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 открытия и закрытия всасывающего клапана и вероятности провисания колонны штанг при движении плунжера вниз.
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, размещенное в днище насоса со сквозным осевым отверстием, плунжер со ступенями большого и меньшего диаметра с нагнетательным клапаном, втулка установлена с возможностью ограниченного упором осевого перемещения вдоль плунжера с образованием камеры переменного объема между цилиндром и ступенью плунжера большого диаметра, согласно техническому решению, цилиндр выполнен ступенями большего и меньшего диаметра ответно плунжеру, ступень плунжера большего диаметра снабжен патрубком, телескопически связанным с втулкой, нижнее седло соединено с плунжером, в нижней части которого выше седла выполнены, как минимум, три сквозные радиальные отверстия с равным угловым шагом друг от друга с возможностью сообщения с осевыми отверстиями днища.
Нагнетательный клапан размещен в нижней части патрубка выше радиальных отверстий.
Патрубок в средней части выполнен большего диаметра, с образованием бурта в нижней части, с возможностью его взаимодействия с верхним торцом втулки.
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 - узел всасывающего клапана в открытом положении;
На фиг. 5 - вариант исполнения насоса с нижним расположением нагнетательного клапана;
На фиг. 6 - вариант исполнения насоса с нижним расположением нагнетательного клапана и расширенным патрубком.
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, переходником 4, плунжер 5, состоящий из верхнего плунжера 6 малого диаметра и нижнего плунжера 7 большого диаметра, соединенные, например, переводником 8, ответно выполненные соответственно цилиндрам малого 2 и большого 3 диаметра.
В нижней части плунжера 7 большого диаметра выполнено, как минимум, 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 бурта. Плунжер 7 в нижней части снабжен днищем 11, включающим нижнее седло 12, выполненным, например, в виде диска со сквозными 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), установленный ниже седла 12 с гарантированным осевым зазором (на фиг. не указан). Снизу в седле 12 выполнено, например, центральное глухое резьбовое отверстие (на фиг. не указано). Упор 14 установлен с возможностью взаимодействия с седлом 12 посредством регулировочного болта 15 с контргайкой 16.
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 17.
В плунжере 7 выше седла 12 установлен запорный орган 18 всасывающего клапана, выполненный в виде втулки с буртом 19 в верхней части. При этом бурт 19 и боковая поверхность втулки 18 выполнены ответно внутренней поверхности (на фиг. не указана) плунжера 7 и бурта 10.
В бурте 19 и в нижней части втулки 18 выполнены упорно-уплотнительные поверхности 20 и 21, ответно выполненные седлам 10 и 12 с возможностью одновременного взаимодействия с ними. Упорно-уплотнительные поверхности 20 и 21 могут быть выполнены сферическими (фиг. 4), 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 20 и седла 10 осуществляется по максимальному диаметру упорно-уплотнительной поверхности 20, а касание поверхности 21 с седлом 12 - по минимальному диаметру упорно-уплотнительной поверхности 21.
В регулировочном болте 15, например, выполнено центральное отверстие (на фиг. не указано), в которое установлен болт 22 (фиг. 4) с резьбовым концом. Снизу седла 12 выполнено центральное глухое резьбовое отверстие (на фиг. не указано), ответно резьбе болта 22. При этом регулировочный болт 15 установлен с возможностью взаимодействия с нижним торцом седла 12, и соединения упора 14 с седлом 12 посредством болта 22.
Торец болта 15 и центральная часть нижней торцовой поверхности седла 12 выполнены, например, сферическими, ответно друг другу.
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 бурте 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 верхней камеры 28 переменного объема, образованного между боковыми поверхностями цилиндра 3, плунжера 6, переходника 4 и переводника 8.
Нижний плунжер 7 большего диаметра снабжен патрубком 29, жестко соединенным с переводником 8 и телескопически соединенным с втулкой 18 с образованием нижней кольцевой камеры 30 переменного объема. В нижней части патрубка 29 и в переводнике 8 выполнены, как минимум, по одному, сквозные радиальные отверстия 31 и 32 с возможностью сообщения рабочей полости 26 с верхней камерой 28 переменного объема посредством радиальных отверстий 31, 32 и нижней кольцевой камеры 30.
Радиальное отверстие 31 патрубка 29 выполнено с возможностью частичного его перекрытия боковой поверхностью втулки 18 в крайнем верхнем его положении.
В верхней части патрубка 29 может быть выполнено, как минимум, одно дополнительное сквозное радиальное отверстие 33.
Запорный орган 18 может быть снабжен упором 34, выполненным, например, в виде разрезного кольца, имеющим возможность взаимодействовать с нижним торцом (на фиг. не указан) патрубка 29 с возможностью ограниченного осевого перемещения.
