Глубинный плунжерный насос и способ защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости

Изобретение относится к насосной технике, используемой при добыче нефти, в частности к погружным скважинным насосам для подъема пластовой жидкости из глубоких скважин с высоким содержанием солей, агрессивных сред и твердых частиц. Глубинный плунжерный насос содержит корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб, управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры. Между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью, с образованием гидрозатвора. В управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный с колонной штанг. Верхняя часть плунжера размещена в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер. Разделительная камера заполнена буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости. В результате достигается повышение надежности работы глубинного плунжерного насоса и увеличение межремонтного ресурса его работы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к насосной технике, используемой при добыче нефти, в частности к погружным скважинным насосам для подъема пластовой жидкости из глубоких скважин с высоким содержанием солей, агрессивных сред и твердых частиц.

Известен скважинный электрогидроприводной насосный агрегат, содержащий погружной электродвигатель, приводной маслонасос, плунжерный рабочий насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, масляный бак с фильтрами тонкой очистки масла, компенсатор объемного расширения масла и гидродвигатель, над- и подпоршневая полости цилиндра которого подключены через распределитель к всасывающей и нагнетательной сторонам маслонасоса, также, на последней установлен предохранительный клапан, а поршень гидродвигателя соединен с плунжером рабочего насоса, причем цилиндр плунжерного рабочего насоса снабжен герметичной цилиндрической диафрагмой из эластичного материала, размещенной в цилиндре с образованием заполненной маслом полости, а плунжер рабочего насоса установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри этой полости (RU 52125 от 03.10.2005).

В этом насосе герметичная эластичная диафрагма, имеющая цилиндрическую форму, подвергается интенсивному знакопеременному растягиванию, что приводит к ее быстрому износу и выходу из строя. Кроме того, цилиндрическая форма диафрагмы не является удачной для растягивания.

Наиболее близким к изобретению является глубинный плунжерный насос, содержащий корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб, управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры, при этом между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора. (RU 2232260, 10.07.2004).

Этот насос является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату и взят за прототип.

Однако наличие подвижного разделителя усложняет конструкцию насоса. Кроме того, в разделителе имеются наружные и внутренние уплотнители, подверженные повышенному износу.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является полная изоляция и защита трущейся пары плунжер-цилиндр от воздействия откачиваемой жидкости и ее ингредиентов.

Технический результат заключается в повышении надежности работы глубинного плунжерного насоса, упрощении его конструкции и увеличении межремонтного периода работы.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в глубинном плунжерном насосе, содержащем корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб, управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры, между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора, в управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный с колонной штанг, верхняя часть плунжера размещена в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, при этом разделительная камера заполнена буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости.

Кроме того, в цилиндре образована полость, заполненная смазывающей жидкостью, например минеральным маслом.

В качестве буферной жидкости использована ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с перекачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей.

Полость в цилиндре, заполненная смазывающей жидкостью, связана с дополнительной питательной емкостью.

В крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, расположена в буферной жидкости.

Наружная поверхность плунжера, расположенная в буферной жидкости, покрыта материалом, не смачивающимся буферной жидкостью.

На концах плунжера установлены центраторы.

Длина плунжера равна или больше суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.

Кроме того, указанная техническая задача решается, а технический результат достигается также за счет применения в вышеописанном насосе способа защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости, заключающегося в уплотнении зазора между плунжером и цилиндром и смазке трущихся поверхностей смазывающей жидкостью; в управляющей камере своей нижней частью устанавливают плунжер, соединенный с колонной штанг, верхнюю часть плунжера размещают в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, и разделительную камеру заполняют буферной жидкостью.

В качестве буферной жидкости применяют ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающуюся с перекачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у откачиваемой и приводной жидкостей.

Применяют такой объем буферной жидкости, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, омывалась буферной жидкостью.

Длину плунжера выполняют равной или большей суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.

