Скважинный штанговый насос двухстороннего действия
DOUBLE-ACTING SUCKER-ROD PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к плунжерным насосам, особенно для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.
Известен штанговый скважинный насос (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш, М. 1988, с. 22), содержащий рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с нагнетательным клапаном, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан.
Недостатками известного штангового скважинного насоса являются недостаточная производительность в связи с осуществлением рабочего хода при ходе плунжера вверх, недопустимые объемные потери в связи с недостаточной пропускной способности клапанов.
Известен скважинный штанговый насос двухстороннего действия, содержащий цилиндр, плунжер, снабженный полыми штоками штоками по обе стороны, пару всасывающих и нагнетательных клапанов, размещенных соответственно в торцевых участках цилиндра и плунжера, уплотнительные диски, разъединяющие рабочие полости насоса от пластовой среды (см. патент РФ №2565619, МПК Е21В 34/06; F04B 47/04, опуб. 20.10.2015, бюл. №29).
Подача пластовой среды на поверхность при ходе плунжера вверх и вниз увеличивает производительность насоса. Однако, уменьшение объема рабочих полостей насоса штоком снижает объемную подачу, Кроме того, уплотнение штоков двумя дисками снижает КПД и надежность работы, а применение уникальных клапанных узлов с втулочными запорными органами из эластичного материала повышает затраты на производство в связи со снижением коэффициента унификации. Кроме того, возможно накапливание механических примесей между эластичным запорным органом и корпусом клапана.
Известен насос, содержащий корпус с размещенным с возможностью ограниченного осевого перемещения подпружиненный относительно корпуса цилиндр, полый плунжер со штоком и зауженной нижней горловиной, установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, в нижней части корпуса размещено седло всасывающего клапана, а выше седла выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие, нижняя часть цилиндра выполнена зауженной и имеет возможность взаимодействовать с седлом, в нижней части на шток неподвижно насажен запорным орган нагнетательного клапана с возможностью взаимодействия с торцом плунжера, корпус в верхней части снабжен выполненным ответно цилиндру неподвижным плунжером с образованием щелевого уплотнения между ним и цилиндром (см. патент РФ №2692588, МПК F04B 47/00, опуб. 25.06.2019, бюл. №18), который принят за прототип.
Выполнение цилиндра и плунжера с зауженной горловиной и ограниченно подвижными относительно корпуса и штока позволяет увеличить пропускную способность клапанов и снизить запаздывание их открытия и закрытия. Отсутствие подачи пластовой среды на поверхность при ходе плунжера вниз ограничивает производительность насоса. Кроме того, размещение в верхней части цилиндра неподвижного плунжера для герметизации нагнетательной линии снижает длину хода плунжера. Возникающие силы трения между цилиндром и неподвижным плунжером, подъем цилиндра только за счет разности давления на входе насоса и рабочей полости могут привести к запаздыванию открытия и закрытия всасывающего клапана.
Технической задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности насоса и снижение объемных потерь путем оснащения насоса штоковой рабочей полостью, увеличения хода плунжера за счет исключения верхнего щелевого уплотнения цилиндра, увеличение нагрузок на открытие и закрытие всасывающего клапана за счет суммирования усилий от перепада давлений между полостями и на входе насоса и отсутствие трения в верхнем уплотнительном устройстве цилиндра.
Решение указанной технической задачи достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем установленный в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения цилиндр с зауженной горловиной, шток с закрепленным в нижней части запорным органом нагнетательного клапана, полый плунжер, установленный с возможностью ограниченного упором и запорным органом нагнетательного клапана осевого перемещения относительно штока, седло всасывающего клапана, размещенное в нижней части корпуса с возможностью взаимодействия с горловиной цилиндра с образованием рабочей полости, в корпусе выше седла выполнено, как минимум, одно радиальное отверстие, цилиндр подпружинен снизу относительно корпуса, согласно техническому решению, обратный конец цилиндра снабжен зауженной горловиной, корпус в верхней части снабжен седлом, взаимодействующим с упором, на шток насажен с возможностью ограниченного седлом осевого перемещения запорный орган нагнетательного клапана с образованием верхней штоковой рабочей полости, в корпусе ниже седла выполнено, как минимум, одно сквозное верхнее радиальное отверстие, шток снабжен телескопически соединенной с плунжером направляющей втулкой и выполнен полым , в нижней части направляющей втулки выполнен кольцевой уступ, направляющая втулка снизу снабжена центральным стержнем с размещенным в нем запорным органом, который установлен с возможностью ограниченного зауженной горловиной и уступом осевого перемещения.
