СКВАЖИННЫЙ ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС С НИЖНИМ ПРИВОДОМ
DOWNHOLE PLUNGER PUMP WITH LOWER DRIVE

Изобретение предназначено для добычи с больших глубин жидких полезных ископаемых, таких как нефти, в том числе и высоковязкие, рассолы и другие.
Известен скважинный плунжерный насос с нижним приводом, содержит цилиндр, связанный с колонной насосно-компрессорных труб, внутри которого расположен полый поршень, имеющий канал с участком воронкообразной формы, расширяющимся в сторону заборного конца, и запорный механизм - клапан, установленный в канале поршня с возможностью перекрытия канала, выходной канал из цилиндра перекрывается нагнетательным клапаном. При этом между обоими клапанами имеется замкнутое пространство изменяемого в процессе работы объёма; полый поршень с заборного конца соединён с приёмником, связанным с преобразователем вращательного движения в поступательное, а тот соединён с приводом, состоящим из мотора, редуктора и гидрозащиты. Насос позволяет производить подъём на поверхность разрабатываемых полезных ископаемых без дополнительных приспособлений.
Известны скважинные штанговые насосы, имеющие вертикальную конструкцию одинарного действия с неподвижным цилиндром, подвижным металлическим плунжером и шариковыми клапанами (Форест Грей. Добыча нефти. ЗАО «Олимпбизнес». Москва. 2003). Скважинные насосы бывают двух типов: вставные и невставные (трубные). Невставные (трубные) насосы спускают в скважину на насосно-компрессорных трубах, а затем к ним с помощью автосцепа присоединяется колонна штанг. Автосцепы бывают расцепляемые и нерасцепляемые. Последние более просты и надёжны, но после захвата штока насоса, они не могут раскрыться, поэтому при демонтаже насоса приходится рвать колонну штанг. Расцепляемые автосцепы позволяют производить демонтаж насоса без разрыва штанг, но они более сложные и менее надёжные, скажем, у автосцепов с гипоидной резьбой при работе происходит постепенное раскручивание соединения. К тому же, соединение расцепляемых автосцепов с невставными насосами происходит на большой глубине, при этом приходится вращать колонну штанг, поэтому соединение, как правило, получается недокрученным. Соединение штанг со вставными насосами осуществляется на поверхности, поэтому применяются более простые и надёжные нерасцепляемые автосцепы.
Плунжерные скважинные насосы изготавливаются с верхним приводом, для чего используются станки-качалки, а также гидравлические и пневматические приводы. Верхний привод прост в изготовлении и обслуживании, но из-за колонны штанг возникает ряд серьёзных недостатков, в частности, они исключают добычу из наклонных и искривлённых скважин. Штанги увеличивают стоимость установки, усложняется монтаж и демонтаж насосов, к тому же при ходе вверх возрастает нагрузка на величину массы штанг и трение их о добываемую жидкость, что может привести к обрыву штанг, а при ходе вниз возникает такой дефект, как зависание штанг.
Эти недостатки отсутствуют у погружных насосов с нижним приводом, таких как центробежные и винтовые. Оснастить обычные скважинные плунжерные насосы нижним приводом вряд ли возможно, хотя бы потому, что в этом случае жидкость будет направлена в сторону привода, препятствующего её продвижению. Однако устройства для добычи жидких полезных ископаемых с больших глубин, патент RU 2162152, позволяют направить жидкость в противоположную от привода сторону. К тому же, эти насосы имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными насосами. Устройство содержит цилиндр, связанный с колонной труб, и полый поршень, связанный с колонной штанг посредством штока. Полый поршень имеет канал с участком воронкообразной формы, расширяющимся в сторону заборного конца. В канале поршня установлен запорный клапан, а в верхней части цилиндра выполнена перегородка с проходным каналом, перекрываемым напорным клапаном. Между обоими указанными клапанами имеется замкнутое пространство изменяемого в процессе работы объёма.
У этих насосов отсутствует зона всасывания, и среда на протяжении всего пути следования перемещается при повышенных давлениях, что позволяет заполнять
цилиндр высоковязкими средами, а отсутствие узких каналов в плунжере и цилиндре способствует продвижению жидкости с минимальными потерями. Повышенные давления способствуют более полному заполнению цилиндра и, следовательно, увеличению производительности насоса и уменьшению воздействия газового фактора.
Задача изобретения - сделать скважинный плунжерный насос с нижним приводом, и, как следствие, упростить монтаж и демонтаж насоса, исключить такие дефекты штанговых насосов, как зависание и разрыв штанг, расширить область применения плунжерных насосов за счёт эксплуатации в условиях наклонных и искривлённых скважин, а также за счёт добычи высоковязких сред с большой глубины и из скважин, где остаётся нефть, которую не могут извлечь центробежные и винтовые насосы.
