Глубинный штанговый насос
Изобретение предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности в скважинных штанговых насосных установках (СШНУ) для добычи высоковязкой, с повышенным содержанием парафина, нефти из наклонных скважин. Насос включает соединенный с колонной насосно-компрессорных труб цилиндр с приемным каналом, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый, соединенный с приводной колонной насосных штанг посредством штока с центратором и переходника плунжер. В нижнем конце плунжера расположен нагнетательный клапан с размещенным в корпусе последнего над седлом шариком. Насос снабжен преобразователем направления движения колонны насосных штанг, соединенным с колонной насосных штанг с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем с возможностью действия в пределах рабочего хода шарика нагнетательного клапана для своевременной принудительной посадки его в седло и отхода от шарика в ритме работы глубинного штангового насоса, его шток-толкатель выполнен весом, соответствующим расчетному значению усилия, необходимого для своевременной принудительной посадки шарика нагнетательного клапана в седло. Шток соединен с преобразователем направления движения колонны насосных штанг с возможностью посадки шарика нагнетательного клапана в седло с усилием расчетного значения. Шарик нагнетательного клапана выполнен пустотелым. Повышаются надежность работы и коэффициент полезного действия глубинного штангового насоса. 6 ил.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в скважинных штанговых насосных установках (СШНУ) для добычи высоковязкой, с повышенным содержанием парафина, нефти из наклонных скважин.
По конструктивным особенностям и функциональным признакам нагнетательного клапана наиболее близким аналогом является глубинный штанговый насос (патент RU 2211373 G1), включающий соединенный с колонной насосно-компрессорных труб цилиндр с приемным каналом, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый, соединенный с приводной колонной насосных штанг посредством штока с цилиндром и переходника плунжер, расположенный в нижнем конце плунжера нагнетательный клапан с размещенным в корпусе последнего над седлом шариком. Насос снабжен преобразователем направления движения колонны насосных штанг, соединенным с колонной насосных штанг с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем с возможностью действия в пределах рабочего хода шарика нагнетательного клапана для своевременной принудительной посадки его в седло и отхода от шарика в ритме работы глубинного штангового насоса. Шток-толкатель снабжен изолированным от агрессивной среды пружинным амортизатором, предохраняющим механизм преобразователя направления движения колонны насосных штанг от поломок в случаях попадания под шарик нагнетательного клапана какого-либо твердого предмета. Введение в конструкцию такого амортизатора приводит к ее осложнению.
Наличие в конструкции глубинного штангового насоса механизма принудительного закрытия нагнетательного клапана наводит на мысль об использовании облегченного, например, пустотелого шарика нагнетательного клапана, что обеспечило бы гарантийное своевременное открытие нагнетательного клапана (шарика, словно прилипшего к концу штока-толкателя в ритме работы насоса), положительно отражаясь на его коэффициент полезного действия.
Техническая задача состоит в упрощении конструкции и повышении коэффициента полезного действия глубинного штангового насоса.
Поставленная техническая задача достигается тем, что глубинный штанговый насос для добычи высоковязкой, с повышенным содержанием парафина нефти, включающий соединенный с колонной насосно-компрессорных труб цилиндр с приемным каналом, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый, соединенный с приводной колонной насосных штанг посредством штока с центратором и переходника плунжер, расположенный в нижнем конце плунжера нагнетательный клапан с размещенным в корпусе последнего над седлом шариком, снабженный преобразователем направления движения колонны насосных штанг, соединенным с колонной насосных штанг с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем с возможностью действия в пределах рабочего хода шарика нагнетательного клапана для своевременной принудительной посадки его в седло и отхода от шарика в ритме работы глубинного штангового насоса, его шток-толкатель выполнен весом, соответствующим расчетному значению усилия, необходимого для своевременного принудительной посадки шарика нагнетательного клапана в седло и соединен с преобразователем направления движения колонны насосных штанг с возможностью посадки шарика нагнетательного клапана в седло с усилием расчетного значения, причем шарик нагнетательного клапана выполнен пустотелым.
На фиг.1 изображена верхняя часть продольного разреза предложенного насоса в момент движения плунжера вверх; на фиг.2 - нижняя часть того же разреза насоса; на фиг.3 - вынесенное сечение на фиг.1; на фиг.4 - сечение по линии А-А на фиг.1; на фиг.5 - вынесенное сечение на фиг.1; на фиг.6 - продольный разрез насоса в момент движения плунжера вниз.