Боковая поверхность корпуса выше седла и наружные боковые поверхности упора и седла выполнены ответно друг другу коническими.
Боковая поверхность корпуса выше верхних радиальных отверстий выполнена конической, на которую насажен ответно выполненный корпус седла, в котором выполнено ступенчатое центральное отверстие с образованием кольцевого выступа в нижней части, седло установлено между кольцевым выступом и упором корпуса седла с возможностью взаимодействия с ними.
Запорный орган нагнетательного клапана верхней рабочей полости на штоке установлен с гарантированным зазором, выполнен составным из нижнего и верхнего кольца, в сопрягаемых торцах которых зеркально выполнены открытые со стороны штока кольцевые пазы с образованием кольцевой канавки, в которой установлен, как минимум, один эластичный уплотнительный узел, при этом разность между высотой канавки и уплотнительного узла равна максимальной деформации его деформации.
Запорный орган нагнетательного клапана верхней рабочей полости на штоке установлен с гарантированным зазором, выполнен в виде удлиненной сужающейся вверх втулки.
Запорный орган нагнетательного клапана верхней рабочей полости на штоке установлен с гарантированным зазором, выполнен в виде удлиненного цилиндра из неметаллического материала.
В нижней части запорного органа нагнетательного клапана выполнена цилиндрическая расточка с образованием бурта с установленной в ней уплотнительной втулкой.
Известен насос, содержащий установленный в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения цилиндр с зауженной горловиной, размещенный в цилиндре плунжер с нижним и верхним штоком, седло, установленное в верхней части корпуса, в корпусе ниже седла выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие, запорный орган нагнетательного клапана, насаженный на верхний шток, при этом зауженный торец цилиндра и запорный орган установлены с возможностью поочередного взаимодействия с седлом, в нижней части корпуса выполнено центральное отверстие, на нижний шток с возможностью ограниченного упором снизу осевого перемещения  установлен диск, ответно выполненному отверстию (см. патент РФ №2674843, МПК F04B 47/00; F04B 15/00, опуб. 13.12.2018, бюл. №35).
Известный насос, как и предлагаемый, содержит установленный в корпусе ограничено подвижный цилиндр с зауженной горловиной, плунжер со штоком с насаженным на последний запорным органом нагнетательного клапана, седло, размещенное в корпусе между цилиндром и запорным органом с возможностью поочередного взаимодействия с последними, в корпусе ниже седла выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие.
В предлагаемом техническом решении рабочая полость цилиндра со стороны штока, кроме основной функции, подачи пластовой жидкости на поверхность, выполняет также функцию привода запорного органа всасывающего клапана нижней рабочей полости цилиндра. Зеркальное расположение рабочих полостей по обе стороны плунжера обеспечивает, в предлагаемой конструкции, увеличение усилия управления перемещения цилиндра около двух раз.
Кроме того, оснащение полого штока телескопически соединенной с плунжером втулкой обеспечивает постоянное разобщение рабочих полостей.
Таким образом, оснащение насоса верхней рабочей штоковой полостью обеспечивает, кроме увеличения производительности за счет удвоения рабочих полостей:
1. Выполнение смежной рабочей полостью функцию привода запорного органа всасывающего клапана, какими являются горловины цилиндра.
2. Многократное увеличение усилия открытия и закрытия запорного органа всасывающего клапана.
3. Ограниченно подвижное соединение штока с плунжером выполняет функцию разобщения рабочих полостей.
