Скважинный штанговый насос

 

Насос предназначен для использования в нефтяном машиностроении для откачки нефти и других жидкостей из скважин. Содержит плунжер, шток плунжера, цилиндр, в котором установлены всасывающий и нагнетательный клапаны, а также направляющая штока плунжера с проточными окнами. Плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре глухих секций, связанных с штоком плунжера и друг с другом с возможностью свободного смещения и отклонения оси секции от оси штока плунжера и оси другой секции. Шток плунжера уплотнен в направляющей штока плунжера, а в проточных окнах направляющей штока плунжера установлен противопесочный фильтр. Значительно снижается износ трущихся поверхностей плунжера и цилиндра при сниженных требованиях к прямолинейности цилиндра. Повышается герметичность, ремонтопригодность конструкции и улучшаются условия работы низа колонны штанг. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано для откачки нефти и других жидкостей из скважин.

Известны скважинные штанговые насосы, у которых полый плунжер, жестко связанный посредством штока плунжера с колонкой штанг и снабженный нагнетательным клапаном, перемещается возвратно-поступательно в цилиндре, снабженном всасывающим клапаном (см. А. В.Беззубов, Ю.В. Щелкалин. Насосы для добычи нефти. -М. : Недра, 1986). По исполнению насосы делятся на невставные (трубные) и вставные. Вставные насосы спускаются в скважину на штангах и крепятся к лифтовым трубам с помощью замка вверху или внизу цилиндра.

Общим недостатком конструкции насосов являются высокая стоимость изготовления и снижение надежности в работе при искривлениях оси цилиндра, которые происходят как в процессе производства, так и эксплуатации.

Наиболее близок по технической сущности к заявляемому устройству скважинный штанговый насос (прототип), содержащий плунжер, шток плунжера, цилиндр, в котором установлены всасывающий и нагнетательный клапаны, а также направляющая штока плунжера с проточными окнами. По исполнению данный насос относится к вставным с замком внизу. Его особенностью является наличие дополнительного нагнетательного клапана, установленного внизу цилиндра над всасывающим клапаном (см. Справочник по эксплуатации нефтяных месторождений. Часть 1. -М. : Недра, 1964, стр. 227). Упомянутый клапан дублирует работу нагнетательного клапана, установленного в полости плунжера и предназначен для вымывания оседающего в кольцевом пространстве между лифтовыми трубами и цилиндром насоса песка. При ходе плунжера вниз, часть жидкости, находящаяся в цилиндре под плунжером, вытесняется через него в кольцевое пространство между лифтовыми трубами и насосом и далее поднимается по лифтовым трубам вверх.

Насос имеет высокую стоимость, поскольку сопрягаемые трущиеся поверхности цилиндра и плунжера изготавливаются с соблюдением высоких требований к прямолинейности оси и, кроме того, подвергаются специальной обработке для повышения твердости и чистоты. С увеличением длин цилиндра и плунжера, технологические трудности по обеспечению прямолинейности оси цилиндра возрастают в геометрической прогрессии, что соответственно отражается на стоимости изготовления. Очевидно, что дублирование нагнетательных клапанов удорожает конструкцию насоса. Снижение надежности работы насоса происходит в связи с повышением удельного давления в зоне контакта трущихся поверхностей при прохождении жесткого длинного плунжера по искривленному участку цилиндра. При этом возникнет полусухое и сухое трение, приводящие к отрыву и задиранию трущихся слоев. Между парой плунжер-цилиндр сначала образуется клинообразный зазор, в который затем обвально сбрасывается скапливающийся на входе в уплотнение песок и вызывает заклинивание насоса. Кроме того, повышенный износ на искривленных участках не только снижает герметичность насоса и повышает энергозатраты на добычу нефти, но и снижает ремонтопригодность насоса. Вероятность эксплуатации насосов с сверхнормативными искривлениями весьма велика не только в связи с сложностями и высокой стоимостью входного контроля прямолинейности оси цилиндра, но и в связи с возникновением таких искривлений в процессе транспортировки и спуска насоса в скважину.

Известным способом снижения удельных давлений между трущимися поверхностями пары плунжер-цилиндр является использование укороченного плунжера. Однако при этом снижается герметичность насоса. А последовательное соединение нескольких полых укороченных плунжеров приводит к значительному возрастанию стоимости изготовления насоса, так как соответственно числу плунжеров увеличиваются количество нагнетательных клапанов и длина цилиндра.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы насоса при возникновении искривлений оси цилиндра, снижение стоимости изготовления и эксплуатационных затрат, расширение условий эффективного применения насоса.

Указанная цель достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем плунжер, шток плунжера, цилиндр, в котором установлены всасывающий и нагнетательный клапаны, а также направляющая штока плунжера с проточными окнами, плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре глухих секций, связанных со штоком плунжера и друг с другом с возможностью свободного смещения и отклонения оси секции от оси штока плунжера и оси другой секции. Шток плунжера уплотнен в направляющей штока плунжера, а в проточных окнах направляющей штока плунжера установлен противопесочный фильтр.