При проведении исследований было выявлено, что выполнение приемной камеры насоса в виде двух камер - насосной и управляющей, разделенных в нижней части гидрозатвором, заполненным буферной жидкостью с удельным весом выше, чем у откачиваемой и приводной жидкостей (в частности, ртутью, раствором бромида цинка - бромида кальция и др.), позволяет перекачивать сильно загрязненные жидкости с большим содержанием твердых частиц и агрессивные среды. Наличие в гидрозатворе не смешиваемой с откачиваемой и приводной жидкостями тяжелой буферной жидкости в виде жидкости или геля с большим удельным весом исключает попадание откачиваемой жидкости и ее ингредиентов из насосной камеры в буферную жидкость, а следовательно, и в приводную жидкость. Наличие тяжелой буферной жидкости в полости, где находится верхняя часть плунжера, устраняет контакт откачиваемой жидкости с внешней поверхностью плунжера, т.к. предотвращает попадание откачиваемой жидкости и ее ингредиентов в буферную жидкость, что, в свою очередь, уменьшает износ уплотнений и увеличивает срок службы насоса.

Глубинный плунжерный насос позволяет работать с высоковязкими нефтями, что расширяет возможности использования парка имеющихся станков-качалок. Насос может работать при меньшем поступлении откачиваемой жидкости, чем производительность насоса, вплоть до полного отсутствия откачиваемой жидкости и работы насоса «всухую» без его повреждений и перегрева. Исполнение обоих клапанов неподвижными и расположенными близко друг от друга, а также минимизация объема насосной камеры в конце процесса нагнетания уменьшают негативное влияние свободного газа. Вышеперечисленные преимущества предлагаемого насоса позволяют увеличить надежность и межремонтный период насоса, а также расширяют области его применения.

На фиг.1 схематически представлен продольный разрез предлагаемого насоса с глухим плунжером, на фиг.2 - вариант насоса с глухим плунжером, имеющим полость, заполненную смазывающей жидкостью.

Глубинный плунжерный насос с глухим плунжером (фиг.1) содержит корпус 1, насосную камеру 2 с всасывающим клапаном 3 и сообщенную при помощи нагнетательного клапана 4 с колонной насосно-компрессорных труб 5 управляющую камеру 6 с приводной жидкостью 7, отделенную при помощи перегородки 8 от насосной камеры 2. Насосная камера 2 и управляющая камера 6 соединены между собой гидравлически нижними частями через канал 9, образованный между нижней частью корпуса 1 и нижней частью перегородки 8. Нижние части насосной камеры 2 и управляющей камеры 6 заполнены расчетным объемом буферной жидкости 10 с образованием гидрозатвора через канал 9. В управляющей камере 6 своей нижней частью расположен плунжер 11, соединенный с колонной штанг 13. На верхнем и нижнем концах плунжера 11, а при необходимости и на штангах 13 установлены центраторы 12 из износоустойчивого материала, например из стеклонаполненного полиакриламида. Верхняя часть плунжера 11 размещена в разделительной камере 14, образованной над управляющей камерой 6 и отделенной от последней цилиндром 15 с кольцевым уплотнением 16, охватывающим плунжер 11. Разделительная камера 14 заполнена расчетным объемом тяжелой буферной жидкости 17.

Во втором варианте исполнения насоса с глухим плунжером (фиг.2) цилиндр 15 имеет полость 18, заполненную смазывающей жидкостью 19, и уплотнения 16 и 20 в нижней и верхней частях цилиндра 15 соответственно.

Аналогично, как и в первом варианте, разделительная камера 14 заполнена расчетным объемом тяжелой буферной жидкости 17, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера 11 его наружная поверхность, начиная от уплотнения 16, в пределах рабочего хода плунжера 11, омывалась буферной жидкостью 17. В случае повышенного расхода смазывающей жидкости 19 над насосом дополнительно устанавливается питательная емкость с аналогичной смазывающей жидкостью 19, имеющая гидравлический канал с полостью 18 (не показан).

Для вывода откачиваемой жидкости 21 из насосной камеры 2 в колонну насосно-компрессорных труб 5 и далее на поверхность имеется канал 22.

Объем буферной жидкости 17 в разделительной камере 14 в обоих вариантах исполнения насоса рассчитывается так, чтобы при крайнем верхнем положении плунжера 11 его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения 16, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, омывалась буферной жидкостью 17. В качестве приводной 7 и смазывающей 19 жидкостей может быть применено минеральное масло. В качестве буферной жидкости 17 могут быть использованы ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с откачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у откачиваемой и приводной жидкостей. Наружную поверхность плунжера 11, омываемую буферной жидкостью 17, предпочтительно покрыть материалом, не смачивающимся буферной жидкостью 17, но смачивающимся приводной 7 и смазывающей 19 жидкостями.

