Скважинный штанговый насос

 

Использование: нефтедобывающая промышленность при установке в скважинах. Сущность изобретения: в корпусе 1 помещен с возможностью осевого перемещения плунжер 4 с нагнетательным клапаном 5, связанный с приводной штангой 6. В нижней части корпуса 1 установлены приемный клапан 3 и хвостовик 7 с впускным клапаном 9. В горизонтальной плоскости хвостовика 7 выполнена цилиндрическая полость 11, перекрытая с двух сторон пробками. Внутри цилиндрической полости 11 помещены ось 16 и с возможностью вращения на ней - односторонний перекрыватель 18 бокового тангенциально направленного в сторону средней части цилиндрической полости 11 отверстия 12 и продольных вертикальных тангенциальных входного 13 и выходного 14 каналов в противоположной стороне от осевой линии хвостовика 7 цилиндрической полости 11. Причем площадь торцевой части 19 перекрывателя 18 равна или больше площади поперечного сечения тангенциального бокового отверстия 12 и входного тангенциального канала 13 и меньше площади поперечного сечения выходного тангенциального канала 14. Корпус 1 и хвостовик 7 установлены в кожухе 20, зафиксированы и уплотнены посредством верхнего торцевого упора 24 с уплотнением 25 корпуса 1 и нижним торцевым упором 26 с уплотнениями 27 и стопорящим элементом 28 хвостовика 7 снаружи кожуха 20. В корпусе 1 выше торцевого упора 24 выполнены выпускные отверстия 2, а ниже - радиальные отверстия 29. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к добыче жидких пластовых флюидов, в частности к устройствам, устанавливаемым в скважинах.

Известен скважинный штанговый насос, включающий цилиндрический полый корпус, приемный клапан, установленный в нижней части корпуса, плунжер с нагнетательным клапаном, размещенные с возможностью осевого перемещения внутри корпуса, приводную штангу, связанную с плунжером.

Недостатком этого устройства является то, что штанговая колонна в период цикла нагнетания испытывает повышенные растягивающие нагрузки. Поступление пластовых флюидов в скважину и их подъем на поверхность имеет характер относительно равномерный, в результате чего при работе этого насоса создаются благоприятные условия для выпадения кристаллов асфальто-смолистых и парафиновых отложений /АСПО/ ввиду снижения температуры, а также солей на стенках обсадной колонны, насос-компрессорных труб /НКТ/ и самого насоса, что ухудшает его работу. Поэтому для удаления этих отложений потребуется частоте проведение ремонтных работы глубинного оборудования.

Известен также скважинный штанговый насос, включающий цилиндрический полый корпус с приемным клапаном в нижней части и выпускными отверстиями в верхней части, плунжер с нагнетательным клапаном, установленный с возможностью осевого перемещения внутри корпуса и связанный с приводной штангой, при этом к нижней части корпуса прикреплен цилиндрический хвостовик, имеющий приемную камеру с впускным клапаном, выпускную камеру и боковое входное отверстие, корпус и хвостовик установлены в кожухе, в корпусе выполнены радиальные отверстия, выполненные на уровне, превышающем крайнее верхнее положение плунжера для гидравлического соединения надплунжерной полости корпуса с кольцевой полостью между кожухом и корпусом с хвостовиком, упорное кольцо, установленное с возможностью взаимодействия с верхним торцевым упором корпуса, при этом кожух снабжен торцевым упором с уплотнительными элементами, расположенный ниже бокового отверстия хвостовика.

Это устройство позволяет снизить нагрузки на приводную штангу, однако при работе струйного эжекторного подпорного гидроусилителя хвостовика в результате высокой скорости истечения пластовых флюидов /нефти, воды/ из сопла происходит их резкое охлаждение в камере смешения, что повышает вероятность ускоренного образования отложений неорганических и органических солей, смолисто-асфальтеновых веществ уже в диффузоре /выпускной камере хвостовика/ и приемном клапане, что ухудшит работу насоса и повлечет проведение дополнительных работ по удалению отложений. Кроме того, корпус с хвостовиком недостаточно надежно и герметично зафиксированы в кожухе крепежным узлом с упругим элементом.

