум, одним дополнительным контргрузом 37, выполненным в виде кольца, насаженного на патрубок 31.
Плунжер 6 (фиг. 5) малого диаметра снизу может быть снабжен отводом 38, соединенным с плунжером 6, например, через переводник 8. В отводе 38 установлен нагнетательный клапан, включающий седло 23 и запорный орган 24. В нижней части отвода 38, на входе в нагнетательный клапан, выполнено цилиндрическое углубление 29 с торцовой поверхностью 30. Верхняя часть 36 (фиг. 5 и 6) патрубка 31, выполнена ответно углублению 29.
Сборка насоса осуществляется следующим образом.
Вначале осуществляется сборка плунжера с клапанами. Одновременная посадка упорно-уплотнительных поверхностей 21 и 22 седел 10 и 12 обеспечивается регулированием положения седла 12 при помощи болта 15. Сначала бурт 20 сажается на седло 10, а затем седло 12 приподнимается вверх до касания с упорно-уплотнительной поверхностью 22 при неподвижной втулке 19.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 1 находится в начальном положении подъема плунжера 5 (фиг. 1-3). При этом нагнетательный клапан открыт, запорный орган 24 приподнят над седлом 23, всасывающий клапан закрыт. Втулка 19 находится в крайнем нижнем положении с возможностью взаимодействия седел 10 и 12 с упорно-уплотнительными поверхностями бурта 20 и нижнего торца втулки 19. Давление в рабочей полости 26 равно давлению в нагнетательной линии 35. Давление в нижней кольцевой камере 33 переменного объема больше давления в полости 26 из-за движения жидкости из верхней камеры 28 переменного объема в рабочую полость 26.
При движении нижнего плунжера 7 большого диаметра вверх, объем камеры 28 уменьшается. Вследствие этого объем жидкости, вытесняемой из камеры 28, через отверстия 34, 32, камеру 33, рабочую полость 26 и нагнетательный клапан, перетекает в напорную линию 35. Кроме того, в напорную линию подается жидкость от перемещения плунжера 6 малого диаметра.
При приближении плунжера 5 в верхнее положение, его скорость снижается. Это приводит к опусканию шарика 24 на седло 23.
В крайнем верхнем положении плунжера 5 его скорость равна нулю, и запорный орган 24 опускается на седло 23.
При обратном ходе плунжера 5 вниз объем камеры 28 увеличивается, снижая в нем давление. Под действием создавшегося перепада давления жидкость из нижней кольцевой камеры 33 перетекает в камеру 28, снижая давление в камере 33. Когда давление в камере 33 становится меньше чем на входе насоса, т.е., в отверстиях 13 и 18 (фиг. 3), втулка 19 начинает перемещаться вверх, отрываясь от седел 10 и 12. При движении вверх боковая поверхность углубления 29 начинает перекрывать радиальные отверстия 32, увеличивая перепад давления между рабочей полостью 26 и камерой 33.
При дальнейшем движении нижнего плунжера 7 вниз втулка 19 полностью поднимается вверх, до взаимодействия торца патрубки 31 с торцовой поверхностью 30 углубления 29. При этом жидкость из пластовой среды (на фиг. не показано) через осевые отверстия 17 и 13 упора 14 и седла 12, радиальные отверстия 9 (фиг. 2) плунжера 7 поступает в рабочую полость 26.
Усилие на подъем втулки 18 вверх определяется неуравновешенней площадью сечения втулки 18, которая пропорциональна разности квадратов максимального и минимального диаметров соответственно упорно-уплотнительных поверхностей 21 и 22, а также разностью давления жидкости перед насосом и в камере 33.
При опускании плунжера 5 вниз на него сверху действует усилие от перепада давления на плунжер 6 малого диаметра.
При приближении плунжера 5 в крайнее нижнее положение он останавливается. Прекращается движение жидкости через отверстия 18, 13, 9. Выравниваются давления в рабочей полости 26, камерах 33, 28 и в пластовой среде. Под действием веса патрубки 31 и втулка 19 последняя опускается на седла 10 и 12.
Изменением толщины патрубка 31 может регулироваться величина нагрузки на запорный орган 19, способствующая его закрытие. Кроме того, в зависимости от вязкости пластовой среды могут применяться сменные патрубки 31 с различной массой. При этом габариты и масса запорного органа 19, выполненного из высокопрочного материала, остается постоянными.
В начале движения плунжера 5, значит и нижнего плунжера 7, вверх, давление в камерах 28 и 33 возрастает. Это приводит к увеличению контактного давления в сопрягаемых парах бурт 20 - седло 10 и втулка 19 - седло 12.
Далее цикл повторяется.
При выполнении патрубка 31 (фиг. 4) с большим диаметром в нижней части увеличивается нагрузка на закрытие всасывающего клапана, особенно при подъеме высоковязкой жидкости. Кроме того, суммарная масса втулки 19 и патрубка 31 может регулироваться оснащением последнего одним или несколькими кольцами 37. При атом размеры патрубка 31 остаются неизменными.
Оснащение плунжера 6 (фиг. 5 и 6) снизу отводом 38 с установленным в нем нагнетательным клапаном позволяет снизить вредный объем цилиндра. В результате уменьшаются запаздывания открытия клапанов. Работа насоса происходит аналогичным образом.
Таким образом, запорный орган 19 всасывающего клапана и патрубок 31 перемещаются как одно целое. Это обеспечивает своевременное закрытие всасывающего клапана под действием суммарного веса втулки 19 и патрубка 31. Кроме того, в зависимости от вязкости пластовой среды масса патрубка 31 может меняться путем изменения его диаметра, или его оснащением контргрузами 37. Частичное перекрытие радиального отверстия 32 патрубка 31 при подъеме втулки 19 позволяет снизить давление в верхней камере 28 переменного объема, что обеспечивает своевременное открытие всасывающего клапана.