Указанная задача достигается тем, что в скважинном плунжерном насосе с нижним приводом, содержащем цилиндр, связанный с колонной насосно-компрессорных труб, внутри которого расположен полый поршень, имеющий канал с участком воронкообразной формы, расширяющийся в сторону заборного конца, и запорный механизм-клапан, установленный в канале поршня с возможностью перекрытия канала; выходной канал из цилиндра, перекрытый нагнетательным клапаном, при этом между обоими клапанами имеется замкнутое пространство изменяемого в процессе работы объёма, полый поршень, со стороны заборного конца, соединен с приемником, связанным с преобразователем вращательного движения в поступательное, а тот соединен с приводом, состоящим из мотора, редуктора и гидрозащиты. Преобразователь вращательного движения в поступательное выполнен в виде цилиндра, на поверхности которого имеется винтовой замкнутый паз, в который входит стержень, закрепленный в трубе, соединенный с приемником.
На фиг. 1 схематически представлен скважинный плунжерный насос, а на фиг.2 - общая схема этого насоса, оснащённого нижним приводом.
Насос содержит цилиндр 1, связанный с колонной насосно-компрессорных труб 2, внутри которого расположен полый поршень 3, имеющий канал 4 с участком воронкообразной формы 5, расширяющимся в сторону заборного конца, и запорный механизм - клапан 6, установленный в канале поршня с возможностью перекрытия канала. Выходной канал из цилиндра 7 перекрывается клапаном 8. Между обоими клапанами имеется замкнутое пространство изменяемого в процессе работы объёма. Полый поршень 3 со стороны заборного конца соединён с приёмником 9, который связан с преобразователем вращательного движения в поступательное 10, а тот, в свою очередь, соединён с приводом, состоящим из гидрозащиты 11, редуктора 12 и мотора 13. Мотор 13, редуктор 12 и гидрозащита 11 конструктивно не отличаются от тех, что применяются в приводах винтовых насосов, только рассчитываются они на меньшие усилия.
Преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное 10 состоит из цилиндра 14, на поверхности которого выполняется винтовой замкнутый паз 15, в который входит стержень 16, закреплённый в трубе 17.
Приёмник 9 состоит из двух труб с отверстиями. Наружная труба 18 соединяется с цилиндром 1 и трубой, удерживающей привод. Внутренняя труба 19 соединяется с трубой 17 преобразователя вращательного движения в поступательное, а с другого конца - с полым поршнем 3.
Скважинный плунжерный насос с нижним приводом работает следующим образом: на поверхности собирают привод, состоящий из мотора 13, редуктора 12 и гидрозащиты 11, далее к нему присоединятся преобразователь вращательного движения в поступательное 10, приёмник 9 и насос. В заключение эта конструкция присоединяется к последней насосно-компрессорной трубе 2, и всё это заводится в скважину. Наращивая колонну насосно-компрессорных труб, насос опускается на требуемую глубину.
При ходе вниз полого поршня 3, осуществляемом за счёт привода, цилиндр 14 преобразователя вращательного движения в поступательное поворачивается и посредством стержня 16, скользящего по винтовому пазу 15, тянет вниз трубу 17, а вместе с ним внутреннюю трубу 19 приемника 9 и полый поршень 3. Жидкость, находящаяся внутри наружной трубы приёмника, сжимается и, проходя через канал 4 с участком воронкообразной формы, давит на клапан 6, открывает его и проходит в цилиндр 1, заполняя всё увеличивающееся межклапанное пространство, ограниченное нагнетательным клапаном 8.
При обратном ходе полого поршня 3, осуществляемого посредством тех же механизмов, что и при ходе вниз, клапан 6 закрывается, вследствие уменьшения объёма межклапанного пространства, а затем начинает расти давление на клапан 8. Когда усилия, действующие на клапан 8 снизу, превысят усилия, создаваемые столбом жидкости сверху, клапан 8 открывается и жидкость через выходной канал из цилиндра 7 выдавливается в колонну труб 2. В это время в приемнике 9 создаётся разрежение, и происходит заполнение приёмника 9 добываемой жидкостью.
При ходе полого поршня 3 вниз, клапан 8 под действием столба жидкости закрывает выходной канал из цилиндра 7, что позволяет разгруженному клапану 6 открываться, при этом происходит заполнение цилиндра 1 добываемым ископаемым. При дальнейших ходах поршня 3, уровень добываемого ископаемого в колонне труб 2 повышается, достигая конца трубы, и оно попадает в выкидную линию.
Предлагаемый скважинный плунжерный насос с нижним приводом позволяет производить добычу из наклонных и искривлённых скважин, а также расширяет диапазон добычи высоковязкой жидкости. По сравнению со штанговыми насосами, при ходе вверх у них уменьшается нагрузка, что позволяет добывать жидкости из более глубоких скважин и исключить такой дефект, как обрыв штанг. Не будет у них и другого дефекта - зависания штанг. Насосы позволяют эксплуатировать скважины с малым дебитом, где центробежные и винтовые насосы работать не могут.