На фиг. 1 показан насос в такте всасывания жидкости, происходящем при ходе плунжера вверхж; на фиг. 2 - в такте нагнетания, происходящем при ходе плунжера вниз. Стрелки показывают направления движения жидкости при работе насоса.

Насос состоит из следующих основных узлов: цилиндр 3 с установленными в его нижней части всасывающим 1 и нагнетательным 2 клапанами; плунжер, состоящий из соединенных со штоком плунжера 5 и между собой с возможностью смещения и отклонения осей глухих секций 4. Для наглядности на фиг. 1 и 2 представлены различные варианты исполнения насосов. У насоса трубного исполнения (фиг. 1) цилиндр 3 снабжен всасывающим и нагнетательным клапанами с увеличенными проходными сечениями и имеет стационарное соединение с лифтовыми трубами 7. У насоса вставного исполнения (фиг. 2) цилиндр 3 соединен с лифтовыми трубами 7 с помощью замкового соединения 12. Кроме того, он имеет направляющую штока плунжера 8 с уплотнением 9 и проточными окнами 10, которые закрыты противопесочным фильтром 11. При спуске насосов в скважину шток плунжера 5 верхним концом присоединяется к нижнему концу колонны штанг 6, которая своим верхним концом присоединяется к наземному приводу (не показан).

При работе в скважине насос погружен под уровень жидкости. Наземный привод сообщает колонне штанг 6, штоку плунжера 5 и присоединенным к нему секциям плунжера 4 возвратно-поступательные движения в цилиндре 3 вверх-вниз. При ходе вверх всасывающий клапан 1 открыт, а нагнетательный 3 закрыт (фиг. 1). Жидкость из скважины поступает в освобождаемое плунжером пространство цилиндра 3. При этом жидкость, находящаяся над плунжером, вытесняется вверх в лифтовые трубы 7. Во вставном насосе (фиг. 2) она проходит через проточные окна 10 направляющей штока плунжера 8 и противопесочный фильтр 11. При ходе вниз всасывающий клапан 1 закрыт, а нагнетательный 2 открыт (фиг. 2). Жидкость, находящаяся под плунжером, вытесняется в кольцевое пространство между цилиндром 3 насоса и лифтовыми трубами 7 и далее поднимается по лифтовым трубам 7 вверх. Часть жидкости при этом поступает в освобождаемое плунжером пространство цилиндра над плунжером. Во вставном насосе (фиг. 2) она проходит через противопесочный фильтр 11, установленный в проточных окнах 10 направляющей штока плунжера 8, который препятствует попаданию в это пространство песка.

По сравнению с аналогами и прототипом изобретение обеспечивает ряд преимуществ, перечисляемых ниже.

1. Перемещаясь в цилиндре, оси укороченных глухих секций плунжера будут занимать положения, совпадающие с изгибами и смещениями осей цилиндра. При этом удельные давления в зонах контакта трущихся поверхностей будут существенно снижены. Это позволяет не только повысить надежность работы насоса, но и снизить требования к прямолинейности цилиндра и этим уменьшить стоимость его изготовления.

2. Конструкция позволяет осуществить эффективную защиту уплотнения плунжера от попадания песка использованием противопесочного фильтра, установленного в проточных окнах направляющей штока плунжера (при наличии в плунжере нагнетательного канала этот способ не может быть применен).

3. Конструкция обеспечивает более высокую герметичность насоса и дольше ее сохраняет в связи с снижением темпов износа трущихся поверхностей, что позволяет снизить энергозатраты на добычу нефти.

4. Насос улучшает условия работы низа колонны штанг благодаря: а) снижению удельных давлений и возникающих при этом сил трения в зонах контакта трущихся поверхностей плунжера и цилиндра; б) утяжелению плунжера и штока плунжера (в связи с отсутствием нагнетательного канала в плунжере диаметр штока плунжера может быть увеличен); в) увеличению диаметра седла нагнетательного клапана (см. фиг. 1).

5. Насос имеет лучшую ремонтопригодность, которая обусловлена более равномерным изнашиванием цилиндра по длине в связи с снижением удельных давлений в зонах контакта трущихся поверхностей на искривленных участках цилиндра. Благодаря простоте конструкции секции плунжера могут быть изготовлены в ремонтных мастерских нефтедобывающего предприятия.

6. Насос имеет более широкий диапазон применения: а) по высоте подъема жидкости; б) по кривизне ствола скважины; в) по вязкости откачиваемой жидкости; г) по содержанию песка в откачиваемой жидкости.

Формула изобретения

1. Скважинный штанговый насос, содержащий плунжер, шток плунжера, цилиндр, в котором установлены всасывающий и нагнетательный клапаны, а также направляющая штока плунжера с проточными окнами, отличающийся тем, что плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре глухих секций, связанных со штоком плунжера и друг с другом с возможностью свободного смещения и отклонения оси секции от оси штока плунжера и оси другой секции.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что шток плунжера уплотнен в направляющей штока плунжера, а в проточных окнах направляющей штока плунжера установлен противопесочный фильтр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2