4. В связи с тем, что диаметр штока больше чем диаметр штанг, увеличивается нагрузка на шток пропорционально разности площадей штока и штанг, а имеющее значительную длину соединение направляющей втулки и плунжера имеет малый зазор, снижается вероятность провисания колонны штанг.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 - скважинный штанговый вставной насос двухстороннего действия;
На фиг. 2 - вариант штангового трубного насоса двухстороннего действия (фрагмент верхней части насоса);
На фиг. 3 - вариант трубного насоса со сборным седлом;
На фиг. 4 - вариант исполнения трубного насоса с нагнетательным клапаном с щелевым уплотнением верхней рабочей полости;
На фиг. 5 - вариант исполнения насоса по фиг.4 с запорным органом нагнетательного клапана из неметаллического материала.
Скважинный штанговый насос двухстороннего действия (фиг. 1), установленный в скважине (на фиг. не показана) для подъема нефти, содержит размещенный в корпусе 1 цилиндр 2 с нижней 3 и верхней 4 горловинами, нижнее 5 и верхнее 6 седла всасывающих клапанов, установленное в нижней и верхней части корпуса 1. Горловины 3 и 4, например, снабжены уплотнительными втулками 7 и 8, имеющими возможность взаимодействовать с седлами 5 и 6. Внутри цилиндра 2 размещен полый плунжер 9, снабженный составным штоком 10, включающим выполненную ответно отверстию плунжера 9 направляющую втулку 11, жестко соединенную сверху с полым штоком 12 и центральным стержнем 13 снизу. В нижней части плунжера 9 снизу выполнен кольцевой выступ 14 с образованием в нижнем концевом участке цилиндрической расточки (на фиг. не указана), в котором, например, установлена уплотнительная втулка 15 с возможностью взаимодействия с нижним торцом выступа 14.
В нижней части стрежня 13, например, выполнена цилиндрическая расточка (на фиг. не указана) с резьбой (на фиг. не указана) на концевом участке с размещенным запорным органом 16, выполненным, например, в виде шарика со сквозным центральным отверстием (на фиг. не указано), и закрепленным, например, упором 17, выполненным в виде гайки.
На полый шток 12 выше верхнего седла 6 с гарантированным зазором (на фиг. не показан) насажен кольцевой запорный орган 18 верхнего нагнетательного клапана, включающий, например, верхний 19 и нижний 20 кольца, а также уплотнительный узел 21.
Верхнее седло 6, выполнено, например, в виде диска, внутренняя периферийная часть которой представляет собой торовую поверхность 22. В корпусе 1 выше седла 6 выполнено, например, цилиндрическое углубление (на фиг. не указано) с образованием бурта 23. Сверху седло 6 прижато к бурту 23 упором 24, например, упорной гайкой.
В сопрягаемых торцах колец 19 и 20 запорного органа 18 выполнены оппозитно друг относительно друга открытые со стороны полого штока 12 кольцевые углубления (на фиг. не указаны) с образованием кольцевой канавки (на фиг. не указана), в которой размещен уплотнительный узел 21. В качестве уплотнительного узла 21 может быть использовано уплотнительное кольцо круглого сечения или прямоугольного сечения, а также манжеты. При этом разность высоты (диаметра) уплотнительного узла 21 и минимальной высоты канавки при взаимодействии колец 19 и 20 выбирается равной максимальной осевой деформации уплотнительного узла 21. Ширина канавки больше ширины уплотнительного узла 21. Вес верхнего кольца 19 выбирается большим, чем сила трения в уплотнительном узле 21.
Нижнее седло 5 размещено, например, в корпусе клапана 25, соединенного с корпусом 1, и закреплено центратором 26, выполненным, например, в виде двухступенчатой втулки, диаметр верхней части которой выполнен ответно шарику 5.
В корпусе 1 ниже седла 6, и в корпусе клапана 25 выше седла 5 выполнены, как минимум, по одному сквозному радиальному отверстию 27 и 28.
Цилиндр 2 установлен в корпусе 1 с образованием кольцевой полости 29 ниже верхней горловины 4. Верхняя часть корпуса клапана 25 и верхняя часть корпуса 1 выполнены ответно нижней 3 и верхней 4 горловинам цилиндра 2. На сопрягаемых с нижней 3 и верхней 4 горловинами цилиндра 2 выполнены, например, сквозные продольные канавки 30 и 31 (фиг. 4), сообщающие кольцевую полость 29 с радиальными отверстиями 28 и 27. В нижней части корпуса 1 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 32, сообщающее кольцевую полость 29 с пластовой средой.
