Насос тима-штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти (варианты)

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к добыче высоковязкой песчаной нефти, и может быть использовано для добычи любой пластовой жидкости из наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Насос содержит цилиндр с размещенным в нем плунжером и со всасывающим шаровым клапаном. Плунжер имеет полую втулку и клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном. Клапанная каретка соединена с колонной насосных штанг и полой втулкой. Плунжер снабжен компрессионными кольцами, золотниковым механизмом для принудительного закрытия нагнетательного клапана. Золотниковый механизм состоит из ползуна и толкателя. Ползун взаимодействует с внутренней стенкой цилиндра, а толкатель - с нагнетательным клапаном. Полая втулка плунжера снабжена пружиной, которая взаимодействует с компрессионными кольцами. На нижних концах цилиндра и плунжера размещены постоянные магниты. Нижний конец полой втулки выполнен в виде конуса с кольцевой острой кромкой, а на верхнем конце клапанной каретки выполнены клиновидные скребковые кромки. Ползун золотникового механизма снабжен фрикционными кольцами или пластинками. Штанговый насос может быть выполнен с резиновой втулкой, размещенной на полой втулке плунжера. Штанговый насос может быть выполнен с плунжером, снабженным спиральной компрессионной пружиной, взаимодействующей с внутренней стенкой цилиндра насоса. Увеличивается надежность и долговечность работы. Повышается коэффициент наполнения и подачи путем исключения отказа работы нагнетательного шарового клапана. 3 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к добыче высоковязкой песчаной нефти и может быть использовано для добычи любой пластовой жидкости.

Известны штанговые насосы с принудительным открытием и закрытием нагнетательного клапана от движения колонны насосных штанг (А.С. СССР №987175, F04B 42/02; А.С. СССР №1675577, F04В 42/02; Патент RU 2213261 С1, 27.09.2003; Патент США №5407333, F04В 47/00).

Недостатком этих устройств является сложность конструкций, низкая износостойкость, заклинка плунжера при добыче нефти с содержанием песка.

В качестве аналога выбрано устройство, предназначенное для перекачивания высоковязкой нефти с механическими примесями, содержащее цилиндр со всасывающим шаровым клапаном, плунжер с полой втулкой и компрессионными кольцами, клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном, соединенной с полой втулкой и колонной штанг (см. RU 90143 U1, 27.12.2009).

Недостатком аналога, как и других известных устройств, является сложность конструкции и его сборки, низкая износостойкость и долговечность. Главным недостатком аналога является заклинка плунжера при добыче нефти с содержанием песка.

Указанные недостатки аналога устраняются в заявленном изобретении.

Задачей и техническим результатом изобретения является разработка и создание работоспособной конструкции и высокоэффективного, надежного насоса для добычи высоковязкой нефти с большим содержанием песка.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в конструкции штангового насоса для добычи высоковязкой песчаной нефти, содержащий цилиндр со всасывающим шаровым клапаном, плунжер с полой втулкой и компрессионными кольцами, клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном, соединенную с полой втулкой и колонной штанг, согласно изобретению плунжер снабжен золотниковым механизмом, который состоит из ползуна и толкателя. Ползун взаимодействует со стенкой цилиндра, а толкатель взаимодействует с шаром нагнетательного клапана. Кроме того, плунжер снабжен пружиной, установленной на полой втулке и взаимодействующей с внутренней поверхностью компрессионных колец. При этом наружный диаметр пружины выполнен больше внутреннего диаметра компрессионных колец. Кроме того, цилиндр и плунжер насоса снабжены постоянными магнитами. Они размещены на нижних концах цилиндра и втулки плунжера. Нижний конец втулки плунжера выполнен с поверхностью в виде конуса с кольцевой острой кромкой. На верхнем конце клапанной каретки выполнены клиновидные скребковые кромки. Ползун золотникового механизма снабжен фрикционными кольцами или фрикционными пластинками.

