ШТАНГОВЫЙ СКВАЖИННЫЙ НАСОС ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным насосным установкам двухстороннего действия.
Известен сдвоенный штанговый насос для откачки жидких сред из скважины с двумя продуктивными пластами, содержащий 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 соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично пропущен шток, 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, причем полость приемного фильтра отделена от полости второго цилиндра, шток выполнен полым, проходит через приемный фильтр и установленное между приемным фильтром и вторым цилиндром механическое уплотнение внутрь второго цилиндра, со стороны нижнего конца полый шток снабжен нагнетательным клапаном, а со стороны верхнего конца шток пропущен через верхний плунжер и его полость сообщена с полостью цилиндра 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. (RU №53736U1, 27.05.2006 г.)
Недостатками данной конструкции насоса двухстороннего действия является, сложность и дороговизна изготовления из-за наличия большого количества сложных взаимодействующих деталей, что так же приводит к низкой надежности в работе и сложности в обслуживании, а наличие перепускных отверстий малого сечения приводит к высоким гидравлическим сопротивлениям при перетоке жидкости, что значительно снижает коэффициент полезного действия (КПД) насоса.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа  является штанговый скважинный насос двухстороннего действия, состоящий из плунжера с полой штангой и цилиндра с колонной труб, нижних всасывающего и нагнетательного клапанов, распределительной муфты, герметично соединенной с цилиндром, верхних всасывающего и нагнетательного клапанов (RU №2386018, 10.04.2010).
Недостатками известного насоса двухстороннего действия являются сложность и дороговизна спускоподъемных операций из-за необходимости одновременного спуска колонны труб с насосом и штанг с плунжером, размещенным в цилиндре, что требует использования спускающих кранов с высотой подъема не менее чем в два раза больших длины труб в спускаемой колонне, при этом низкий КПД насоса из-за высокого сопротивления в верхнем нагнетательном клапане, имеющем малое пропускное сечение из-за установки сверху распределительной муфты между полыми штангами, размещаемыми по оси цилиндра, и стенками колонны труб, и невозможность использования при смешении жидкостей, а также невозможность регулировки производительности насоса при раздельном подъеме жидкостей.
Задачей, поставленной в полезной модели  является создание надежного, простого в работе насоса с высоким КПД за счет уменьшения гидравлического сопротивления верхнего нагнетательного клапана и расширенными технологическими возможностями за счет возможности одновременного подъема жидкости из над- и под- плунжерных полостей цилиндра, а также регулировки производительности насоса при раздельном подъеме жидкостей.
Техническая задача решается штанговым скважинным насосом двухстороннего действия, состоящим из плунжера с полой штангой и цилиндра с колонной труб, нижних всасывающего и нагнетательного клапанов, распределительной муфты, герметично соединенной с цилиндром, верхних всасывающего и нагнетательного клапанов.
Новым является то, что внутренний диаметр цилиндра выполнен меньше внутреннего диаметра колонны труб, а сверху место соединения цилиндра с распределительной муфтой выполнено в виде седла верхнего нагнетательного клапана, причем распределительная муфта, играющая роль верхнего нагнетательного клапана, выполнена в виде втулки, соединенной с цилиндром скважинного штангового насоса подвижно с возможностью продольного перемещения вверх при избыточном давлении в надплунжерной полости цилиндра и разгерметизации соединения, при этом вес разделительной муфты подбирается достаточным для продольного перемещения по штанге вниз в жидкости под собственным весом.
Новым является также то, что полая штанга выше распределительной муфты сообщена с колонной труб.
На фиг.1 изображена схема насоса двухстороннего действия в разрезе.
На фиг.2 изображен увеличенный вид A.
Штанговый скважинный насос 1 (фиг.1) двухстороннего действия, состоит из плунжера 2 с полой штангой 3 и цилиндра 4 с колонной труб 5, нижних всасывающего 6 и нагнетательного 7 клапанов, распределительной муфты 8, соединенной с цилиндром 4, верхних всасывающего 9 и нагнетательного 10 клапанов. Внутренний диаметр D цилиндра 4 выполнен меньше внутреннего диаметра D1 колонны труб 5, а сверху место соединения цилиндра 4 с распределительной муфтой 8 выполнено в виде седла 11 верхнего нагнетательного клапана 10. Распределительная муфта 8, играющая роль верхнего нагнетательного клапана 10, выполнена в виде втулки, соединенной с цилиндром 4 скважинного штангового насоса 1 подвижно с возможностью продольного перемещения вверх при избыточном давлении в надплунжерной полости 12 цилиндра 4 и разгерметизации соединения. Вес разделительной муфты 8 подбирается достаточным для продольного перемещения по штанге 3 вниз в жидкости под собственным весом, что позволяет исключить всплывание в скважинной жидкости разделительной муфты 8 и несанкционированное открытие верхнего нагнетательного клапана 10, а так же исключает запаздывание при закрытии этого клапана 10 при начальном перемещении полой штанги 3 с плунжером 2 вниз. Полая штанга 3 выше распределительной муфты 8 может быть сообщена с колонной труб 5 отверстием 13 (фиг.2).