Насос работает следующим образом.

В начале всасывания откачиваемой жидкости из скважины (не показана) в управляющей камере 6 находится фиксированный и неизменный объемы приводной жидкости 7 и буферной жидкости 10 и минимальный объем откачиваемой жидкости 21, т.к. плунжер 11 находится в своей низшей точке. Буферная жидкость 17 над плунжером 11 также находится в своей низшей точке. По мере перемещения колонны штанг 13 вместе с плунжером 11 вверх увеличивается объем насосной камеры 2, что приводит к открытию всасывающего клапана 3, через который откачиваемая жидкость 21 начинает поступать в насосную камеру 2 из скважины. При достижении плунжером 11 своей верхней точки перемещения заполнение насосной камеры 2 откачиваемой из скважины жидкостью 21 прекращается, закрывается всасывающий клапан 3 и начинается процесс нагнетания.

При нагнетании, создаваемом движением колонны штанг 13 вниз вместе с плунжером 11, объем управляющей камеры 6 уменьшается и начинается выдавливание приводной жидкостью 7 буферной жидкости 9, а последняя, в свою очередь, давит на откачиваемую жидкость 21 в насосной камере 2, что приводит к повышению давления в насосной камере 2 и к открытию нагнетательного клапана 4. Как результат, откачиваемая жидкость 21 из насосной камеры 2 через нагнетательный клапан 4 поступает в колонну насосно-компрессорных труб 5 по обводному каналу 22. Далее, по колонне насосно-компрессорных труб 5 откачиваемая из скважины жидкость 21 поступает на поверхность. При достижении плунжером 11 своей низшей точки перемещения заканчивается цикл нагнетания и начинается описанный выше следующий цикл работы насоса. При верхнем и нижнем крайних положениях плунжера поверхности разделения буферной жидкости 10 с приводной жидкостью 7 и откачиваемой жидкостью 21 не доходят до нижнего среза перегородки 8 в целях сохранения функции гидрозатвора и предотвращения перетоков и последующего смешения приводной и откачиваемой жидкостей.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности при добыче различных жидких сред из скважин.

1. Глубинный плунжерный насос, содержащий корпус, насосную камеру с всасывающим клапаном и сообщенную при помощи нагнетательного клапана с колонной насосно-компрессорных труб, управляющую камеру с приводной жидкостью, отделенную при помощи перегородки от насосной камеры, при этом между насосной камерой и управляющей камерой образована полость, заполненная буферной жидкостью с образованием гидрозатвора, отличающийся тем, что в управляющей камере своей нижней частью расположен плунжер, соединенный с колонной штанг, верхняя часть плунжера размещена в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, при этом разделительная камера заполнена буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес перекачиваемой жидкости.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что в цилиндре образована полость, заполненная смазывающей жидкостью, например минеральным маслом.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферной жидкости использована ртуть, раствор бромида цинка - бромида кальция или жидкость, не смешивающаяся с перекачиваемой и приводной жидкостями, или гель, имеющие удельный вес выше, чем у перекачиваемой и приводной жидкостей.

4. Насос по п.2, отличающийся тем, что полость в цилиндре, заполненная смазывающей жидкостью, связана с дополнительной питательной емкостью.

5. Насос по п.1, отличающийся тем, что в крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, расположена в буферной жидкости.

6. Насос по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность плунжера, расположенная в буферной жидкости, покрыта материалом, не смачивающимся буферной жидкостью.

7. Насос по п.1, отличающийся тем, что на концах плунжера установлены центраторы.

8. Насос по п.7, отличающийся тем, что длина плунжера равна или больше суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.

9. Способ защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости в насосе по любому из пп.1-8, заключающийся в уплотнении зазора между плунжером и цилиндром и смазке трущихся поверхностей смазывающей жидкостью, отличающийся тем, что в управляющей камере своей нижней частью устанавливают плунжер, соединенный с колонной штанг, верхнюю часть плунжера размещают в разделительной камере, образованной над управляющей камерой и отделенной от последней цилиндром с, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением, охватывающим плунжер, и разделительную камеру заполняют буферной жидкостью.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что применяют такой объем буферной жидкости, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера, омывалась буферной жидкостью.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что длину плунжера выполняют равной или больше суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.