Цилиндр 1 (фиг.2) связан с колонной насосно-компрессорных труб 2 (НКТ) через муфту 3, снабжен приемным каналом 4 и заглушенным концом (не показан). В другом случае приемный канал 4 может быть представлен в виде приемного (всасывающего) клапана с центральным или боковым расположением в классическом его исполнении с "плавающим" шариком, седлом и т.д. Внутри цилиндра 1 установлен с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер 5, соединенный с приводной колонной насосных штанг 6 (фиг.1) через плунжерную муфту 7 (фиг.2) и переходник 8 (фиг.1). В нижнем конце плунжера 5 установлен нагнетательный клапан 9, выполненный в виде плавающего и пустотелого шарика, расположенного в клапанной полости корпуса 10 над седлом 11, зафиксированным держателем 12 седла. Насос снабжен приемным фильтром 13, установленным на уровне приемного канала 4 в цилиндре 1 посредством муфты 14.
Глубинный штанговый насос снабжен преобразователем направления движения колонны насосных штанг (в дальнейшем - преобразователь), установленным между плунжером 5 и колонной насосных штанг 6, выполненным в виде плоского механизма, состоящего из коромысла 15 (фиг.1, 4) с осью 16, расположенной в корпусе преобразователя 17. Концы коромысла 15 соединены шарнирно со штоком 18 и штоком-толкателем 19 посредством тяг 20, установленных шарнирно на соответствующих осях 21. Шток-толкатель 19, вес которого не меньше значения расчетного усилия, необходимого для принудительного закрытия шарика нагнетательного клапана, снабжен центраторами 22, 23 (фиг.1, 2), предусмотренными в корпусе 17 преобразователя и корпусе 10 нагнетательного клапана, соответственно. Центратор 22 расположен в корпусе 17 преобразователя с возможностью возвратно-поступательного движения в пределах рабочего хода шарика 9 нагнетательного клапана, имеет в нижнем конце внутреннюю расточку 24 под головку 25 штока-толкателя 19. В верхней части центратор 22 заканчивается сдвоенными ушками с отверстиями под ось 21.
Нижний конец корпуса 17 (фиг.1) преобразователя соединен с плунжерной муфтой 7 с наружной проточкой под сливаемую из НКТ жидкость, а верхний конец - накидным ограничителем 26 посредством резьбового соединения. Внутренняя полость накидного ограничителя 26 выполнена ступенчатой из цилиндрической 27 и квадратной 28 (фиг.1, 3) частей под соответствующие несущий кольцевой выступ 29 и квадрат 30 штока 18, соединенного в свою очередь с колонной насосных штанг 6 через переходник 8. Шток 18 и шток-толкатель 19 (фиг.1) в пределах рабочего хода шарика 9 нагнетательного клапана имеют возможность возвратно-поступательного движения в противоположных друг относительно друга направлениях благодаря связывающему их между собой плоскому механизму, преобразователю направления движения колонны насосных штанг 6. Квадратный разъем (фиг.3) штока 18 и накидного ограничителя 26 служит для передачи крутящего момента, передаваемого штанговращателем (не показан), установленным на устье скважины.
Для прохождения добываемой жидкости, создания условий для работы плоского механизма в корпусе 17 преобразователя предусмотрены внутренние 31 и наружные 32 пазы (фиг.1, 3, 4), а также отверстия 33. Каналы 34 предназначены для слива жидкости из НКТ при их подъеме на устье скважины в случаях обрыва, отворота насосных штанг и деталей плунжера. При этом необходимо, чтобы плунжер 5 (фиг.2) вместе с корпусом 17 преобразователя своим выступом 35 (фиг.1, 5) сел на кольцевой выступ 36 (фиг.2), предусмотренный в муфте 3. Тогда плунжер 5 оказывается ниже приемного канала 4 (фиг.2) и открывается путь для слива жидкости, находящейся в колонне НКТ.
Насос работает следующим образом.