Цилиндр 2 относительно корпуса клапана 25 подпружинен пружиной 33 посредством упора 34 и кольца 35. Упор 34 выполнен, например, в виде разрезного пружинного кольца, установленного в кольцевую канавку (на фиг. не указана). Среднее усилие пружины 33 выбирается равным суммарному весу цилиндра 2 с горловинами 3 и 4.
Втулка 11 с полым штоком 12 соединена, например, посредством переводника 36, а с центральным стержнем 13 - через диск 37, в котором выполнены сквозные осевые каналы 38.
Плунжер 9 с втулкой и штоком 10 установлены с образованием нижней 39 и верхней 40 (штоковой) рабочих полостей насоса. Нагнетательные линии 41 и 42 расположены выше запорных органов 16 и 18.
В верхней части полый шток 12 соединен с колонной штанг 43 посредством переводника 44. В верхней части полого штока 12 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 45, сообщающее нагнетательные линии 41 и 42.
Уплотнительные втулки 7 и 17 цилиндра 2 и плунжера 9 снизу снабжены, например, упорами 46 и 47, выполненными, например, в виде разрезных пружинных колец.
Колонна штанг 43 соединена с приводом (на фиг. не показан).
При оснащении насоса в средней части корпуса 1 пакером (на фиг. не показан), герметизирующим верхнюю часть скважины (на фиг. не показана) от нижней части, возможен забор пластовой жидкости из разных пластов (на фиг. не показаны).
При выполнении насоса в трубном (не вставном) варианте (фиг. 2), внутренняя поверхность корпуса 1 выше седла 6 может быть выполнена конической (на фиг. не указана) с малым углом конусности, составляющим 4-5°, а боковые поверхности седла 6 и упора 24 выполнены также коническими, ответно поверхности корпуса 1. При этом наружный диаметр переводника 44 больше внутреннего диаметра упора 24, и он установлен с возможностью взаимодействия с упором 24 в нижнем положении плунжера 9 при опускании насоса в скважину. При работе же насоса между упором 24 и переводником 44 обеспечивается достаточное расстояние.
Запорный орган 18 верхнего нагнетательного клапана может быть оснащен механическим уплотнением, например, в соответствии с патентом РФ №2679754 или №2709754, включающим установленные в обойме 48 уплотнительные кольца 49 и нажимные диски 50. В нижней части обоймы 48 может быть выполнена обточка с образованием бурта (на фиг. не указан), на которую насажена, например, уплотнительная втулка 51.
Боковая поверхность корпуса 1 выше радиальных отверстий 27 (фиг. 3) может быть выполнена конической (на фиг. не указана) с малым углом конусности, на которую установлен, выполненный ответно конической поверхности, корпус седла 52, в котором выполнено ступенчатое центральное отверстие (на фиг. не указано) с образованием кольцевого выступа 53 в нижней части. Седло 6 выполнено ответно отверстию корпуса седла 52 с возможностью взаимодействия с верхним торцом кольцевого выступа 53 и упором 54 корпуса седла 52, выполненным, например, в виде нажимной гайки.
Запорный орган 18 (фиг. 4) штангового трубного насоса может быть выполнен в виде удлиненной втулки, насаженной на полый шток 12 с гарантированным зазором (на фиг. не указан) с образованием щелевого уплотнения. В нижней части запорного органа 18 может быть выполнена цилиндрическая расточка с буртом (на фиг. не указаны), на которую насажена уплотнительная втулка 51. Втулка 18 выполнена, например, с уменьшением толщины стенки (на фиг. не указана) к верху, и может быть выполнена в виде усеченного конуса с большим диаметром в нижней части. Диаметр нижней части определяется диаметром уплотнительной втулки 51, а диаметр верхнего основания - из условия обеспечения устойчивости при изготовлении и от действия наружного давления, а также обеспечения требуемого веса.