По второму варианту, плунжер штангового насоса снабжен резиновой втулкой и предусматривает исполнение резиновой втулки плунжера с выступом, выполненным по винтовой линии, который взаимодействует с внутренней поверхностью компрессионных колец.

По третьему варианту, плунжер штангового насоса снабжен компрессионным узлом, содержащим спиральную компрессионную пружину и уплотнительные кольца. Спиральная компрессионная пружина взаимодействует с внутренней стенкой цилиндра. Нижний конец спиральной компрессионной пружины закреплен к полой втулке плунжера, а верхней ее конец выполнен с возможностью осевого перемещения. Причем наружный ее диаметр выполнен больше внутреннего диаметра цилиндровой втулки. Уплотнительные кольца установлены между полой втулкой плунжера и спиральной компрессионной пружиной. Кроме того, спиральная компрессионная пружина может быть выполнена в виде двух и более спиральных пружин, взаимодействующих с внутренней стенкой цилиндра и резиновыми кольцами.

Обоснование некоторых отличительных признаков

В предложенном устройстве в отличие от прототипа плунжер снабжен золотниковым механизмом, который состоит из ползуна, взаимодействующего с внутренней стенкой цилиндра и толкателя, взаимодействующего с шаром нагнетательного клапана. Золотниковый механизм служит для принудительного закрытия нагнетательного клапана. Усилие, необходимое для закрытия шарового клапана, обеспечивается силой трения между ползуном и цилиндром.

Кроме того, плунжер снабжен пружиной, установленной на полой втулке и взаимодействующей с внутренней поверхностью компрессионных колец. Пружина служит для контактирования (прижатия) компрессионных колец к рабочей (внутренней) поверхности цилиндра. При этом каждое кольцо под определенным сектором, в зависимости от шага пружины, прижимается к стенке цилиндра. По мере износа трущихся поверхностей колец и цилиндра, пружина будет прижимать кольца к поверхности цилиндра, обеспечивая герметичность трущихся пар. При этом полностью устраняется утечка между плунжером и цилиндром.

На нижних концах (на входе) цилиндра и плунжера установлены постоянные магниты. Это обусловлено тем, что магнитные силовые линии уменьшают водородную связь между молекулами углеводорода. Это приводит к снижению вязкости добываемой нефти в зоне работы клапанной пары. Кроме того, магнитное поле способствует снижению парафино-смолистых отложений.

Нижний конец втулки плунжера выполнен с поверхностью в виде конуса с кольцевой острой кромкой. Такая форма выполнения втулки способствует удалению песка из вязкого подслоя пристенной зоны цилиндра. Тем самым песчаная нефть из пристенной зоны цилиндра попадает в поток и предотвращается попадание песка в зазор между плунжером и цилиндром при ходе плунжера «вниз».

На верхнем конце клапанной каретки выполнены клиновидные скребковые кромки. Это обусловлено тем, что при ходе плунжера «вверх» клиновидные скребковые кромки удаляют песок из пристенной зоны цилиндра и предотвращают их попадание в зазор между плунжером и цилиндром при ходе плунжера «вверх».

По второму варианту, плунжер снабжен резиновой втулкой, выполненной с выступом по винтовой линии. Это обусловлено тем, что резиновый выступ, выполненный по винтовой линии, взаимодействует с внутренней поверхностью компрессионных колец. При этом каждое компрессионное кольцо под определенным сектором, в зависимости от шага винтового выступа, прижимается к стенке цилиндра, обеспечивая герметичность зазора между плунжером и цилиндром.

По третьему варианту, плунжер снабжен компрессионным узлом, содержащим спиральную компрессионную пружину, наружный диаметр которой больше внутреннего диаметра цилиндра и уплотнительные кольца. Такое техническое решение обеспечивает надежную герметичность между плунжером и цилиндром насоса, даже при эксплуатации с большим диаметральным износом их трущихся поверхностей. Это достигается за счет увеличенного диаметра компрессионной пружины и упругости ее спиральных витков.

Уплотнительные кольца, установленные между полой втулкой плунжера и компрессионной пружиной, обеспечивают между ними надежную герметичность и предотвращают утечки между спиральными витками.

