ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к технике добычи нефти, в частности - к дифференциальным штанговым насосам, и может быть преимущественно использована для откачки из наклонных скважин с углом наклона более 60° и из горизонтальных скважин.
Известна скважинная штанговая насосная установка для добычи нефти, содержащая всасывающий клапан с узлом уплотнения и упорной воронкой, полый шток, соединенный с колонной полых штанг, плунжер и нагнетательный клапан (см. патент на полезную модель RU 97775, F04B 47/00, 20.09.2010)
Данная скважинная штанговая насосная установка может быть использована для наклонных скважин, т.к. оба клапана приводные.
Однако данная насосная установка выполнена с длинным плунжером, что может привести к его заклиниванию, выполнение уплотнения щелевым приводит к увеличению утечек, а длинный канал для прохода жидкости приводит к большому гидравлическому сопротивлению.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный штанговый насос, содержащий связанный с колонной насосных труб корпус, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра имеет сквозной канал, снабжена нагнетательным клапаном и расположена в верхнем цилиндре корпуса, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками верхнего и нижнего цилиндров корпуса и поверхностью нижней ступени плунжера, образует рабочую камеру насоса с всасывающим клапаном, установленным соосно с нижним цилиндром корпуса, уплотненным посредством механического уплотнения относительно монолитного штока, и с тарелкой, в которой выполнено отверстие, через которое проходит монолитный шток, (см. патент на полезную модель RU 39366, F04B 47/00, 27.07.2004).
Однако известная конструкция дифференциального штангового насоса имеет ряд недостатков, а именно выполнение нагнетательного клапана в виде грузового шарикового клапана приводит к его неработоспособности в наклонных и горизонтальных скважинах, что сужает область использования данного дифференциального штангового насоса.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность насосу работать в наклонных и горизонтальных скважинах за счет замены грузового шарикового клапана на плоский клапан с приводом от колонны штанг насоса.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб корпус, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра имеет сквозной канал, снабжена нагнетательным клапаном и расположена в верхнем цилиндре корпуса, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками верхнего и нижнего цилиндров корпуса и поверхностью нижней ступени плунжера, образует рабочую камеру насоса с всасывающим клапаном, установленным соосно с нижним цилиндром корпуса, уплотненным посредством механического уплотнения относительно монолитного штока, и с тарелкой, в которой выполнено отверстие, через которое проходит монолитный шток, верхняя ступень плунжера большего диаметра уплотнена относительно верхнего цилиндра посредством механического уплотнения, установленного на опорном патрубке, а нагнетательный клапан выполнен плоским в виде тарелки, закрепленной под механическим уплотнением и установленной с возможностью осевого перемещения вместе с механическим уплотнением верхней ступени плунжера большего диаметра относительно опорного стержня, связанного с колонной насосных штанг, на котором установлено седло клапана, а монолитный шток подвешен на последнем.
В ходе проведенного исследования было установлено, что штанги в штанговых насосах при добыче нефти, при работе в наклонных скважинах с большим набором кривизны и горизонтальных скважинах (осложненные условия работы) испытывают повышенные силы сопротивления как при ходе вверх, так и при ходе вниз.
При ходе вверх нагрузки на колонну штанг преодолеваются с помощью привода увеличенной мощности и установки штанг повышенной прочности. При ходе вниз движение колонны штанг и рабочего органа насоса, плунжера, осуществляется только за счет веса колонны штанг. Силы механического и гидродинамического трения препятствуют движению штанг вниз, колонна штанг движется медленнее, чем приводной механизм (станок-качалка), что приводит к ударам и обрыву штанг. На прочность штанг большое влияние оказывают также знакопеременные нагрузки, которые возникают в штангах при работе на вязких жидкостях. КПД штанговых насосов, работающих в осложненных условиях, значительно ниже КПД насосов, работающих в обычных условиях.