Сущность изобретения заключается в том, что в скважинном штанговом насосе в средней части хвостовика в горизонтальной плоскости выполнена сквозная цилиндрическая полость и продольные входной и выходной каналы из нее, при этом боковое входное отверстие выполнено тангенциально направленным в сторону средней части цилиндрической полости, а продольные каналы выполнены вертикального и тангенциально направленными в цилиндрическую полость и расположены по разные стороны от осевой линии хвостовика, при этом цилиндрическая полость с двух сторон перекрытия пробками, имеющими карманы, а внутри цилиндрической полости размещены ось, установленная в карманы пробок и с возможностью вращения на ней односторонний перекрыватель бокового отверстия и продольных каналов хвостовика, выполненный с торцевой площадью равной или больше площади поперечного сечения входного продольного канала и меньше площади поперечного сечения выходного продольного канала.

Кроме того, в верхней части корпуса выполнена сквозная расточка, а верхний торцевой упор корпуса выполнен с возможностью контакта с расточкой и снабжен уплотнительными кольцами, при этом низ хвостовика снаружи торцевого упора кожуха снабжена стопорящим элементом.

Технический результат выражается в увеличении межремонтного периода работы за счет предупреждения образования органических и неорганических отложений в глубинном оборудовании и улучшения свойств пластовых флюидов, а также повышении надежности крепления и герметичности корпуса с хвостовиком в кожухе.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства в разрезе при движении плунжера вверх; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 1.

Скважинный штанговый насос состоит из цилиндрического полого корпуса 1 с выпускными отверстиями 2 в верхней части. В нижней части корпуса 1 установлен приемный клапан 3, а внутри корпуса 1 размещен с возможностью осевого перемещения плунжер 4 с нагнетательным клапаном 5. Плунжер 4 связан с приводной штангой 6. К нижней части корпуса 1 прикреплен цилиндрический хвостовик 7 с приемной камерой 8, в которой установлен впускной клапан 9, и выпускной камерой 10. В средней части хвостовика 7 в горизонтальной плоскости выполнена сквозная цилиндрическая полость 11. В сторону средней части цилиндрической полости 11 хвостовика 7 выполнено тангенциально направленное входное боковое отверстие 12, а в противоположной стороне стенок цилиндрической полости 11 относительно осевой линии хвостовика 7, вдоль последнего выполнены тангенциально направленные вертикальный входной канал 13 в цилиндрическую полость 11 и выходной канал 14 из цилиндрической полости 11. Цилиндрическая полость 11 с двух сторон перекрыта пробками 15, а внутри цилиндрической полости 11 вдоль ее осевой линии расположена ось 16, установленная в карманы 17 пробок 15, и с возможностью вращения на оси 16 размещен односторонний перекрыватель 18 бокового отверстия 12 и продольный каналов 13, 14 хвостовика 7. Площадь торцевой части 19 одностороннего перекрывателя 18 равна или больше площади поперечного сечения тангенциального выходного продольного канала 13 и меньше площади поперечного сечения тангенциального выходного продольного канал 14. Корпус 1 с хвостовиком 7 помещены внутрь кожуха 20 и образуют с ним кольцевую полость 21. В верхней части кожуха 20 выполнена сквозная расточка 22, в которую установлено упорное кольцо 23 с возможностью взаимодействия с верхним торцевым упором 24 корпуса 1 для возможности контакта с расточкой 22 и уплотненный резиновым кольцом 25. Кожух 20 напротив хвостовика 7 дополнительно снабжен нижним торцевым упором 26 с уплотнительными элементами 27. Хвостовик 7 снаружи кожуха 20 соединен со стопорящим элементом 28 торцевого упора 26. В корпусе 1 на уровне, превышающем крайнее верхнее положение плунжера 4, выполнены радиальные отверстия 29 для гидравлического соединения надплунжерной полости 30 корпуса 1 с кольцевой полостью 21, а посредством последней и бокового отверстия 12 с цилиндрической полостью 11 хвостовика 7.