Насос работает следующим образом.
В скважину (на фиг. не показано) в требуемый интервал установки (на фиг. не показано) спускают цилиндр 4 (фиг.1) с всасывающими клапанами 6 и 9 на колонне труб 5, которые соединяют, например, переводником 14. При этом колонна труб 5 заполняется скважинной жидкостью через эти клапаны 6 и 9. Затем в колонну труб 5 спускают плунжер 2 с нагнетательными клапанами 7 и 10 и полым штоком 3 на тягах (на фиг. не показано) до вхождения плунжера 2 в цилиндр 4. Благодаря тому, что внутренний диаметр D цилиндра 4 выполнен меньше внутреннего диаметра D1 колонны труб 5, плунжер 2 с верхним нагнетательным клапаном 10 могут спускаться в скважину на тягах отдельно от поршня 4. При этом распределительная муфта 8, играющая роль клапана 10, герметично благодаря уплотнению 15 садится на седло 11 цилиндра 4, а скользящее соединение клапана 10 с полой штангой 3 герметизируют уплотнения 16.
Для запуска установки тягам и плунжеру 2 с полой штангой 3 придают возвратно поступательное движение устьевым приводом (на фиг. не показано).
При перемещении вниз плунжера 2 относительно цилиндра 4 нижний всасывающий клапан 6 закрывается, а нижний нагнетательный клапан 7 открывается, жидкость из подплунжерной полости 17 цилиндра 4 поступает в плунжер 2 и оттуда в полую штангу 3. Кроме того, жидкость из скважины поступает также через верхний всасывающий клапан 9 в надплунжерную полость 12 цилиндра 4, при этом верхний нагнетательный клапан 10 закрыт.
При перемещении вверх плунжера 2 относительно цилиндра 4 верхний всасывающий клапан 9 закрывается, а верхний нагнетательный клапан 10 открывается, жидкость из надплунжерной полости 12 цилиндра 4 поступает в колонну труб 5, при этом жидкость из скважины поступает через нижний всасывающий клапан 6 в подплунжерную полость 17 цилиндра 4, а нижний нагнетательный клапан 7 закрыт.
Далее циклы повторяются.
Если насос 1 предназначен для подъема на поверхность однородной жидкости (например, вода, нефть, обводненная нефть и т.д.), тогда выше распределительной муфты 8 в полой штанге может быть выполнено отверстие 13 (фиг.2) для сообщения нижнего нагнетательного клапана 7 (фиг.1) сверху с колонной труб 5, а тяги используют цельные. В этом случае при перемещении вниз плунжера 2 относительно цилиндра 4 жидкость из полой штанги 3 через отверстие 13 (фиг.2) поступает в колонну труб 5 (фиг.1) и вместе с жидкостью из надплунжерной полости 12 цилиндра 4 поднимается на поверхность.
В случае, если насос 1 предназначен для подъема на поверхность разделившейся за счет гравитационных сил жидкостей (например, на воду и нефть из обводнившегося пласта полую штангу 3 используют цельной, а тяги - полые. При этом насос 1 в скважине размещается так, что верхний всасывающий клапан 9 сообщается со скважиной выше уровня разделения (например, выше водонефтяного контакта - ВНК, на фиг. не показан), а нижний 6 - ниже. Для такого гарантированного расположения насоса, цилиндр 4 снизу может быть оснащен удлинительным патрубком (на фиг.1 не показан), соединенным с цилиндром 4, например, резьбой 18 и сообщенным сверху с нижним всасывающим клапаном 6, а снизу - со скважиной. При этом расстояние между верхним всасывающим клапаном 9 и нижним краем патрубка, соединенного с цилиндром 4 и выполненным с возможностью установки ниже продуктивного пласта (на фиг. не показан), подбирают таким, чтобы обеспечить гарантированный отбор разделившихся жидкостей по отдельности при выбранной производительности насоса 1. При таком размещении насоса 1 в скважине более тяжелая жидкость (например, вода) из нее будет подниматься на поверхность по полым тягам через нижний всасывающий клапан 6, подплунжерную полость 17, нижний нагнетательный клапан 7, плунжер 2 и полую штангу 3, а более легкая жидкость (например, нефть) из скважины будет подниматься на поверхность по колонне труб 5 через верхний всасывающий клапан 9, надплунжерную полость 12 и верхний нагнетательный клапан 10.
Так как гравитационное разделение воды и нефти наблюдается при обводнении продукции пласта более 50% (процентное содержание воды в продукции пласта) и увеличивается по мере выработки пласта (из-за работ по поддержанию пластового давления, осуществляемыми за счет закачки воды в нагнетательные скважины - на фиг. не показаны), то необходимо обеспечить неравномерную производительность надплунжерной 12 и подплунжерной 17 полостей цилиндра 4. Для этого после исследования обводненности продукции пласта цилиндр 4 и плунжер 2 подбирают так, что при стандартном ходе привода верхний нагнетательный клапан 10 закрывался с запаздыванием, обеспечивая неравномерность рабочего объема подплунжерной 17 и надплунжерной 12 полостей цилиндра 4 в соотношении близком к обводненности продукции пласта.