Выполнение компрессионной пружины в виде двух и более спиральных пружин обусловлено технологичностью их изготовления и ремонта, т.к. в процессе эксплуатации интенсивному износу подвергается верхняя часть компрессионного узла.

Все отличительные признаки, приведенные в техническом решении, служат для выполнения поставленной задачи и достижения технического результата путем повышения надежности и долговечности штангового насоса при работе в осложненных условиях с большим содержанием механических примесей, песка, АСПО, при высокой вязкости нефти, с большим газовым фактором и в наклонно-направленных скважинах.

Сущность изобретения поясняется приведенными фигурами.

На фиг.1 изображен общий вид штангового насоса в разрезе; на фиг.2 показана клиновидная скребковая кромка, выполненная на верхнем конце клапанной каретки; на фиг.3 показан штанговый насос при ходе плунжера вверх; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3; на фиг.5 показан штанговый насос при ходе плунжера вниз; на фиг.6 - второй вариант плунжера, снабженного резиновой втулкой, выполненной с выступом по винтовой линии; на фиг.7 - третьей вариант плунжера, снабженного компрессионным узлом, выполненным в виде спиральной пружины.

Штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти (фиг.1) содержит цилиндр 1 с размещенным в нем плунжером 2 и со всасывающим шаровым клапаном 3. Плунжер 2 имеет полую втулку 4 и клапанную каретку 5 с нагнетательным шаровым клапаном 6. Клапанная каретка 5 соединена с колонной насосных штанг 7 и полой втулкой 4. Плунжер 2 снабжен компрессионными кольцами 8, золотниковым механизмом 9. Золотниковый механизм 9 состоит из ползуна 10 и толкателя 11. Ползун 10 взаимодействует с внутренней стенкой цилиндра 1, а толкатель 11 взаимодействует с нагнетательным шаровым клапаном 6. Полая втулка 4 снабжена пружиной 12. Пружина 12 взаимодействует с внутренней поверхностью компрессионных колец 8. На нижних концах цилиндра 1 и полой втулки 4 размещены постоянные магниты 13. Нижний конец полой втулки 4 выполнен в виде конуса с кольцевой острой кромкой 14. На верхнем конце клапанной каретки 5 выполнены клиновидные скребковые кромки 15. Ползун 10 золотникового механизма 9 снабжен фрикционными кольцами или пластинками 16.

По второму варианту, штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти может быть выполнен с плунжером, снабженным с резиновой втулкой 17 (фиг.6), размещенной на полой втулке 4. Резиновая втулка 17 имеет выступ 18, выполненный по винтовой линии. Выступ 18 взаимодействует с внутренней поверхностью компрессионных колец 8. При этом каждое компрессионное кольцо 8 под определенным сектором, повернутом относительно друг друга, прижимается к стенке цилиндра 1, тем самым обеспечивается герметичность зазора между компрессионными кольцами 8 и внутренней стенкой цилиндра 1.

По третьему варианту, штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти может быть выполнен с плунжером, снабженным компрессионным узлом (фиг.7), содержащим спиральную компрессионную пружину 19 и уплотнительные кольца 20. Компрессионная пружина 19 взаимодействует с внутренней стенкой цилиндра 1 и уплотнительными кольцами 20. Нижний конец компрессионной пружины 19 закреплен к полой втулке 4 плунжера, а верхней конец выполнен с возможностью осевого перемещения. Величина перемещения верхнего конца компрессионной пружины 19 регулируется положением клапанной каретки 5. Наружный диаметр компрессионной пружины 19 выполнен больше внутреннего диаметра цилиндра 1. Спиральная компрессионная пружина 19 может быть выполнена в виде двух и более компрессионных пружин, взаимодействующих с внутренней стенкой цилиндра 1 и уплотнительными кольцами 20.

Штанговый насос работает следующим образом.