Скважинный штанговый насос работает следующим образом.

При движении плунжера 4 вверх /фиг. 1/ закрывается нагнетательный клапан 5 и открывается приемный клапан 3 и впускной клапан 9. Скважинная жидкость из корпуса 1 выталкивается через отверстия 2. Часть жидкости одновременно через радиальные отверстия 29 поступает в кольцевую полость 21, откуда по боковому отверстию 12 тангенциально направляется в цилиндрическую полость 11 хвостовика 7. Совместные тангенциально направленные потоки жидкости из бокового отверстия 12 и входного продольного канала 13 создают вращающийся поток жидкости в цилиндрической полости 11, увлекающий за собой перекрыватель 18. При вращении одностороннего перекрывателя 18 происходит периодическое полное перекрытие входного тангенциального продольного канала 13 и бокового тангенциального отверстия 12, но частичное перекрытие выходного тангенциального продольного канала 14, в результате чего возникают импульсы давления. В зависимости от того какое отверстие 12 или канала 13, 14, гидравлически связанное с цилиндрической полостью 11, будут перекрываться в соответствующих областях и соответствующей интенсивности будут возникать гидравлические удары. Так при закрытии перекрывателем 18 входного продольного тангенциального канала 13 импульс давления распространяется в приемную камеру 8 и через впускной клапан 9 в пространство скважины ниже насоса, а при закрытии перекрывателем 18 входного бокового тангенциального отверстия 12 импульс давления направляется в кольцевую полость 21, далее через радиальные отверстия 29 в надплунжерную полость корпуса 1 и через выпускные отверстия 2 в пространство скважины выше насоса. Необходимость наличия превышения площади поперечного сечения выходного тангенциального канала 14 над площадью торцевой части 19 перекрывателя 18 вызвана тем, чтобы существенно не снижать коэффициент наполнения подплунжерной полости корпуса 1 жидкостью. Поэтому поступление жидкости в цилиндрическую полость 11 как через входной тангенциальный канал 13 из пространства ниже впускного клапана 9 и приемной камеры 8 хвостовика 7, так и через боковой тангенциальный канал 12 из надплунжерной 4 полости корпуса 1 посредством радиальных отверстий 29 и кольцевой полости 21, будет одновременным или поочередным. Поступление же жидкости вверх из цилиндрической полости 11 через выходной тангенциальный канал 14 будет на протяжении всего периода подъема плунжера 4 вверх постоянным и лишь при прохождении напротив него перекрывателя 18 частично уменьшаться. Необходимо отметить, что жидкость не только под действием перепада давления при подсосе плунжером 4, но и одновременно под действием центробежной силы вращающегося потока, причем без существенных местных гидравлических потерь на выходе, поступает из цилиндрической полости 11 в выходной тангенциальный канал 14 и далее в выпускную камеру 10 хвостовика 7, откуда через нагнетательный клапан 5 направляется в подплунжерную 4 полость корпуса 1. Центробежная составляющая кинетической энергии вращающегося потока в цилиндрической полости 11 позволяет ускорить наполнение подплунжерной 4 полости корпуса 1 и вместе с тем, что часть жидкости из надплунжерной 4 полости перепускается в хвостовик 7, уменьшить растягивающие нагрузки, действующие на колонну приводных штанг 6. В дополнение к этому, создаваемое вибрационное поле способствует снижению коэффициента трения между плунжером 4 и внутренней поверхностью корпуса 1, что также снижает растягивающие усилия штанговой колонны 6. Кроме того, распространяется в скважине низкочастотное волновое поле на десятки и сотни метров ниже и выше насоса способствует снижению вязкости и разрушению структуры смолистых и парафиновых составляющих нефти. Это предупреждает уменьшение сечения проходных отверстий и каналов насоса отложениями, а повышение текучести позволяет также повысить коэффициент наполнения насоса одинарного действия. Поскольку волновое поле распространяется и выше насоса, в результате дальнейшего снижения вязкости нефти уменьшаются силы гидродинамического трения нефти с колонной штанг 6 и НКТ, что в дополнение к выше описанному также способствует снижению нагрузок на приводные штанги 6.