Выполнение насоса с верхней ступенью плунжера большего диаметра со сквозным каналом и нагнетательным клапаном, нижней ступенью плунжера меньшего диаметра в виде монолитного штока и образование рабочей камеры насоса с всасывающим клапаном в кольцевом пространстве, заключенном между стенками цилиндра и поверхностью плунжеров с выполнением всасывающего клапана соосно с цилиндром в виде тарелки с отверстием, через которое герметично проходит монолитный шток, позволяет с одной стороны добиться увеличения нагрузки на дифференциальный плунжер при ходе вниз за счет гидростатического давления в колонне труб, а с другой стороны - сократить осевые габариты дифференциального штангового насоса. Кроме того, в этой конструкции дифференциального штангового насоса использовано для уплотнения монолитного штока и верхней ступени дифференциального плунжера с нагнетательным клапаном механическое уплотнение по патенту РФ №2037077, что практически полностью устраняет перетекание из зоны высокого давления в зону с более низким давлением. В этой конструкции дифференциального насоса дополнительно к перепаду давления на клапан воздействуют силы трения, которые обеспечивают его надежную работу.
Плоский клапан лучше работает при осевых смещениях тарелки и седла, что имеет место в штанговом насосе.
Таким образом, удалось создать достаточно простую конструкцию насоса с минимальным количеством деталей.
В результате решена поставленная в полезной модели задача - достигается возможность насосу работать в наклонных и горизонтальных скважинах за счет замены грузового шарикового клапана на плоский клапан с приводом от колонны штанг насоса.
На чертеже представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса.
Дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб 1 корпус 2, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг 3 дифференциальный плунжер 4. Верхняя ступень плунжера 4 большего диаметра имеет сквозной канал 5, снабжена нагнетательным клапаном 6 и расположена в верхнем цилиндре 7 корпуса 2, а нижняя ступень плунжера 4 меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока 8, при этом кольцевое пространство 9, заключенное между стенками верхнего 7 и нижнего 10 цилиндров корпуса 2 и поверхностью нижней ступени плунжера 4, образует рабочую камеру насоса с всасывающим клапаном 11, установленным соосно с нижним цилиндром 10, уплотненным посредством механического уплотнения 12 относительно монолитного штока 8, и с тарелкой 13, в которой выполнено отверстие, через которое проходит монолитный шток 8.
Верхняя ступень плунжера 4 большего диаметра уплотнена относительно верхнего цилиндра 7 посредством механического уплотнения 14, установленного на опорном патрубке 15, а нагнетательный клапан 6 выполнен плоским в виде тарелки 16, закрепленной под механическим уплотнением 14 и установленной с возможностью осевого перемещения вместе с механическим уплотнением 14 верхней ступени плунжера 4 большего диаметра относительно опорного стержня 17, связанного с колонной насосных штанг 3, на котором установлено седло 18 нагнетательного клапана 6, а монолитный шток 8 подвешен на последнем.
Дифференциальный штанговый насос работает следующим образом.
При движении колонны насосных штанг 3 вверх вместе с монолитным штоком 8 вверх поднимается всасывающий клапан 11 ив кольцевое пространство 9 из скважины поступает откачиваемая жидкая среда. Далее при движении колонны насосных штанг 3 вниз всасывающий клапан 11 перекрывается тарелкой 13. Одновременно за счет движения вниз верхней ступени плунжера 4 уменьшается кольцевое пространство 9 и под действием давления жидкой среды последняя через нагнетательный клапан 6 поступает в сквозной канал 5 и далее из него в колонну насосных труб 1, а из колонны насосных труб 1 откачиваемая жидкая среда поступает на поверхность. Далее следует движение колонны насосных штанг 3 вверх. При этом открывается всасывающий клапан 11 для новой порции откачиваемой жидкой среды, а нагнетательный клапан 6 перекрывает сквозной канал 5, не давая поступать в кольцевое пространство 9 жидкой среде из колонны насосных труб 1. Таким образом повторяется описанный выше цикл работы дифференциального штангового насоса.
Настоящая полезная модель может быть использована в нефтяной и других отраслях промышленности, где требуется откачка из наклонных и горизонтальных скважин различных жидких сред, в том числе высоковязкой нефти.