СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС
WELL SUCKER-ROD PUMP

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, используемым для поднятия скважинной жидкости на поверхность.
Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном и размещенный в цилиндре полый плунжер с нагнетательным клапаном, разделяющий полость цилиндра на всасывающую и нагнетательную полости. Во всасывающей полости цилиндра установлен подвижный стакан с дополнительным нагнетательным клапаном и отверстиями (окнами) для периодического (при ходе плунжера вверх) сообщения полости цилиндра с полостью плунжера. В этом насосе внутренняя (уплотняемая) поверхность цилиндра имеет диаметр, равный диаметру наружной (уплотняющей) поверхности плунжера, а отверстия для периодического сообщения полости цилиндра с полостью плунжера выполнены в хвостовике подвижного стакана (SU 1756627 A1, 23.08.1992).
Недостатком данного насоса является большое количество сложных взаимодействующих деталей, что повышает затраты на изготовление и обслуживание, усложняет сборку и ремонт, снижает надежность, особенно при работе с вязкими жидкостями и с жидкостями, содержащими парафины, асфальты и смолы, при этом при необходимости обслуживания и/или ремонта насоса необходимо поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами.
Известен также скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с клапаном, полый плунжер с нагнетательным клапаном, размещенный в цилиндре и разделяющий его полость на всасывающую и нагнетательную полости, и отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера, при этом часть всасывающей полости цилиндра образована внутренней поверхностью цилиндра, охватывающей нижний конец плунжера и имеющей диаметр, превышающий диаметр наружной поверхности плунжера, при этом отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера выполнены в стенке нижнего конца плунжера (RU 2340792 С1, 10.12.2008).
Недостатками данного насоса являются наличие на нижнем конце цилиндра внутренней полости, имеющей больший диаметр, чем плунжера, что значительно увеличивает металлоемкость конструкции, следовательно, повышает стоимость изделия и снижает коэффициент полезного действия (КПД) установки, так как при нахождении бокового отверстия плунжера в зоне расширения цилиндра во время рабочего хода работа по поднятию жидкости не осуществляется, при этом при работе с сильно газированными жидкостями (например: летучая нефть или газоконденсат) происходит резкое падение пластового давления, что нежелательно для освоения пласта, причем при необходимости обслуживания и/или ремонта насоса необходимо поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами, что требует дополнительных затрат на обслуживание, особенно при работе с вязкими жидкостями и с жидкостями, содержащими парафины, асфальты и смолы.
Наиболее близким аналогом является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с клапаном и седлом, спускаемый на лифтовых трубах, полый плунжер со своим клапаном, размещенный в цилиндре и образующий всасывающую полость в нем (SU 1447013 А1, 10.05.1996).
Задачей изобретения являются создание скважинного штангового насоса, работающего, в том числе, с сильно газированными жидкостями, простого в обслуживании за счет подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера с клапанами, снижение стоимости цилиндра и повышение КПД насоса из-за отсутствия расширений цилиндра, а также работающего с вязкими жидкостями и с жидкостями, содержащими парафины, асфальты и смолы.
Поставленная задача и технический результат достигается в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с клапаном и седлом, спускаемый на лифтовых трубах, полый плунжер со своим клапаном, размещенный в цилиндре и образующий всасывающую полость в нем, при этом штанги с плунжером соединены при помощи толкателя с упором вверху на наружной поверхности, седло клапана расположено сверху цилиндра и выполнено с наружным диаметром, меньшим или равным внутреннему диаметру лифтовых труб, и с внутренним диаметром, большим или равным внутреннему диаметру цилиндра, при этом клапан цилиндра, играющий роль нагнетательного, выполнен в виде полой втулки, надетой выше упора на штанги выше толкателя с возможностью герметичного продольного перемещения и герметичного взаимодействия с седлом сверху, причем втулка изготовлена с достаточным весом для продольного перемещения по штанге вниз в скважинной жидкости под собственным весом, а всасывающая полость цилиндра размещена выше плунжера, клапан которого выполнен всасывающим, при этом упор толкателя выполнен с возможностью взаимодействия с втулкой при спуске плунжера в скважину и при извлечении его из цилиндра.
Кроме того, всасывающий клапан плунжера выполнен с возможностью принудительного закрытия при перемещении штанг вверх, с которыми жестко соединен через толкатель, вставленный в плунжер с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения, при этом между плунжером и упором на толкатель может быть надета дополнительная втулка с возможностью герметичного продольного перемещения и герметичного перекрытия полости плунжера при взаимодействии с ним сверху, причем дополнительная втулка изготовлена с достаточным весом для продольного перемещения по штанге вниз в скважинной жидкости под собственным весом.
