Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, используемым для поднятия высоковязкой нефти на поверхность. Насос содержит цилиндр, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор. Нагнетательный клапан подвижно расположен на колонне штанг между упором и плунжером и выполнен кольцевым с диаметром, превышающим диаметр плунжера. Всасывающий клапан сообщает надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством. Ограничитель хода вверх нагнетательного клапана выполнен в виде цанги, установленной в колонне труб. Плунжер выполнен полым. Всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх. Нагнетательный клапан изнутри снабжен тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие цанги ограничителя хода. Повышается надежность в работе из-за принудительно закрывающихся и открывающихся нагнетательного и всасывающего клапанов, упрощено обслуживание за счет возможности подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми клапанами. Изобретение может быть использовано при работе в скважинах со сложным профилем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, используемым для поднятия высоковязкой нефти на поверхность.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном, полый плунжер с нагнетательным клапаном, размещенный в цилиндре и разделяющий его полость на всасывающую и нагнетательную полости, и отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера, при этом часть всасывающей полости цилиндра образована его внутренней поверхностью, охватывающей нижний конец плунжера и имеющей диаметр, превышающий диаметр наружной поверхности плунжера, а отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера выполнены в стенке нижнего конца плунжера (патент RU №2340792, МПК F04B 47/00, опубл. 10.12.2008).

Однако наличие на нижнем конце цилиндра внутренней полости, имеющей больший диаметр, чем у плунжера данного насоса, значительно увеличивает металлоемкость конструкции, следовательно, повышает стоимость изделия и снижает коэффициент полезного действия (КПД) установки, так как при нахождении бокового отверстия плунжера в зоне расширения цилиндра во время рабочего хода работа по поднятию жидкости не осуществляется. При работе с сильногазированными жидкостями (например, летучей нефтью или газоконденсатом) происходит резкое падение пластового давления, что нежелательно для освоения пласта. Кроме того, при необходимости обслуживания и/или ремонта насоса необходимо поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами, что требует дополнительных затрат на обслуживание при работе с высоковязкими нефтями, содержащими парафины, асфальтены и смолы. А работа клапанов только под действием собственного веса и потока жидкости с высоковязкими нефтями приводит к их быстрому выходу из строя (всплытию клапанов и залипанию в верхнем - открытом положении).

Наиболее близким аналогом является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной и подплунжерной камер и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, выполненный в виде цанги, установленной в колонне труб (патент RU №1588024, МПК F04B 47/02, опубл. 27.03.1996).

Однако размещение всасывающего клапана известного насоса на боковой поверхности цилиндра с малыми в поперечном сечении пропускными каналами из-за ограниченного внутренним диаметром скважины расстояния от наружной стенки цилиндра приводит к быстрой кольматации при работе с высоковязкими нефтями, содержащими парафины, асфальтены и смолы, после чего необходимо для обслуживания и/или ремонта насоса поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами, что требует дополнительных затрат на спуско-подъемные операции. Кроме того, нагнетательный и всасывающий клапаны работают только под действием собственного веса и потока жидкости, что при работе с высоковязкими нефтями приводит к быстрому их выходу из строя (всплытию клапанов и залипанию в верхнем - открытом положении). Также известный насос не может быть использован в скважинах со сложным, в том числе с наклонным и/или горизонтально-наклонным, профилем из-за наличия шарикового самодействующего всасывающего клапана и не отцентрированного нагнетательного клапана, так как самодействующие клапаны в таких условиях работают ненадежно, а штанги располагаются с отклонением от центра цилиндра, что приведет к невозможности герметичного закрытия нагнетательного кольцевого клапана.

Задачей настоящего изобретения является создание надежного в работе и простого в обслуживании насоса с высоким КПД и расширенными технологическими возможностями.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является возможность подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми принудительно закрывающимися и открывающимися клапанами, а также работы с высоковязкими нефтями и в скважинах со сложным профилем.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе для добычи высоковязкой нефти, содержащем цилиндр, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, выполненный в виде цанги, установленной в колонне труб, согласно изобретению плунжер выполнен полым, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, при этом нагнетательный клапан изнутри снабжен тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие цанги ограничителя хода.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что нагнетательный клапан может быть оснащен центратором, расположенным между надплунжерной камерой и цангой ограничителя хода.

На чертеже изображен предлагаемый скважинный штанговый насос.

Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти содержит цилиндр 1, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб 2 (техническое соединение на чертеже не показано), полый плунжер 3, размещенный в цилиндре 1 с образованием надплунжерной камеры 4 и соединенный с колонной штанг 5, имеющей упор 6, нагнетательный клапан 7, подвижно расположенный на колонне штанг 5 между упором 6 и плунжером 3 и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера 3, всасывающий клапан 8, сообщающий надплунжерную камеру 4 с внутрискважинным пространством 9, и ограничитель хода вверх нагнетательного клапана 7, выполненный в виде цанги 10, установленной в колонне труб 2. Всасывающий клапан 8 оснащен толкателем 11, жестко соединенным с колонной штанг 5 и вставленным внутрь плунжера 3 с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом 12 толкателя 11, а снизу - всасывающим клапаном 8, перекрывающим полость 13 плунжера 3 при перемещении вверх. А нагнетательный клапан 7 изнутри снабжен тормозом 14, взаимодействующим с колонной штанг 5 с усилием, не превосходящим усилие цанги 10 ограничителя хода. Тормоз 14 может быть изготовлен любой известной конструкции, например, в виде показанных условно и надетых совместно с нагнетательным клапаном 7 с натягом на колонну штанг 5: набора фрикционных накладок (медных сегментов), пружинных (разрезных) колец, эластичных (резиновых или полиуретановых) колец и/или магнитных наборных сегментов, зафиксированных и поджатых контрирующим винтом 15. Несанкционированные перетоки жидкости через нагнетательный клапан 7 исключаются при помощи его уплотнительных колец 16. Кроме того, нагнетательный клапан 7 может быть оснащен центратором 17, расположенным между надплунжерной камерой 4 и цангой 10 ограничителя хода.

