УСТЬЕВОЙ САЛЬНИК

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметизации устьевого оборудования, штангового станка-качалки для всех типов, действующих в настоящее время.
Одной из главных причин остановки непрерывного процесса добычи нефти с помощью штанговых глубинных насосов является быстрый износ и выход из строя шевронных резинотканевых манжет по ГОСТ 22704-77 из-за малого ресурса эксплуатации этих манжет, ограниченного величиной износа уплотняющих поверхностей, контактирующих с поверхностью штока, повышенной силы трения в зоне контакта уплотнений с поверхностью полированного штока и потеря герметичности устьевого сальника, приводящей к разливам нефти на устье скважины и загрязнению окружающей среды. Повышенная сила трения возникает из-за неконтролируемого усилия сжатия пакета уплотнений в осевом направлении, в результате работы сила трения преобразуется в тепло, температура в зоне контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью штока повышается, что приводит к перегреву уплотнений и преждевременному выходу из строя, особенно в период «сухого трения» при отсутствии жидкости в устьевом сальнике.
Известно резинотканевое шевронное многорядное уплотнение, применяемое для установки в устьевые сальники, состоящее из шевронных манжет, опорного и нажимного колец по ГОСТ 22704-77.
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения герметичности в зоне контакта уплотняющих поверхностей манжет с поверхностью полированного штока без осевого сжатия пакет манжет с большим усилием, поэтому многорядные уплотнения по ГОСТ 22704-77 эффективно уплотняет полированный шток только при осевом сжатие уплотнений с большим неконтролируемым усилием F, способствующим росту величины силы трения в зоне контакта манжет с поверхностью штока, что приводит к преждевременному выходу из строя манжет, износу поверхности дорогостоящего полированного штока и повышенному расходу электроэнергии при работе станка-качалки.
Известен самоуплотняющийся пакет асимметричных шевронных манжет (патент RU 2607935, МПК F16J 15/00, F16J 15/32 (2006.01), опубл. 10.09.2015 г.). Самоуплотняющийся пакет асимметричных шевронных манжет состоит, по меньшей мере, из двух манжет, установленных в корпус с натягом, опорной и нажимной втулки, у которого из-за асимметрии внутреннего и наружного плеч манжет наружные плечи манжет не соприкасаются, не мешая воздействию внутренних плеч соседних манжет друг на друга, приводящему к возникновению самоуплотняющегося эффекта за счет разности углов, контактирующих между собой поверхностей внутренних плеч манжет и герметизации движущегося полированного штока с минимальной силой трения без необходимости осевого сжатия пакета с большой силой.
Недостатком известного изобретения является сложная конфигурация конструкции манжет, дороговизна в изготовлении асимметричных шевронных манжет, параметры асимметричных шевронных манжет изготовлены на увеличенные корпуса (рабочие камеры) в диаметре 1,5 раз, эксплуатацию данных асимметричных шевронных манжет ограничивают ныне действующие устьевые сальники.