Кроме того, всасывающий клапан плунжера выполнен вставленным в плунжер с возможностью ограниченного перемещения и перекрытия по всему периметру полости плунжера при перемещении клапана вниз.
На фиг.1 изображен скважинный штанговый насос.
На фиг.2 изображен скважинный штанговый насос с всасывающим клапаном, закрывающимся принудительно.
На фиг.3 изображен скважинный штанговый насос с всасывающим клапаном в виде шайбы.
На фиг.4 изображен скважинный штанговый насос с всасывающим клапаном, закрывающимся принудительно, и дополнительной втулкой, перекрывающей полость плунжера сверху.
Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1 (фиг.1, 2, 3 и 4) с клапаном 2 и седлом 3, спускаемый на лифтовых трубах 4, полый плунжер 5 со своим клапаном 6, спускаемый на штанге 7 и размещенный в цилиндре 1. Штанга 7 соединена с плунжером 5 при помощи толкателя 8 с упором 9 вверху на его наружной поверхности. Седло 3 клапана 2 расположено сверху цилиндра 1 и выполнено с наружным диаметром D1 (фиг.1), не превышающим внутренний диаметр D2 лифтовых труб 4, а внутренний диаметр D3 выполнен не меньшим внутреннего диаметра D4 цилиндра 1 (фиг.1, 2, 3 и 4), при этом клапан 2 цилиндра 1, играющий роль нагнетательного, выполнен в виде полой втулки, надетой выше упора 9 на штангу 7 выше толкателя 8 с возможностью герметичного продольного перемещения и герметичного взаимодействия с седлом 3 сверху. Втулка 2 изготовлена с достаточным весом для продольного перемещения по штанге 7 вниз в скважинной жидкости под собственным весом. Всасывающая полость 10 цилиндра 1 размещена выше плунжера 5, клапан 6 которого выполнен всасывающим. Упор 9 толкателя 8 выполнен с возможностью взаимодействия с втулкой 2 при спуске плунжера 4 в скважину и при извлечении его из цилиндра 1.
Насос работает следующим образом.
На лифтовых трубах 4 в скважину (на фиг.1, 2, 3 и 4 не показана) спускают цилиндр 1 с седлом 3 в необходимый интервал установки. После чего в лифтовые трубы 4 на штангах 7 спускают плунжер 5 с клапанами 2 (полой втулкой, опирающейся сверху на упор 9) и 6 и толкателем 8 до входа плунжера 5 в цилиндр 1 и взаимодействия полой втулки 2 с седлом 3. Для точной установки плунжера на штанге 7 выше полой втулки 2 может быть установлен ограничитель (на фиг.1, 2, 3 и 4 не показан), который упирается в полую втулку 2 при спуске плунжера 5 вниз цилиндра 1, что отмечается на индикаторе веса (на фиг.1, 2, 3 и 4 не показан) на устье скважины в виде снижения веса штанги 7. После чего на устье скважины штангу 7 присоединяют к приводу (например, станок-качалка или цепной привод - на фиг.1, 1, 3 и 4 не показан), который придает движению штанге 7 возвратно-поступательное движение, передающееся через толкатель 8 на плунжер 5.
При перемещении плунжера 5 вниз относительно цилиндра 1 полая втулка 2 герметично прижата к седлу 3, в результате во всасывающей полости 10 создается разрежение, и скважинная жидкость через всасывающий клапан 6 поступает в эту полость 10.
При перемещении плунжера 5 вверх относительно цилиндра 1 всасывающий клапан 6 перекрывает полость плунжера 5, в результате во всасывающей полости 10 создается избыточное давление, и полая втулка 2 под действием перепада давлений поднимается над седлом 3, а скважинная жидкость из всасывающей полости 10 поступает в лифтовые трубы 4, по которым поднимается на поверхность (на фиг.1, 2, 3 и 4 не показана) при постоянном возвратно-поступательном движении плунжера 5 относительно цилиндра 1.
Так как полая втулка 2 при отходе от седла 3 открывает цилиндр 1 по всему периметру (из-за конструктивных соотношений диаметров D1 и D2, D3 и D4), то газ, выделяющийся из скважинной жидкости при разряжении во всасывающей полости 10 цилиндра 1, не скапливается во всасывающей полости 10 и свободно поступает в лифтовые трубы при открытии нагнетательного клапана.