После спуска штангового насоса в скважину на колонне насосно-компрессорных труб и насосных штанг 7 осуществляют возвратно-поступательное движение штанг 7 с помощью наземного станка-качалки. При ходе колонны насосных штанг 7 плунжера 2 в цилиндре 1 «вверх» (фиг.3) нагнетательный шаровой клапан 6 закрывает канал полой втулки 4. При этом одновременно толкатель 11 золотникового механизма 9 прижимает шаровой клапан 6 к седлу (седло на фиг.1, 3, 5 не показано). Усилие прижатия шарового клапана 6 толкателем 11 к седлу осуществляется силой трения F_тр между ползуном 10 и стенкой цилиндра 1, направленной в противоположную сторону движения колонны штанг. При ходе плунжера 2 «вверх» в подплунжерной полости образуется разрежение, в результате чего всасывающий шаровой клапан 3 приподнимается, и в подплунжерную полость засасывается пластовая жидкость (нефть).

При ходе колонны насосных штанг 7 и плунжера 2 «вниз» (фиг.5) всасывающий шаровой клапан 3 закрывается. В подплунжерной полости создается давление. За счет силы трения F_тр между ползуном 10 и стенкой цилиндра 1, направленной вверх, толкатель 11 приподнимается и освобождает нагнетательный шаровой клапан 6 и клапан приподнимается. В результате нефть из подплунжерной полости перетекает в надплунжерную. Далее цикл работы насоса повторяется.

Таким образом, предложенное устройство позволяет увеличить надежность и долговечность работы штангового насоса для добычи высоковязкой песчаной нефти. Повысить его коэффициент наполнения и подачи путем снижения вязкости нефти и отложений смол и парафина в зоне работы клапанов, исключения утечки нефти и попадания песка в зазоры между плунжером и цилиндром насоса, а также повышения безотказной работы клапанов насоса.

1. Штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти, содержащий цилиндр со всасывающим шаровым клапаном, плунжер с полой втулкой и компрессионными кольцами, клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном, соединенной с полой втулкой и колонной штанг, отличающийся тем, что плунжер снабжен золотниковым механизмом, состоящим из ползуна, взаимодействующего с внутренней стенкой цилиндра и толкателя, взаимодействующего с шаром нагнетательного клапана, пружиной, установленной на полой втулке и взаимодействующей со внутренней поверхностью компрессионных колец, а наружный диаметр пружины выполнен больше внутреннего диаметра компрессионных колец, постоянными магнитами, размещенными на нижних концах цилиндра и втулки плунжера, а нижний конец втулки плунжера выполнен в виде конуса с кольцевой острой кромкой, на верхнем конце клапанной каретки выполнены клиновидные скребковые кромки, ползун золотникового механизма снабжен фрикционными кольцами или пластинками.

2. Штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти, содержащий цилиндр со всасывающим шаровым клапаном, плунжер с полой втулкой и компрессионными кольцами, клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном, соединенной с полой втулкой и колонной штанг, отличающийся тем, что плунжер снабжен резиновой втулкой, выполненной с выступом по винтовой линии, взаимодействующим с внутренней поверхностью компрессионных колец.

3. Штанговый насос для добычи высоковязкой песчаной нефти, содержащий цилиндр со всасывающим шаровым клапаном, плунжер с полой втулкой, клапанную каретку с нагнетательным шаровым клапаном, соединенной с полой втулкой и колонной штанг, отличающийся тем, что плунжер снабжен компрессионным узлом, содержащим спиральную компрессионную пружину, взаимодействующую с внутренней стенкой цилиндра и уплотнительные кольца, а нижний конец спиральной компрессионной пружины закреплен к полой втулке плунжера, а верхний конец которой выполнен с возможностью осевого перемещения, причем наружный диаметр спиральной компрессионной пружины выполнен больше внутреннего диаметра цилиндровой втулки, а уплотнительные кольца установлены между полой втулкой плунжера и спиральной компрессионной пружиной, при этом спиральная компрессионная пружина может быть выполнена в виде двух и более компрессионных пружин, взаимодействующих с внутренней стенкой цилиндра и уплотнительными кольцами.