Известно множество кольцевидных сальниковых уплотнений (патент US № 4560176, опубл. 24.12.1985 г.), выбранных нами в качестве прототипа. Для использования в нефтяной скважине, имеющей возвратно-поступательный полированный стержень с центральной осью, проходящей через него, сальниковую коробку, размещаемую вокруг указанного стержня и соосно совмещенную с ним, указанная коробка содержит корпус, имеющий цилиндрическую внутреннюю стенку; плечо, перпендикулярное указанной стене; указанная стенка и указанное плечо образуют полость в указанном корпусе; и резьбовую шейку, имеющую сквозное внутреннее отверстие, сообщающееся по текучей среде с указанной полостью; седло сальника, расположенное внутри упомянутой полости и поддерживаемое упомянутым выступом, имеющее внутреннюю поверхность, образованную отверстием, проходящим через упомянутое седло и определяющим усеченный конус, имеющий основание и вершину, лежащие, соответственно, выше и ниже плоскости, перпендикулярной упомянутой оси и пересекающей указанное сиденье; нижнюю, среднюю и верхнюю мягкую насадку с перевернутым конусом, каждая из которых расположена внутри указанной полости и имеет внешнюю поверхность, включая заплечик, для герметичного зацепления с указанной внутренней стенкой указанного корпуса; и внутреннюю поверхность, образованную отверстием, проходящим через упомянутый сальник и включающим выступ для герметичного зацепления упомянутого стержня; часть упомянутой внешней и внутренней поверхностей упомянутого нижнего сальника находится в сопряженном зацеплении с частью упомянутой внутренней поверхности упомянутого седла и упомянутой внешней поверхности упомянутого среднего сальника соответственно; и часть указанной внутренней поверхности указанного среднего сальника сопряжена с указанной внешней поверхностью указанного верхнего сальника; часть упомянутого верхнего сальника дополнительно содержит верхнюю поверхность сальника, имеющую участок, определяющий, по меньшей мере, одну кольцеобразную поверхность, лежащую, по меньшей мере, в одной плоскости, перпендикулярной упомянутой оси; крышку сальника, имеющую масляный резервуар, образованный отверстием, проходящим через указанную крышку сальника; и следящий элемент сальника, расположенный внутри указанной полости и входящий в контакт с указанной кольцеобразной поверхностью указанной верхней поверхности сальника; и множество крепежных деталей, соединяющих указанную крышку сальника и указанный корпус; и указанные отверстия указанной шейки, седла сальника, нижнего, среднего и верхнего сальников и крышки сальника расположены соосно с указанной центральной осью и приспособлены для приема указанного стержня.
Недостатком данного устройства является: в нижней части рабочей камеры имеется опорное кольцевое седло уплотнения, образующее перевернутую усеченно-коническую внутреннюю поверхность, которая в сборе несет вложенные сальники. Между уплотнениями наружной поверхности и внутренней стенкой рабочей камерой имеются кольцевые полости. Конические манжеты нарезаются вдоль, наискосок и надеваются на шток, устанавливаются внутрь рабочей камеры, в радиальных отклонениях штока. Внутри рабочей камеры нарезы не совпадают друг с другом, в результате жидкость по нарезам проходит в кольцевые полости и далее к выходу. Давление штока при возвратно-поступательном движении сжимает опорное кольцевое седло, кольцевые полости, между уплотнениями наружной поверхности и внутренней стенкой рабочей камерой, приводит к расклиниванию пакета уплотнений, возникает неконтролируемое усилие сжатия пакета уплотнений в осевом направлении, в результате работы сила трения преобразуется в тепло, температура в зоне контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью штока повышается, что приводит к перегреву уплотнений и преждевременному выходу из строя.
Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей за счет исключения протекания жидкости, а также увеличение срока службы и снижение трудоемкости ремонта.
Поставленная задача решается за счет того, что устьевой сальник состоит из опорной втулки, манжеты втулки и самоуплотняющихся конических манжет, установленных в корпусе устьевого сальника, с возможностью сжатия при помощи нажимной втулки с нажимной гайкой, при этом конические манжеты имеют наружные и внутренние плечи, при этом наружные плечи соприкасаются друг с другом и с внутренней стенкой корпуса, внутренние плечи соприкасаются друг с другом и наружной поверхностью штока, а опорная втулка выполнена кольцевой формы и снабжена, по меньшей мере, двумя боковыми отверстиями и двумя противоположными прорезями параллельно оси, одна из которых выполнена сквозной.
Выполнение наружных плеч соприкасающимися друг с другом и с внутренней стенкой корпуса, а внутренних плеч соприкасающимися друг с другом и наружной поверхностью штока позволяет создать плотную герметичную поверхность, которая препятствует протеканию жидкости.
