ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к технике добычи жидких сред, преимущественно нефти с большим содержанием газа.
Известен штанговый насос, содержащий связанный с колонной насосных труб цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный поршень, причем верхний поршень большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжен нагнетательным клапаном, а нижний поршень меньшего диаметра выполнен в виде штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично пропущен шток (см. патент на полезную модель RU №39366, кл. F04В 47/00, 27.07.2004).
Данный дифференциальный штанговый насос показал хорошие результаты при добыче вязкой нефти, в том числе нефти с большим содержанием песка, механических включений, парафина и смолистых веществ. Однако он не может быть использован для откачки нефти с большим содержанием газа, что сужает область использования данного штангового насоса.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является двухступенчатый штанговый насос, содержащий подвешенный на колонне труб цилиндр с всасывающим клапаном в нижней его части и нагнетательным клапаном в верхней его части и расположенным в цилиндре полом плунжере с перепускным клапаном в нижней части и перепускными отверстиями в верхней части, при этом полый плунжер подвешен на колонне насосных штанг с помощью штока, герметично проходящего через верхний клапан с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре (см. книгу Takacs Gabor «Modem sucker-rod pumping», PennWellPublishing Co., 1993, page 44). Таким образом, нижняя часть цилиндра под плунжером образует первую ступень насоса с большим объемом, а верхняя часть цилиндра над плунжером вместе со штоком образует вторую ступень насоса с меньшим объемом.
Этот насос может быть использован для откачки нефти с большим содержанием газа, но наличие в конструкции насоса дополнительных (клапан и уплотнение штока) и к тому же малоэффективных уплотнений сводит преимущество этого насоса по сравнению с обычным штанговым насосом к минимуму.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является улучшение функциональных возможностей насоса путем использования новых типов высокоэффективных малогабаритных механических уплотнений плунжера и штока.
Техническим результатом, достигаемым от использования полезной модели, является увеличение КПД насоса.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что двухступенчатый штанговый насос содержит подвешенный на колонне труб цилиндр со всасывающим клапаном в нижней его части и нагнетательном клапаном в верхней его части и расположенным в цилиндре полом плунжере с перепускным клапаном в нижней части и перепускными отверстиями в верхней части, причем внешняя поверхность полого плунжера уплотнена относительно внутренней цилиндрической поверхности цилиндра посредством механического уплотнения, при этом полый плунжер подвешен на колонне насосных штанг с помощью штока с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, цилиндр снабжен нагнетательным клапаном, для которого в верхней части цилиндра выполнено посадочное седло, через которое пропущен шток с образованием кольцевого зазора, а затвор нагнетательного клапана выполнен в виде соосной с посадочным седлом тарелки с отверстием, на которой установлено механическое уплотнение, через которое и отверстие тарелки герметично с помощью указанного механического уплотнения пропущена колонна насосных штанг.
В случае эксплуатации скважин с большим содержанием газа в нефти на условия всасывания оказывает существенное влияние газосодержание добываемой нефти. Выполнение плунжера полым и снабжение его перепускным клапаном, дает возможность создать двухступенчатый штанговый насос, что, в свою очередь, позволяет организовать процесс последовательного сжатия газа до давления, при котором штанговый насос позволяет вести добычу нефти практически с любым встречающимся в реальной практике газосодержанием.
При этом плунжер и шток нагнетательного клапана выполняют с использованием высокоэффективных механических уплотнений по патенту РФ №2037077. Многолетняя практика применения механических уплотнений в штанговых насосах для обычных и осложненных условий работы показали их высокую надежность и долговечность.
