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 цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части. В цилиндре размещен полый цилиндрический плунжер с выпускными отверстиями в верхней части и нагнетательным клапаном в нижней части. Уплотнительное устройство выполнено в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами. В верхней части цилиндра за кольцевыми выступами, в месте выхода плунжера из цилиндра, образована разделительная камера, заполненная буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости. В крайнем нижнем положении плунжера поверхность контакта буферной жидкости с откаченной жидкостью должна находиться ниже выпускных отверстий в плунжере. Происходит частичная изоляция и защита трущейся пары плунжер-цилиндр от воздействия откачиваемой жидкости и ее ингредиентов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 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.

Наиболее близким к изобретению является глубинный плунжерный насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части, размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, при этом уплотнительное устройство выполнено в виде замкнутой полости, заполненной маслом, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами, выполненными на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, взаимодействующими с боковой цилиндрической поверхностью плунжера, при этом замкнутая полость сообщена посредством канала с масляным баком, установленным выше цилиндра, а длина плунжера равна или больше суммы длин замкнутой полости и максимального хода плунжера (см. патент RU №2369775, F04B 47/00 от 06.08.2008).

Однако прямой контакт плунжера, особенно его верхней части, с откачиваемой жидкостью приводит его и уплотнение к интенсивному износу, что снижает надежность работы плунжерного насоса.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является частичная 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, повышении работоспособности уплотнений и увеличении межремонтного периода работы.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части устройства как объекта изобретения за счет того, что глубинный плунжерный насос содержит цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части, размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер с выпускными отверстиями в верхней части и нагнетательным клапаном в нижней части, уплотнительное устройство в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, причем в верхней части цилиндра за кольцевыми выступами, в месте выхода плунжера из цилиндра, образована разделительная камера, заполненная буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости, при этом в крайнем нижнем положении плунжера поверхность контакта буферной жидкости с откаченной жидкостью должна находиться ниже выпускных отверстий в плунжере.

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

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

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

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

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

На концах плунжера предпочтительно установлены центраторы.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части устройства как объекта изобретения за счет того, что способ защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости в описанном выше насосе заключается в уплотнении плунжера и смазке его трущихся поверхностей смазывающей жидкостью, при этом верхнюю часть плунжера размещают в разделительной камере, образованной в верхней части цилиндра за кольцевыми выступами в месте выхода плунжера из цилиндра, которую заполняют буферной жидкостью, а плунжер охватывают, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением.

В качестве буферной жидкости применяют, как правило, 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 уплотнения, в пределах, по крайней мере, рабочего хода плунжера омывалась буферной жидкостью.

Наличие тяжелой буферной жидкости (например, ртути, раствора бромида цинка - бромида кальция и др.) над верхней частью плунжера устраняет контакт откачиваемой жидкости с внешней поверхностью плунжера и позволяет перекачивать сильно загрязненные жидкости с большим содержанием твердых частиц и агрессивные среды, 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. При потере буферной жидкости насос продолжит работу в режиме обычного плунжерного насоса. Вышеперечисленные преимущества предлагаемого насоса позволяют увеличить надежность и межремонтный период насоса, а также расширить области его применения.

На чертеже схематически представлен продольный разрез предлагаемого насоса. Наличие жидкости в камерах и полостях показано стрелками.

Глубинный плунжерный содержит корпус 1, насосную камеру 2 с всасывающим клапаном 3 и сообщенную при помощи нагнетательного клапана 4 с колонной насосно-компрессорных труб 5. В насосной камере 2 своей нижней частью расположен полый плунжер 6, соединенный с колонной штанг 7. Разделительная камера 8 заполнена расчетным объемом буферной жидкости 9, чтобы в крайнем верхнем положении плунжера 6 его наружная поверхность, начиная от верхнего уплотнения 10, в пределах рабочего хода плунжера 6 омывалась буферной жидкостью 9.

Цилиндр 12 имеет полость 13, заполненную смазывающей жидкостью 14, и уплотнения 10 и 15 в верхней и нижней частях цилиндра 12 соответственно. В случае повышенного расхода смазывающей жидкости 14 над насосом дополнительно устанавливается питательная емкость с аналогичной смазывающей жидкостью 14, имеющая гидравлический канал с полостью 13 (не показан). На верхнем и нижнем концах плунжера, а при необходимости и на штангах установлены центраторы 16 из износоустойчивого материала, например из стеклонаполненного полиакриламида.

Линия контакта буферной жидкости 9 с откачанной из скважины жидкостью 11 в крайнем нижнем положении плунжера 6 не должна быть выше выполненных в верхней части плунжера 6 выпускных отверстий.

В начале всасывания откачиваемой жидкости из скважины плунжер 6 находится в своей низшей точке. По мере перемещения колонны штанг 7 вверх плунжер 6 также перемещается вверх и увеличивается объем насосной камеры 2, что приводит к открытию всасывающего клапана 3, через который откачиваемая жидкость 11 начинает поступать в насосную камеру 2 из скважины. Откачиваемая жидкость 11 при закрытом нагнетательном клапане 4 и движении плунжера 6 вверх поступает в колонну насосно-компрессорных труб 5. Далее, по колонне насосно-компрессорных труб 5 откачиваемая из скважины жидкость 11 поступает на поверхность. При достижении плунжером 6 своей верхней точки перемещения заполнение насосной камеры 2 откачиваемой из скважины жидкостью 11 прекращается, закрывается всасывающий клапан 3 и начинается процесс нагнетания.

При нагнетании, создаваемом движением колонны штанг 7 вниз с плунжером 6, объем насосной камеры 2 уменьшается, что приводит к повышению давления в насосной камере 2 и, соответственно, к закрытию всасывающего клапана 3 и к открытию нагнетательного клапана 4. Как результат, откачиваемая жидкость 11 из насосной камеры 2 через нагнетательный клапан 4 поступает в полую часть плунжера 6 и через нее в колонну насосно-компрессорных труб 5. При достижении плунжером 6 своей низшей точки перемещения заканчивается процесс нагнетания и начинается описанный выше следующий цикл работы насоса.

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

1. Глубинный плунжерный насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части, размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер с выпускными отверстиями в верхней части и нагнетательным клапаном в нижней части, уплотнительное устройство в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, отличающийся тем, что в верхней части цилиндра за кольцевыми выступами в месте выхода плунжера из цилиндра образована разделительная камера, заполненная буферной жидкостью с удельным весом, превышающим удельный вес откачиваемой жидкости, при этом в крайнем нижнем положении плунжера поверхность контакта буферной жидкости с откачанной жидкостью должна находиться ниже выпускных отверстий в плунжере.

2. 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 откачиваемой и приводной жидкостей.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что полость в цилиндре, заполненная смазывающей жидкостью, связана с дополнительной питательной емкостью.

4. 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.

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

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

7. Насос по п.6, отличающийся тем, что длина плунжера равна или больше суммы длин рабочего хода плунжера, цилиндра и центраторов на плунжере.

8. Способ защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости в насосе по любому из пп.1-7, заключающийся в уплотнении плунжера и смазке его трущихся поверхностей смазывающей жидкостью, отличающийся тем, что верхнюю часть плунжера размещают в разделительной камере, образованной в верхней части цилиндра за кольцевыми выступами в месте выхода плунжера из цилиндра, которую заполняют буферной жидкостью, а плунжер охватывают, по крайней мере, одним кольцевым уплотнением.

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