Представим, что плунжер 5 (фиг.2), двигаясь вверх, дошел до верхней мертвой точки, как это изображено на фиг.1. При движении колонны насосных штанг 6 вниз шток 18 (фиг.1) также смещается вниз сначала относительно плунжера 5 (фиг.2) на величину рабочего хода шарика 9 нагнетательного клапана, т.к., во-первых, между плунжером 5 и цилиндром 1 имеет место значительная сила трения, во-вторых, плунжерная пара сама по себе инерционна и поэтому старается сохранить состояние покоя. При этом коромысло 15 (фиг.1) одновременно поворачивается на некоторый угол α и занимает положение 37, увлекая за собой вверх подвешенный на другом конце коромысла 15 центратор 22 со штоком-толкателем 19, зацепив последний за головку 25 (фиг.6). Пустотелый шарик 9 нагнетательного клапана неотступно следит за штоком-толкателем 19 и поднимается вверх, занимая положение "Открыто", что зависит от физико-химического состояния добываемой жидкости. Кольцевой выступ 29 штока 18 упирается в верхний торец корпуса 17 преобразователя и связанный с ним плунжер 5 приводится в движение вниз, поворачивая коромысло 15 на угол α из исходного положения (фиг.1) в положение 37 (фиг.6). При этом пустотелый шарик 9 нагнетательного клапана, если еще не открылся, то обязательно откроется и находящаяся в подплунжерной части цилиндра 1 жидкость через открытый нагнетательный клапан перетечет в надплунжерную полость, через предусмотренные в корпусе 17 преобразователя отверстия 33, внутренние 31 и наружные 32 (фиг.3, 4) пазы.
При движении колонны насосных штанг 6 (фиг.1, 2) вверх сначала шток 18 смещается вверх на величину рабочего хода шарика 9 нагнетательного клапана до соприкосновения несущего кольцевого выступа 29 с накидным ограничителем 26, причем одновременно коромысло 15 поворачивается вокруг своей оси 16 на угол α и занимает положение, изображенное на фиг.1, а шток-толкатель 19 вместе с центратором 22 опускается вниз на величину рабочего хода шарика 9 нагнетательного клапана, принудительно усаживая шарик 9 в его седло 11 (фиг.2). Если при этом под шарик 9 нагнетательного клапана попал какой-нибудь твердый предмет (кусок породы, металлическая стружка, град после электродуговой сварки, фрагмент внутреннего покрытия ПКТ и т.д.), то шток-толкатель 19 вместе с шариком 9 полностью не опускаются вниз, а занимают промежуточное положение 38 (фиг.1). Причина отказа нагнетательного клапана в подобных случаях устраняется в последующих циклах работы клапана, при легкооткрывающемся шарике 9 попавший под него мусор уносится потоком добываемой жидкости.
Дальнейшее движение колонны насосных штанг 6 (фиг.1) вместе с плунжером 5 (фиг.2) происходит при закрытом положении шарика 9 нагнетательного клапана на всем пути движения плунжера вверх до верхней мертвой точки, при котором происходит нагнетание надплунжерной жидкости в колонну НКТ 2 (фиг.2), а под плунжером 5 в цилиндре 1 создается вакуум. Но как только при движении вверх плунжер 5 проходит приемный канал 4, в цилиндре 1 происходит интенсивное его заполнение добываемой жидкостью через приемный канал 4, после чего колонна насосных штанг снова повторяет очередной цикл движения вниз и т.д. Далее процесс повторяется.
Нагнетательный клапан предложенного насоса управляется специальным преобразователем направления движения колонны насосных штанг упрощенной конструкции в сочетании с пустотелым шариком нагнетательного клапана, закрытие которого осуществляется принудительно и расчетным усилием в режиме работы насоса, что позволяет повысить надежность работы и коэффициент полезного действия глубинного штангового насоса.
Глубинный штанговый насос для добычи высоковязкой, с повышенным содержанием парафина нефти, включающий соединенный с колонной насосно-компрессорных труб цилиндр с приемным каналом, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый, соединенный с приводной колонной насосных штанг посредством штока с центратором и переходника плунжер, расположенный в нижнем конце плунжера нагнетательный клапан с размещенным в корпусе последнего над седлом шариком, снабженный преобразователем направления движения колонны насосных штанг, соединенным с колонной насосных штанг с одной стороны, а с другой - со штоком-толкателем с возможностью действия в пределах рабочего хода шарика нагнетательного клапана для своевременной принудительной посадки его в седло и отхода от шарика в ритме работы глубинного штангового насоса, отличающийся тем, что шток-толкатель выполнен весом, соответствующим расчетному значению усилия, необходимого для своевременной принудительной посадки шарика нагнетательного клапана в седло, и соединен с преобразователем направления движения колонны насосных штанг с возможностью посадки шарика нагнетательного клапана в седло с усилием расчетного значения, причем шарик нагнетательного клапана выполнен пустотелым.