Вес запорного органа 18 в сборе должен превышать силу трения между втулкой 51 и полым штоком 12. Длина запорного органа 18 выбирается из условия ограничения утечек жидкости, и может составить от 400 мм до 600 мм в зависимости от давления нагнетания и вязкости поднимаемой среды.
3
Запорный орган 18 (фиг. 5) нагнетательного клапана верхней рабочей полости 41 может быть выполнен в виде цилиндра из неметаллического материала большей плотности, чем плотность пластовой жидкости. В качестве материала могут приняты стекловолокнит или стеклопластик плотностью 1,85-1,90 г/см.
Монтаж насоса.
Насос (фиг. 1) в скважину спускается в собранном виде на колонне штанг 43. Якорное устройство для посадки на седло подъемной трубы на фиг. не показано. Подъем насоса осуществляется при помощи колонны штанг 43.
Корпус 1 (фиг. 2) насоса в скважину спускается подъемной трубой (на фиг. не показана). Цилиндр 2, плунжер 9 с штоком 10 в сборе, седлом 6 и упором 24 спускается колонной штанг 43. Фиксация седла 6 в бурте 23, а также посадка упора 24 на коническую посадочную поверхность осуществляется переводником 44 под действием веса колонны штанг 43.
Подъем цилиндра 2 с плунжером 9 с штоком 10 в сборе осуществляется посредством колонны штанг 43. При взаимодействии втулки 8 с седлом 6 упор 24 отрывается от конической посадочной поверхности. Далее корпус 1 с цилиндром 2 поднимается подъемной трубой (на фиг. не показана).
Монтаж и демонтаж насоса на фиг. 3 и 4 осуществляется аналогичным образом, как и насоса на фиг. 2.
Насос работает следующим образом.
Пусть плунжер 9 находится в нижнем положении и в насосе начинаются циклы всасывания и нагнетания. Цилиндр 2 находится в нижнем положении, и втулка 7 взаимодействует с седлом 5. Запорный орган 18 взаимодействует с седлом 6, а уплотнительная втулка 15 плунжера взаимодействует с запорным органом 16.
При движении плунжера 9 вверх давление в нижней рабочей полости 39 снижается, а в верхней 40 - увеличивается. Под действием перепада давления между входом насоса и рабочей полостью 39, между рабочей полостью 40 и входом насоса, а также трения между плунжером 9 и цилиндром 2, цилиндр 2 начинает перемещаться вверх. При взаимодействии втулки 8 с торцевой уплотнительной поверхностью 22 седла 6, давление в штоковой рабочей полости 40 начинает резко повышаться. Жидкость из пласта (на фиг. не показан) через радиальные отверстия 28, канал (на фиг. не указан) втулки 7 поступает в нижнюю рабочую полость 39.
При превышении давления в верхней рабочей полости 40 над давлением в нагнетательной линии 42, запорный орган 18 приподнимается над седлом 6, и жидкость из полости 40 поступает в нагнетательную линию 42. В момент страгивания запорного органа 18 перепад давления под и над ним незначительный, и поэтому уплотнительный элемент 21 испытывает небольшую осевую нагрузку. Это существенно снижает силу трения в уплотнительном элементе 21 при подъеме запорного элемента вверх.
При подходе плунжера 9 в крайнее верхнее положение, скорость плунжера 9 снижается. Так как уплотнительный элемент 21 при незначительном перепаде давления под и над ним деформируется мало, трение в нем также небольшое. Учитывая, что вес запорного органа 18 больше силы трения в уплотнительном элементе 21, запорный орган 18 опускается на седло 6.
При обратном ходе штока 10 вниз давление в верхней рабочей полости 40 снижается, а в нижней рабочей полости 39 - повышается. Под действием усилия от перепада давления между полостью 39 и на входе насоса, на входе насоса и полостью 40, а также силы трения между плунжером 9 и цилиндром 2, последний опускается вниз до взаимодействия уплотнительных втулок 7 с седлом 5. При этом вес цилиндра 2 с нижней 3 и верхней 4 горловиной равен усилию пружины 33 в среднем положении цилиндра 2 (на одинаковом расстоянии втулок 7 и 8 от седел 5 и 6). В дальнейшем жидкость из пласта через радиальные отверстия 27 и канал втулки 8 поступает в верхнюю рабочую полость 40.