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.
Седло 23 (фиг. 5) нагнетательного клапана может быть установлено в нижней части патрубка 29 выше радиального отверстия 31, выполненного в нижней части патрубка с возможностью частичного его перекрытия втулкой 18 при верхнем ее положении.
Патрубок 29 (фиг. 6) в средней части может быть выполнен большего диаметра, т.е. наружный диаметр патрубка 29 в средней части больше внутреннего диаметра втулки 18. При этом в нижней части патрубка 29, на месте перехода, может быть выполнен бурт 36 с возможностью его взаимодействия с верхним торцом втулки 18. Расстоянием между торцом втулки 18 и нижним торцом бурта 36 определяется ход втулки 18.
Сборка насоса осуществляется следующим образом.
В начале осуществляется сборка плунжера с клапанами. Одновременная посадка упорно-уплотнительных поверхностей 20 и 21 седел 10 и 12 обеспечивается регулированием положения седла 12 при помощи болта 15. Сначала бурт сажается на седло 10, а затем седло 12 приподнимается вверх до касания с упорно-уплотнительной поверхностью 21 при неподвижной втулки 18.
Устройство работает следующим образом.
Пусть плунжер 1 находится в начальном положении подъема плунжера 5 (фиг. 1). При этом нагнетательный клапан открыт, запорный орган 24 приподнят над седлом 23, всасывающий клапан закрыт. Втулка 18 находится в крайнем нижнем положении с возможностью взаимодействия седел 10 и 12 с упорно-уплотнительными поверхностями бурта 19 и нижнего торца втулки 18. Давление в рабочей полости 26 равно давлению в нагнетательной линии 35. Давление в нижней кольцевой камере 30 переменного объема давление чуть 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 32, 31, камеру 30, рабочую полость 26 и нагнетательный клапан перетекает в напорную линию. 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 30 перетекает в камеру 28, снижая давление в нем. Когда давление в камере 30 становится меньше чем в приеме насоса, т.е., в отверстиях 13 и 17, втулка 18 начинает перемещаться вверх, отрываясь от седел 10 и 12. При движении вверх втулка 18 начинает перекрывать радиальные отверстия 31, увеличивая перепад давления между рабочей полостью 26 и камерой 30.
В дальнейшем движении нижнего плунжера 7 вниз втулка 18 полностью поднимается вверх, до взаимодействия упора 34 с нижним торцом патрубка 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 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 20 и 21, а также разностью давления жидкости перед насосом и в камере 30.
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 17, 13, 9. Выравниваются давления в рабочей полости 26, камерах 30, 28 и в пластовой среде. Под действием веса втулка 18 опускается на седла 10 и 12.
В начале движения плунжера 5, значит и нижнего плунжера 7, вверх, давлением камерах 28 и 30 возрастает. Это приводит к увеличению контактного давления в сопрягаемых парах бурт 19 - седло 10 и втулка 18 - седло 12.
Далее цикл повторяется.
При установке нагнетательного клапана (фиг. 5) в нижней части патрубка 29 снижается вредный объем цилиндра. Это способствует снижению запаздывания открытия клапанов.
Регулирование усилия открытия всасывающего клапана достигается также изменением площади и величины перекрытия втулкой 18 радиальных отверстий 31.
При выполнении патрубка 29 (фиг. 6) большего диаметра в средней его части, уменьшается величина вредного объема цилиндра. Это позволяет также повысить пропускную способность нагнетательного клапана за счет увеличения прохода седла 23. Кроме того, ступенчатое выполнение патрубка 29 позволяет осуществить функцию упора втулки 18 буртом 36 патрубка 18.
Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки 18, имеющей возможность ограниченного упор перемещения вдоль плунжера 7 и перекрытия седла всасывающего клапана существенно увеличивает пропускную способность всасывающего клапана. Расположение втулки 18 в нижней части плунжера 7 между плунжером 7 и патрубком 29, с образованием в верхней ее части камеры 30 переменного объема, позволяет открыть всасывающий клапан в самом начале цикла всасывания и удержать втулку 18 в верхнем положении за весь цикл всасывания.
При выполнении радиальных отверстий 9 прямоугольного сечения пропускная способность всасывающего клапана достигает значительной величины даже при небольшом подъеме втулки 18.
Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль плунжера и охвата нижней части патрубка позволяет существенно увеличить пропускную способность всасывающего клапана при одновременном снижении запаздывания его открытия и закрытия. Кроме того, предлагаемая конструкция насоса позволяет расположить нагнетательный клапан в нижней части плунжера, вплотную к всасывающему клапану, что существенно снижает вредный объем цилиндра. Перемещение плунжера вниз под действием столба жидкости над малым плунжером исключает возможность провисания колонны штанг.