Выполнение опорной втулки кольцевой формы и, по меньшей мере, с двумя боковыми отверстиями и двумя противоположными прорезями параллельно оси, одна из которых выполнена сквозной, позволяет устанавливать опорную втулку в рабочий корпус без разъединения штока от станка-качалки. Через отверстия выполнения в опорной втулке проникает жидкость, уплотнение усиливается давлением в скважине, оказывая давление в радиальном направлении, наружную поверхность манжет прижимает к штоку и под углом направляет верх в кольцевую полость над манжетами. Давление жидкости создает препятствие самой жидкости, этот процесс и является самостоятельным уплотнением. Кольцевые полости, верхней и нижней частей в корпусе, приводят к возникновению самоуплотняющегося эффекта от давления жидкости, а также манжеты запасающегося энергию для надежной работы механизма автоматической компенсации эллипсовидных износов штока по вертикали и окружности.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизна».
Полезная модель поясняется чертежом, где показан общий вид устройства в разрезе.
Самоустанавливающиеся конические манжеты 1, 2, полиуретановые и резинотканевые соответственно, наружное плечо 3 манжет, внутреннее плечо 4 манжет, манжетная втулка 5, опорная втулка 6 металлическая устанавливаются внутри корпуса 7 устьевого сальника в нижнюю часть. Опорная втулка 6 имеет отверстие, проходящий через нее шток 8, в лицевой части втулки 6 выполнено два отверстия 9, проходящих через опорную втулку 6. На опорной втулке 6 выполнены две прорези, одна из которых сквозная для установки внутрь корпуса без изъятия штока 8 из станка-качалки, удерживаемого нижней плечевой частью 11, определяемой корпусом 7 устьевого сальника (удерживается опорной втулкой 6), над ней устанавливаются как минимум 3 смазанные в масле самоустанавливающиеся конические манжеты 1, 2 уплотнений, каждая имеет наружную поверхность, определяющую перевернутую форму усеченного конуса, и отверстие, проходящее через нее, также определяющее внутреннюю перевернутую форму усеченного конуса, определяющую в целом форму усеченного конуса, причем указанные внешние поверхности наклонены радиально внутрь и вниз относительно указанной оси, посредством которой манжеты 1, 2 внутри корпуса 7 гнездятся друг на друге в форме чашки. Первая манжета 1 наружной поверхностью, острым углом, вставляется во внутреннее отверстие опорной втулки 6, внутреннее плечо 4 манжет 1, 2 опирается в шток 8, наружные плечи 3 манжет опираются в стенку внутренней полости корпуса 7. Внутри корпуса 7 в нижней и верхней части образуются кольцевые полости 10, 12. Кольцевая полость 10 над манжетками 1 наполняется смазкой, над ней устанавливается манжеты втулка 5, 1-2 штуки, над ней устанавливается нажимная втулка 13, над ней устанавливается нажимная гайка (на чертеже не показана), производится поджатие пакет манжет 1, 2, с воротком усилием 8-10 кг, далее нажимная гайка обратно отворачивается, манжеты 1, 5 освобождаются от сжатия.