При движении плунжера 4 в корпусе 1 вниз закрываются приемный 3 и впускной 9 клапаны, а нагнетательный клапан 5 открывается и жидкость через последний перетекает из подплунжерной 4 в надплунжерную 4 полость корпуса 1.

Таким образом, предлагаемый скважинный штанговый насос с подпорным вибрационным гидроусилителем позволяет снизить вероятность обрыва колонны штанг и продлить срок их эксплуатации за счет снижения растягивающих нагрузок при перепуске части жидкости с созданием подпора центробежной составляющей вращающегося потока, снижения вязкости нефти и коэффициента трения между плунжером и корпусом в волновом поле; предупредить образование АСПО и тем самым улучшить условия работы не только насоса, но и увеличить межремонтные сроки эксплуатации скважины по удалению АСПО и неорганических солей. Поскольку устройство генерирует низкочастотные импульсы давления, распространяющиеся на большие рассстояния, так как в этом случае могут возникнуть резонансные явления, то в некоторых случаях возможно будет достаточно, чтобы непосредственно в процессе добычи подвергать виброобработке скважину напротив интервала перфорации и продуктивный пласт в околоскважинной зоне, тем самым способствовать постоянной очистке прискважинной зоны, а значит увеличить дебиты.

Формула изобретения

1. Скважинный штанговый насос, включающий цилиндрический полый корпус с приемным клапаном в нижней части и выпускными отверстиями в верхней части, плунжер с нагнетательным клапаном, установленный с возможностью осевого перемещения внутри корпуса и связанный с приводной штангой, при этом к нижней части корпуса прикреплен цилиндрический хвостовик, имеющий приемную камеру с впускным клапаном, выпускную камеру и боковое входное отверстие, корпус и хвостовик установлены в кожухе, в корпусе выполнены радиальные отверстия на уровне, превышающем крайнее верхнее положение плунжера для гидравлического соединения надплунжерной полости корпуса с кольцевой полостью между кожухом и корпусом с хвостовиком, упорное кольцо, установленное с возможностью взаимодействия с верхним торцевым упором корпуса, при этом кожух снабжен торцевым упором с уплотнительными элементами, расположенным ниже бокового отверстия хвостовика, отличающийся тем, что в средней части хвостовика в горизонтальной плоскости выполнена сквозная цилиндрическая полость и продольные входной и выходной каналы из нее, при этом боковое входное отверстие выполнено тангенциально направленным в сторону средней части цилиндрической полости, а продольные каналы выполнены вертикально и тангенциально направленными в цилиндрическую полость и расположены по разные стороны от осевой линии хвостовика, при этом цилиндрическая полость с двух сторон перекрыта пробками, имеющими карманы, а внутри цилиндрической полости размещены ось, установленная в карманы пробок, и с возможностью вращения на ней односторонний перекрыватель бокового отверстия и продольных каналов хвостовика, выполненный с торцевой площадью, равной или больше площади поперечного сечения входного продольного канала и меньше площади поперечного сечения выходного продольного канала.

2. Скважинный штанговый насос по п.1, отличающийся тем, что в верхней части корпуса выполнена сквозная расточка, а верхний торцевой упор корпуса выполнен с возможностью контакта с расточкой и снабжен уплотнительными кольцами, при этом низ хвостовика снаружи торцевого упора кожуха снабжен стопорящим элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4