Например, при обводненности 60%: при ходе вниз плунжера 2 относительно цилиндра 4 всасывающий нижний клапан 6 закрывается, а нижний нагнетательный клапан 7 открывается, жидкость из подплунжерной полости 17 цилиндра 4 поступает в плунжер 2 и оттуда в полую шттангу 3, при этом в начальный период верхний нагнетательный клапан 10, опирающийся сверху на плунжер 2, остается в открытом состоянии, жидкость из скважины через верхний всасывающий клапан 9 не всасывается в надплунжерную полость 12. При взаимодействие верхнего нагнетательного клапана 10 с седлом 11 цилиндра 4, которое произойдет через 1/10 хода плунжера, жидкость из скважины через верхний всасывающий клапан 9 будет поступать в надплунжерную полость 12. В результате цилиндр 4 по рабочим объемам подплунжерной 17 и надплунжерной 12 полостей разделяется в соотношении 3:2 (рабочий объем подплунжерной полости 17 от 50% увеличится на 10%, а рабочий объем надплунжерной полости 12 от 50% уменьшится на 10%), что соответствует отношению воды к нефти (60:40).
Для исключения эффекта поршневания (невозможность перемещения плунжера 2 вниз относительно цилиндра 4 из-за не сжимаемости жидкости до сообщения с верхним всасывающим клапаном 9) после посадки верхнего нагнетательного клапана 10 на седло 11, для поступления жидкости в надплунжерную полость 12 из верхнего всасывающего клапана 9 могут быт выполнены технологические каналы, например, кольцевая проточка 19 снаружи вверху плунжера 2, и внутренняя кольцевая выборка (на фиг. не показана) сверху цилиндра 4, проточки (на фиг. не показаны) на внутренней поверхности цилиндра 4 или на наружной поверхности плунжера 2, или внутренние переточные каналы (на фиг. не показаны) в цилиндре 4 или плунжере 2.
В случае увеличения обводненности продукции пласта, что отмечается увеличением содержания воды в продукции, поднимаемой по колонне труб 5 из надплунжерного пространства 12 цилиндра 4, что определяется исследованиями. После чего привод останавливают, и соединение тяги с приводом перемещают вверх на величину соответствующую увеличению обводненности относительно рабочего хода привода, тем самым уменьшают рабочий ход плунжера 2 относительно цилиндра 4 (при поступлении жидкости через верхний всасывающий клапан 9), увеличивая время открытия верхнего нагнетательного клапана 10 под действием плунжера 2 и, как следствие, увеличивая соотношение рабочих объемов подплунжерной 17 и надплунжерной 12 полостей за счет уменьшения рабочего объема надплунжерной полости 12 и неизменности рабочего объема подплунжерной полости 17 (если оставить рабочий ход привода без изменения). После чего привод запускают в работу. При последующем увеличении содержания воды в продукции, поднимаемой по колонне труб 5, операцию повторяют.
В случае увеличения обводненности продукции пласта, что отмечается увеличением содержания воды в продукции, поднимаемой по колонне труб 5 из надплунжерного пространства цилиндра 4, что определяется исследованиями. После чего привод останавливают, и соединение тяги с приводом перемещают вниз на величину соответствующую снижению обводненности относительно рабочего хода привода, тем самым увеличивают рабочий ход плунжера 2 относительно цилиндра 4, уменьшая время открытия верхнего нагнетательного клапана 10 под действием плунжера 2 и, как следствие, уменьшая соотношение рабочих объемов подплунжерной 17 и надплунжерной 12 полостей за счет увеличения рабочего объема надплунжерной полости 12 и неизменности рабочего объема подплунжерной полости 17 (если оставить рабочий ход привода без изменения). После чего привод запускают в работу. При последующем увеличении содержания воды в продукции, поднимаемой по колонне труб 5, операцию повторяют.
Так как диаметр верхнего нагнетательного клапана 10 по наружному диаметру практически равен внутреннему диаметру D цилиндра 4, то он имеет максимальную пропускную способность для данного цилиндра 4, что снижает гидравлическое сопротивления протекающей через него жидкости (особенно для вязких жидкостей, например: нефть, битум и т.п.), увеличивая КПД насоса 1.
Предлагаемый насос двухстороннего действия прост и надежен в работе, имеет высокий КПД за счет уменьшения гидравлического сопротивления верхнего нагнетательного клапана и обладает расширенными технологическими возможностями за счет возможности одновременного подъема жидкости из над- и под- плунжерных полостей цилиндра, а также имеет возможность регулировки производительности насоса при раздельном подъеме жидкостей.