min
Устройство работают следующим образом. После пуска станка-качалки, повышения давления в нефтяной трассе, после появления жидкости в устьевом сальнике, при возвратно-поступательных движениях штока 8 вниз производится осевое сжатия пакет манжет 1, 2, 5, затягивается до достижения герметичности в плоскости контакта поверхности штока 8 и рабочих кромок манжет 1, 2, 5, F=4÷5 кг, нажимная гайка от усилия руки (с использованием воротков), осевое сжатие пакет манжет 1, 2, 5, нажимная втулка 13 оказывает давление вниз на наружные плечи 3 манжет 1, 2 и вниз в нижнюю кольцевую полость 12 в корпусе 7, и под углом на нижнее отверстие опорной втулки 6 проходящего через нее штока 8, первая нижняя манжета 1 наружной поверхностью острым углом размещается на внутренние отверстия опорной втулки 6 проходящего через нее штока 8, пакет манжет 1, 2 опираются друг на друга в форме чашки, наружные плечи 3 манжет 1, 2 опираются в стенку внутренней полости корпуса 7, внутренние плечи 4 конических манжет 1, 2 поджимаются к поверхности штока 8, создав плотное уплотнение. В корпус 7 в нижней кольцевой полости 12 через отверстия 9, выполненные в опорной втулке 6, под давлением проникает жидкость и под углом наружную поверхность манжет 1, 2 сжимает к штоку 8 и под углом прижимает верх в кольцевую полость 10. Кольцевые полости 10, 12 в корпусе 7 приводят к возникновению самоустанавливающегося и самоуплотняющегося эффекта от давления жидкости. Давление жидкости прижимает пакет конических манжет 1, 2 снизу наклоном, направленным к штоку 8, создает препятствие самой жидкости выходу наружу, в виде обратного клапана, вследствие чего происходят уплотнения, обеспечивающие герметичность в области контакта внутренних плеч 4 пакет конических манжет 1, 2 с поверхностью штока 8 независимо от диаметра износа штока 8, а также запасает энергию для надежной работы механизма автоматической компенсации износа уплотняющих кромок манжет 1, 2, малый эффект для компенсации радиальных отклонений штока 8 эффекта для компенсации эллипсовидных износов штока 8 по вертикали и окружности. В процессе работы станка-качалки происходит износ, внутренние плечи 4 конических манжет 1, 2, кольцевые полости 10, 12 в корпусе 7 исчезают, пакет манжет 1, 2, 5 прижимается между нажимной втулкой 13 и опорной втулкой 6, износ внутренних плеч 4 уплотнения составляет 40-45%. Для увеличения ресурса работы сменных пакет манжет 1, 2, 5 в корпусе 7 устьевого сальника, усилия осевого сжатия пакет, уплотнение увеличивается в осевом направлении использованием воротков. Нажимная гайка за один оборот прижимает пакет манжет 1, 2, 5 на 3 мм, за период работы износа пакет манжет 1, 2, 5, нажимная гайка закручивается 9-12 оборотов, или 27-36 мм, и изношенные пакет манжет 1, 2, 5 заменяются, износ внутренних поверхностей манжет 1, 2, 5 составляет 65-70%. Конические выработанные манжеты 1, 2, 5 в рабочей камере извлекаются. Наличие верхней манжеты 1, выполненной прямой, позволит при прокручивании использовать неизношенные участки. Одной из причин непрерывного процесса добычи нефти с помощью штанговых глубинных насосов является вертикально-радиальное отклонение штоков 8, в результате происходит ускоренный односторонний износ сменных уплотнений внутри корпуса 7. Для эффективного равномерного износа манжет 1, 2 нажимная гайка закручивается с интервалами. Манжеты изготавливаются из транспортерной ленты путем среза на квадраты под размер и обработки на станках и в виде воронки надеваются на шток 8 и устанавливаются внутрь корпуса 7. На скважинах, обводненных на 95% и более и радиально отклоненных штоков 8, манжеты 1, 2 устанавливаются чередованием, полиуретановые и резинотканевые, манжеты 1, 2 изготавливаются из полиуретана, полимерных компонентов в разных пропорциях, под прессом. Коэффициент трения полиуретана по полированной стали является одним из самых низких среди материалов, применяемых для изготовления шевронных манжет 1, 2. Полимерные многокомпонентные конические манжеты с температурой выдержки -60-+120°С. В процессе работы станка-качалки полиуретановая многокомпонентная манжета полируется и полирует полированный шток от солевых присадков жидкости, увеличивая ресурс эксплуатации штоков, последовательно сокращая расход электроэнергии для привода станка-качалки.
Все перечисленные существенные признаки позволяют обеспечить расширение функциональных возможностей устройства.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий.