Клапан штангового насоса
SUCKER-ROD PUMP VALVE

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности, к области эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах.
В настоящее время в связи с истощением многих нефтяных месторождений для увеличения производительности скважин увеличивают депрессии на пласт. Для этого в условиях низких пластовых давлений приходится предельно низко опускать насосы, которые зачастую оказываются либо непосредственно в горизонтальном стволе, либо в сильно наклонённой его части, что приводит к неустойчивой работе клапанов штангового насоса, т.к. шары их клапанов возвращаются на седло под действием собственного веса, что затруднено при горизонтальном положении цилиндра насоса.
Известен самоустанавливающийся клапан штангового насоса (патент RU № 2616145, МПК F16K 15/04, F04B 47/00, F04B 53/10, опубл. 12.04.2017 г., бюл. № 11), содержащий вал, размещённый по оси клапана с эксцентричным грузом на одном конце и наклонной направляющей для шара на другом.
Недостатками его является сложность конструкции, представляющей собой сложный многозвенный механизм, и связанная с этим низкая надёжность.
Известен также клапан штангового насоса для работы в горизонтальных и наклонных скважинах (патент RU № 2667302, МПК F04B 47/00, опубл. 18.09.2018 г., бюл. № 26), содержащий шар, взаимодействующий с   гравитационной системой в виде маятника или диска, оснащённых на торце выемкой.
Недостатками его является сложность конструкции и низкая надёжность, связанная с возможностью заедания системы из-за трения.
Наиболее близок по своей технической сущности к предлагаемому клапан (патент RU № 2623345, МПК F04B 47/00, опубл. 23.06.2017 г., бюл. № 18), содержащий грузовой толкатель в виде дополнительного шара и эксцентричный механизм его перемещения в верхнюю точку.
Его недостатками являются сложность конструкции, низкая её надёжность, а также увеличенные поперечные габариты из-за бокового размещения дополнительного шара, что делает невозможным их размещение в плунжере в качестве нагнетательного клапана.
Техническими задачами предлагаемого клапана являются упрощение конструкции, повышение её надёжности и уменьшение поперечных размеров.
Указанные задачи решаются клапаном штангового насоса для работы в горизонтальном стволе скважины, содержащий корпус, основной шар, перемещающийся по направляющим параллельным оси корпуса, седло, дополнительный шар, прижимающий к седлу основной с помощью гравитационной системы.
Новым является то, что дополнительный шар размещён в корпусе за пределами направляющих с возможностью ограниченных продольного и поперечного перемещений между основным шаром и гравитационной системой, а гравитационная система выполнена в виде внутренней конической поверхности, соосной оси направляющих и седла.
Новым является также то, что дополнительный шар размещён в корпусе за пределами направляющих с возможностью ограниченных продольного и поперечного перемещений между основным шаром и гравитационной системой, а гравитационная система выполнена в виде внутреннего кольцевого выступа, соосного оси направляющих и седла.
Новым является также то, что выполнена гравитационная система с продольными пазами для протекания жидкости.
Новым является также то, что дополнительный шар выполнен большим диаметром, чем основной.
Новым является также то, что дополнительный шар выполнен меньшим диаметром, чем основной.
Новым является также то, что дополнительный шар выполнен из материала большей плотности, чем основной.
На фиг. 1 показан клапан с гравитационной системой в виде конической внутренней поверхности с торцевым упором в закрытом положении, на фиг. 2 – он же в открытом положении.
На фиг. 3 показана схема клапана с пазами на конической поверхности в закрытом положении, на фиг. 4 – он же в открытом положении.
На фиг. 5 показан клапан с гравитационной системой в виде кольцевого выступа в закрытом положении, на фиг. 6 – он же в открытом положении.
На фиг. 7 показан клапан с увеличенным дополнительным шаром в закрытом положении, на фиг. 8 – он же в открытом положении.
На фиг. 9 показан клапан с уменьшенным дополнительным шаром в закрытом положении, на фиг. 10 – он же в открытом положении.
Клапан штангового насоса на фиг. 1 и 2 содержит корпус 1 с направляющими 2, внутри которого между седлом 3 и конической поверхностью 4 размещены основной 5 и дополнительный 6 шары. Коническая  поверхность 4 с ограничителем 7 перемещения дополнительного шара 6 выполнены с каналами 8 для протекания жидкости. Снаружи с обоих концов корпуса 1 выполнена резьба для присоединения к плунжеру или цилиндру насоса.
На фиг. 3 и фиг. 4 дополнительный шар 6 упирается непосредственно в коническую поверхность 4, а для протекания жидкости она выполнена с продольными пазами 10.
На фиг. 5 и фиг. 6 гравитационная система выполнена в виде кольцевого выступа 11 с продольными пазами 10.
На фиг. 7 и 8 дополнительный шар 6 выполнен большим диаметром, чем основной 5.
На фиг. 9 и 10 дополнительный шар 6 выполнен меньшим диаметром, чем основной.
Работает клапан, установленный в нижней части цилиндра насоса в качестве всасывающего, следующим образом.
Перед началом движения штанг и плунжера насоса вверх из нижней мертвой точки всасывающий клапан находится в закрытом положении и основной шар 5 прижат к седлу 3 дополнительным шаром 6, скатывающимся с нижней части конической поверхности 4. По мере движения плунжера насоса в цилиндре давление становится ниже и перепад давления отжимает основной шар 5 от седла 3. Двигаясь, благодаря направляющим 2, по оси корпуса 1, основной шар 5 отодвигает дополнительный 6, который перемещается по нижней части конической поверхности 4 и поднимается по ней вверх до упора в ограничитель 7.
Жидкость поступает через открытое седло 3, и движется по просветам между направляющими 2 вокруг шара 6 и каналы 8, поступает в цилиндр насоса.
При достижении плунжером верхней «мертвой точки» он останавливается и меняет направление движения на противоположное. В этот момент дополнительный шар 6, скатываясь вниз по нижней части конической поверхности 4, заталкивает основной шар 5 по направляющим 2 до упора в седло 3 и прижимает к нему, клапан закрыт до достижения плунжером нижней мертвой точки.
Жидкость в это время из цилиндра насоса вытесняется через открытый нагнетательный клапан плунжера в надплунжерное пространство.
При достижении плунжером нижней мертвой точки направление его движения меняется на противоположное и цикл повторяется.
Работа клапана по фиг. 3 и 4 отличается лишь тем, что движение влево дополнительного шара 6 при открытии основного 5 ограничено непосредственно конической поверхностью 4, а протекание жидкости обеспечивают продольные пазы 10.
При работе клапана на фиг. 5 и 6 дополнительный шар 6, свешиваясь с края выступа 11, прижимает основной шар 5 к седлу 3.
А при открытии клапана основной шар 5 подталкивает дополнительный 6 выше, пытаясь перевалить его через выступ 11 и поднимая выше. Движение влево ограничено самим выступом 11 или как на фиг. 1 и 2 ограничителями 7, жидкость протекает по пазам 10.
На фиг. 7 и 8 продемонстрировано выполнение дополнительного шара 6 большим диаметром, чем у основного 5, а на фиг. 9 и 10, наоборот, меньшим.
Таким образом видно, что предлагаемый клапан очень прост по конструкции, не меняя габаритов, может быть переделан из выпускаемого промышленностью, обыкновенного клапана для обычных насосов. Это позволяет его применение в любых насосах и более сложных установках для одновременно-раздельной добычи. Отсутствие сложных деталей со сложным законом перемещения делает его значительно более надежным.
Благодаря небольшим поперечным габаритам, практически, как у обычных, клапаны могут быть использованы и как всасывающие и как нагнетательные, а также оба в одном насосе.
Выполнение дополнительного шара 6 большим диаметром увеличивает силы его воздействия на основной 5 и обеспечивает более чёткую и надежную работу.
Выполнение шара 6 меньшим диаметром обеспечивает лучшее протекание жидкостью при высокой вязкости продукции, увеличивает амплитуду его поперечных вертикальных перемещений.
Изготовление дополнительного шара из материала большей плотности, чем у основного увеличивает силы его воздействия, повышая надёжность работы клапана.