При работе с нефтью всасывающий клапан 6 (фиг.1) плунжера 5 выполняется обычным - шаровым.
При работе с вязкими скважинными жидкостями и с жидкостями, содержащими парафины, асфальты и смолы (например, тяжелая и/или битуминозная нефть), всасывающий клапан 6 (фиг.2) плунжера 5 выполняют с возможностью принудительного закрытия при перемещении плунжера 5 со штангой 7 вверх, для чего толкатель 8 вставлен в плунжер 5 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, ограниченного упором 9 сверху, выполненным с возможностью опоры на направляющую втулку 11, и клапаном 6 снизу, жестко соединенным со штангами 7 через толкатель 8.
При работе с сильно газированными скважинными жидкостями (например, летучая нефть или газоконденсат) всасывающий клапан 6 (фиг.3) плунжера 5 изготавливают вставленным в плунжер 5 (например, в виде втулки) с возможностью ограниченного перемещения и перекрытия по всему периметру полости плунжера 5 при перемещении клапана 6 вниз под действием избыточного давления во всасывающей полости 10 цилиндра 1, что не позволяет скапливаться газу и в подплунжерной полости 12 цилиндра 1.
При работе со скважинными жидкостями, при добыче которых насосом чередуется поступление в скважину вязких жидкостей и невязких (текучих) жидкостей (например, при добыче битуминозной нефти паротепловыми методами вытеснения чередуется поступление битуминозной нефти и скважинной воды), всасывающий клапан 6 (фиг.4) плунжера 5 выполняют сборным, состоящим из нижнего клапана 13, изготовленного с возможностью принудительного закрытия при перемещении плунжера 5 со штангой 7 вверх, и верхнего клапана 14 - дополнительной втулки, надетой на толкатель 8 между плунжером 5 и упором 9 с возможностью герметичного продольного перемещения и герметичного перекрытия полости плунжера 5 при взаимодействии с ним сверху. При этом толкатель 8 вставлен в плунжер 5 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, ограниченного плунжером 5 сверху и ограничителем 15 снизу, а дополнительная втулка 14 изготовлена с достаточным весом для продольного перемещения по толкателю 8 вниз в скважинной жидкости под собственным весом.
Благодаря такой конструкции всасывающего клапана 6 при ходе вниз штанги 7 относительно цилиндра 1 толкатель 8 перемещается с нижним клапаном 13 вниз до ограничителя 15, после чего движется вместе с плунжером 5 вниз. В результате из-за того, что полая втулка 2 герметично прижата к седлу 3, во всасывающей полости 10 создается разрежение, создающее перепад давлений в районе дополнительной втулки 14. Перепад давлений приподнимает эту втулку 14 и открывает полость плунжера, через которую скважинная жидкость поступает во всасывающую полость 10.
При ходе штанги 7 вверх относительно цилиндра 1 толкатель 8 перемещается с нижним клапаном 13 вверх до плунжера 5, вместе с которым движется дальше вверх, принудительно (что важно для вязких жидкостей) герметично перекрывая полость плунжера 5. Во всасывающей полости 10 создается избыточное давление, создающее перепад давлений в районе полой втулки 2 и дополнительной втулки 14, которое прижимает дополнительную втулку 14 к плунжеру 5, герметично и очень быстро перекрывая его полость (что важно для текучих жидкостей) и приподнимает полую втулку 2 от седла. В результате скважинная жидкость из всасывающей полости 10 поступает в лифтовые трубы 4 и далее на поверхность.
При необходимости проведения ремонтных работ (чаще всего из-за выхода из строя клапанов 2 и/или 6) или при плановом обслуживании насоса из скважины извлекают на штанге 7 плунжер 5 с клапаном 6, опирающимся на упор 9 толкателя 8, а извлечение при этом цилиндра 1 с лифтовыми трубами 4 не обязательно, что убыстряет, упрощает и удешевляет ремонтные работы или плановое обслуживание скважинного насоса.
Предлагаемый скважинный штанговый насос позволяет работать с повышенным КПД, с вязкими скважинными жидкостями и с жидкостями, содержащими парафины, асфальты и смолы, в том числе с сильно газированными жидкостями, прост и дешев в изготовлении, обслуживании и ремонте, так как не требует поднятия цилиндра с лифтовыми трубами при этом из скважины.