На чертеже представлен продольный разрез двухступенчатого штангового насоса. Двухступенчатый штанговый насос содержит подвешенный на колонне труб 1 цилиндр 2 со всасывающим клапаном 3 в нижней его части и расположенным в цилиндре 2 полом плунжере 4 с перепускным клапаном 5 в нижней части и перепускными отверстиями 6 в верхней части. Внешняя поверхность полого плунжера 4 уплотнена относительно внутренней цилиндрической поверхности цилиндра 2 посредством механического уплотнения 7. Полый плунжер 4 подвешен на колонне насосных штанг 8 с помощью штока 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре 2. Последний снабжен нагнетательным клапаном 10, для которого в верхней части цилиндра 2 выполнено посадочное седло 11, через которое пропущен с образованием кольцевого зазора шток 9. Затвор нагнетательного клапана 10 выполнен в виде соосной с посадочным седлом 11 тарелки 12 с отверстием 13. На тарелке 12 установлено механическое уплотнение 14, через которое и отверстие 13 тарелки 12 герметично с помощью указанного механического уплотнения 14 пропущен шток 9.
Двухступенчатый штанговый насос работает следующим образом.
При работе двухступенчатого штангового насоса возможно два варианта его работы, когда в откачиваемой из продуктивного пласта 15 среде мало или нет свободного газа и когда в откачиваемой среде много свободного газа.
Вначале опишем процесс работы, когда свободного газа мало или нет и он не оказывает какого-либо влияния на работу, а откачиваемая среда представляет собой по существу жидкую среду.
При запуске насоса при ходе полого плунжера 4 вместе с колонной насосных штанг 8 и штоком 9 вверх перепускной клапан 5 закрывается и открывается всасывающий клапан 3. Начинается процесс всасывания, сопровождающийся заполнением нижней части цилиндра 2 с большим объемом, откачиваемой из скважины средой.
При ходе полого плунжера 4 вместе с штоком 9 вниз закрывается всасывающий клапан 3 и открывается перепускной клапан 5, при этом откачиваемая из скважины среда, например нефть, перепускается из нижней части цилиндра 2 через перепускной клапан 5 в полость плунжера 4 и из последнего через перепускные отверстия 6 часть откачиваемой среды поступает в верхнюю часть цилиндра 2 выше механического уплотнения 7 и часть через нагнетательный клапан 10 в трубу 1.
При ходе полого плунжера 4 вместе со штом 9 вверх перепускной клапан 5 закрывается и открывается нагнетательный клапан 10. Жидкость из верхней части цилиндра (2 ступени) вытесняется в трубу 1. Одновременно при этом начинается процесс всасывания в нижней части цилиндра 2 откачиваемой из скважины жидкой средой. Далее процесс повторяется.
В случае когда свободного газа много в откачиваемой среде.
В этом случае при ходе плунжера 4 вверх в нижнюю большую часть цилиндра (1 ступень) поступает смесь откачиваемой жидкой среды и газа под определенным давлением. Далее эта смесь при ходе плунжера 4 вниз поступает через перепускной клапан 5 в верхнюю часть цилиндра 2 с меньшим объемом (2 ступень). При этом давление газа в смеси увеличивается пропорционально уменьшению его объема в соответствии с законом термодинамики. Затем при ходе плунжера 4 вверх газ дополнительно сжимается, что приводит к открытию нагнетательного клапана 9 и подаче жидкости вместе с сжатым газом в колонну труб 1 и далее на поверхность. Затем цикл повторяется.
По сравнению с обычными насосами при работе двухступенчатого штангового насоса представляется возможность полностью перепускать свободный газ из нижней части цилиндра 2 в его верхнюю часть и полость плунжера 4, что предотвращает закупоривание нижней части цилиндра 2 свободным газом и, как следствие, снижение производительности штангового насоса по откачиваемой жидкой среде из скважины.
Кроме того, за счет силы трения в механическом уплотнении 14 нагнетательного клапана 10 облегчается открытие и закрытие тарелки 11, что приводит к снижению гидравлических потерь в клапане 10 и увеличению КПД насоса.
В результате достигается увеличение производительности насоса при большом содержании в откачиваемой среде газа.
В зависимости от рабочих условий (дебита, пластового давления, содержания газа, механических примесей, вязкости и т.д.) можно подобрать соответствующие диаметры цилиндра и штока с тем, чтобы обеспечить наиболее эффективный режим откачки из скважины газожидкостных сред.
Настоящая полезная модель может быть использована в нефтяной и других отраслях промышленности, где требуется откачка из скважины различных жидких сред, в том числе нефти с высоким содержанием газа.