Описываемый насос работает следующим образом.

В скважину (не показана) спускают колонну труб 2 с цангой 10 ограничителя хода и цилиндром 1 в необходимый интервал установки. Затем в колонну труб 2 на колонне штанг 5 спускают плунжер 3 с толкателем 11 и клапанами 7, 8 до входа плунжера 3 в цилиндр 1 и прохождения нагнетательным клапаном 7 цанги 10 ограничителя хода под действием веса колонны штанг 5 и при помощи упора 6, опирающегося сверху на нагнетательный клапан 7. Спуск колонны штанг 5 осуществляют до взаимодействия нагнетательного клапана 7 с цилиндром 1, что отмечается на индикаторе веса (не показан) на устье скважины снижением веса колонны штанг 5. После чего на устье скважины колонну штанг 5 присоединяют к приводу (например, станок-качалка или цепной привод - не показан), который придает колонне штанг 5 возвратно-поступательное движение, передающееся через толкатель 11 на плунжер 3. При перемещении колонны штанг 5 вверх относительно цилиндра 1 всасывающий клапан 8 перекрывает полость 13 плунжера 3 и тянет его вверх за колонной штанг 5. В результате в надплунжерной камере 4 создается избыточное давление по отношению к столбу высоковязкой нефти, находящемуся в колонне труб 2. Нагнетательный клапан 7 под действием этого избыточного давления и тормоза 14 открывается - поднимается над цилиндром 1, и высоковязкая нефть из надплунжерной камеры 4 поступает в колонну труб 2. Во время своего подъема нагнетательный клапан 7 упирается в цангу 10 ограничителя хода и останавливается, преодолевая усилие тормоза 14, в то время как колонна штанг 5 перемещается вверх. При перемещении колонны штанг 5 вниз относительно цилиндра 1 нагнетательный клапан 7 под действием тормоза 14 вместе с колонной штанг 5 принудительно опускается к цилиндру 1 и закрывается, перекрывая сообщение между колонной труб 2 и надплунжерной камерой 4 и дополнительно прижимаясь к цилиндру 1 при помощи столба высоковязкой нефти в колонне труб 2. Одновременно всасывающий клапан 8 перемещается вниз вместе с толкателем 11 и плунжером 3. Затем под действием создаваемого разрежения в надплунжерной камере 4 плунжер 3 останавливается, а всасывающий клапан 8 с колонной штанг 5 перемещается вниз и принудительно открывает полость 13 плунжера 3, сообщая надплунжерную камеру 4 с внутрискважинным пространством 9. После чего наружный выступ 12 толкателя 11 упирается в плунжер 3 (например, через упор-центратор 18) и перемещает его с колонной штанг 5 вниз относительно цилиндра 1. Высоковязкая нефть через полость 13 плунжера 3 снизу цилиндра 1 перетекает в надплунжерную камеру 4, заполняя ее. Далее возвратно-поступательное перемещение колонны штанг 5 продолжается. В результате высоковязкая нефть по колонне труб 2 поднимается на поверхность (не показана). Для исключения неплотного закрытия нагнетательного клапана 7 при работе насоса в скважинах со сложным профилем (например: наличие искривленных, наклонных и/или наклонно-горизонтальных участков), когда штанги 5 могут располагаться при работе не соосно с цилиндром 1, используется центратор 17.

Благодаря принудительному закрытию и открытию клапанов 7 и 8 возможность их выхода из строя (негерметичного закрывания или неоткрывания из-за всплытия и/или залипания) снижается до трех раз (что было выявлено при стендовых испытаниях).

При необходимости проведения ремонтных работ (до 90% случаев из-за выхода из строя клапанов 7 и/или 8) или при плановом обслуживании насоса из скважины извлекают на колоне штанг 5 плунжер 3 с толкателем 11 и клапанами 7 и 8, преодолевая усилие цанги 10 ограничителя хода для прохода нагнетательного клапана 7 при помощи наружного выступа 12, упирающегося в клапан 7 снизу. При этом поднятие цилиндра 1 с колонной труб 2 не обязательно, что убыстряет, упрощает и удешевляет ремонтные работы и/или плановое обслуживание скважинного насоса.

Таким образом, предлагаемый скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти надежен в работе из-за принудительно закрывающихся и открывающихся нагнетательного и всасывающего клапанов, прост в обслуживании за счет возможности подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми клапанами и может быть использован при работе в скважинах со сложным профилем.

1. Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти, содержащий цилиндр, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, выполненный в виде цанги, установленной в колонне труб, отличающийся тем, что плунжер выполнен полым, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, при этом нагнетательный клапан изнутри снабжен тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие цанги ограничителя хода.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что нагнетательный клапан оснащен центратором, расположенным между надплунжерной камерой и цангой ограничителя хода.