При превышении давления в нижней рабочей полости 39 чем в нагнетательной линии 41, плунжер 9 приподнимается над запорным органом 16. Жидкость из рабочей полости 39 через канал втулки 15, осевые отверстия 38 поступает в нагнетательную линию 41. Далее жидкость через радиальные отверстия 45 поступает в общую нагнетательную линию 42. При перемещении плунжера 9 вверх относительно направляющей втулки 11 разобщение рабочих полостей 39 и 40 осуществляется щелевым уплотнением, образованным боковыми поверхностями плунжера 9 и направляющей втулки 11. Далее, при взаимодействии кольцевого выступа 14 с направляющей втулкой 11 - торцовыми поверхностями направляющей втулки 11 и выступа 14.
Далее цикл повторяется.
Таким образом, нагнетание пластовой жидкости осуществляет при ходе штока вниз и вверх. Соосная установка седел и запорных органов всех клапанов позволяет эксплуатировать насос в наклонно направленных и горизонтальных скважинах. При опускании насоса в горизонтальный отвод пружина не требуется. При опускании же насоса в наклонно направленную скважину усилие пружины снижается, например, путем снижения деформации пружины 33 увеличением расстояния от верхнего торца нижней горловины 3 до упора 34.
Направляющая втулка 11, скользящая по внутренней поверхности плунжера 9 выполняет не только функцию центратора штока 10 относительно цилиндра 2, но и уплотнительного узла.
Работа насоса на фиг.2 аналогична выше описанному. Механическое уплотнение запорного органа 18, включающее уплотнительные 49 и нажимные диски 50, обеспечивает постоянную силу трения в уплотнительном узле. Оснащение обоймы 48 уплотнительной втулкой 51 повышает надежность работы насоса благодаря применению серийного узла.
Работа насоса на фиг.3 аналогично выше описанному. Здесь перед спуском насоса в скважину седло 6 при помощи гайки 54 устанавливается в корпус седла 52. Этим достигается надежность установки седла 6 в насосе.
При работе насоса на фиг.4, запорный орган 18 совершает подъем и опускание вдоль полого штока 12. В связи с образованием щелевого уплотнения между запорным органом 18 и полым штоком 12, малым диаметром полого штока 12, сила трения в паре незначительная. Кроме того, ресурс щелевого уплотнения намного превышает ресурс уплотнительных узлов с эластичным или механическим уплотнением. Небольшая сила трения в запорном органе 18 с щелевым уплотнением снижает вероятность провисания колонны штанг 43 при ее движении вниз.
При изготовлении запорного органа 18 (фиг. 5) из неметаллического материала, например, из стекловолокнита, стеклопластика, существенно снижается его вес и сила трения в запорном органе. Длина и диаметр запорного органа 18 определяется из условий превышения его веса чем сила трения, ограничения утечек жидкости через щель (на фиг. не показана) между запорным органом 18 и полым штоком 12.
Таким образом, оснащение насоса дополнительной верхней рабочей полостью позволяет:
1. Увеличить производительность насоса в 1,6-1,7 раза.
2. Увеличить максимальную длину хода плунжера при одинаковой длине цилиндра за счет исключения имеющего значительную длину щелевое уплотнение между неподвижным плунжером и цилиндром.
3. Увеличить более чем в два раза усилие на открытие и закрытие запорного органа всасывающего клапана в связи выполнением смежной рабочей полости функции управления запорным органом клапана, а также отсутствием трения в верхнем уплотнении цилиндра.
4. Снизить вероятность провисания колонны штанг и потери устойчивости ее низа вследствие увеличения нагрузки на шток при движении колонны штанг вниз за счет разности площадей штока и штанг, а также благодаря защемлению низа колонны штанг соединением с малым зазором направляющей втулки и плунжера.
5. Обеспечить одновременную раздельную эксплуатацию двух пластов в скважине.