Клапан штангового насоса (варианты)

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к области эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах. Клапан штангового насоса содержит корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем. Гравитационный толкатель может быть выполнен в виде установленного в корпусе с возможностью ограниченного перемещения в одной поперечной плоскости диска с выемкой на торце, обращенном к шару. Гравитационный толкатель может быть также выполнен в виде маятника, ось качаний которого размещена на продольной оси корпуса с возможностью качаний в любой плоскости, проходящей через него, в пределах внутренней полости корпуса, а в противоположном от оси качаний торце маятника выполнена выемка. Между гравитационным толкателем и шаром в корпусе может быть соосно размещен шток, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой гравитационного толкателя и шаром. Гравитационный толкатель может оснащаться вставками из материала большей плотности, чем материал самого толкателя. Предлагаемая конструкция клапана штангового насоса проста, надежна и позволяет уменьшить поперечные размеры клапана. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к области эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах.

В настоящее время в связи с истощением многих нефтяных месторождений для повышения производительности скважин увеличивают депрессии на пласт. Для этого в условиях низких пластовых давлений приходится предельно глубоко опускать насосы, которые зачастую оказываются либо непосредственно в горизонтальном стволе, либо в сильно наклоненной его части, что приводит к неустойчивой работе клапанов штангового насоса, т.к. шары клапанов возвращаются на седло под действием собственного веса, что затруднено при горизонтальном положении цилиндра насоса.

Известен самоустанавливающийся клапан штангового насоса (патент РФ №2616145, F16K 15/04, F04B 47/00, F04B 53/10, опубл. 12.04.2017, бюл. №11), включающий корпус, центратор с проходными отверстиями, наклонный лоток с промывочными каналами, седло, шар, отличающийся тем, что на одном конце центральной оси самоустанавливающегося клапана эксцентрично закреплен наклонный лоток, выполненный облегченным, а на другом конце в плоскости эксцентриситета наклонного лотка установлен массивный груз, стянутый гайкой и зафиксированный контргайкой, внутренняя поверхность наклонного лотка выполнена вогнутой с радиусом кривизны больше радиуса шара на величину оптимального зазора между седлом и шаром в открытом состоянии клапана, причем вогнутая поверхность наклонного лотка выполнена в виде ложа с продольными полозьями и промывочными каналами между ними.

Недостатками его являются сложность конструкции, представляющей собой сложный многозвенный механизм, и связанная с этим низкая надежность.

Наиболее близок по своей технической сущности штанговый глубинный насос для горизонтальных скважин (патент РФ №2623345, F04B 47/00, опубл. 23.06.2017, бюл. №18), включающий клапан, содержащий грузовой толкатель в виде дополнительного шара и эксцентричный механизм его перемещения в верхнюю точку.

Его недостатками являются сложность конструкции, низкая ее надежность, а также увеличенные поперечные габариты из-за бокового размещения дополнительного шара.

Техническими задачами предлагаемого клапана являются упрощение конструкции, повышение ее надежности и уменьшение поперечных размеров.

Указанные задачи решаются клапаном штангового насоса, содержащим корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем.

Новым является то, что гравитационный толкатель выполнен в виде установленного в корпусе с возможностью ограниченного перемещения в одной поперечной плоскости диска с выемкой на торце, обращенном к шару.

Новым является также то, что между гравитационным толкателем и шаром в корпусе соосно размещен шток, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой гравитационного толкателя и шаром.

Новым является также то, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал диска.

Указанные задачи решаются также клапаном штангового насоса, содержащим корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем.

Новым является то, что гравитационный толкатель выполнен в виде маятника, ось качаний которого размещена на продольной оси корпуса с возможностью качаний в любой плоскости, проходящей через него, в пределах внутренней полости корпуса, а в противоположном от оси качаний торце маятника выполнена выемка.

Новым является также то, что между гравитационным толкателем и шаром соосно в корпусе размещен толкатель, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой маятника и шаром.

Новым является также то, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал маятника.

На фиг. 1 показан клапан с гравитационным толкателем в виде диска в открытом положении, на фиг. 2 - он же в закрытом положении.

На фиг. 3 показан клапан с толкателем в виде диска и штоком в открытом положении, на фиг. 4 - он же в закрытом положении.

На фиг. 5 показан клапан с толкателем в виде маятника в открытом положении. На фиг. 6 - он же в закрытом положении.

На фиг. 7 показан клапан с толкателем в виде маятника со штоком в открытом положении, на фиг. 8 - он же в закрытом положении.

Клапан штангового насоса (на фиг. не показан) содержит корпус 1 (фиг. 1 и 2) с внутренней полостью 2 и перфорированной перегородкой 3 с отверстиями 4, седло 5, шар 6 с направляющими 7, гравитационный толкатель в виде диска 8 меньшего диаметра, чем полость 2 корпуса 1, с конической выемкой 9, установленного между перегородкой 3 и направляющими 7. Снаружи корпуса 1 выполнены присоединительные резьбы 10.

Клапан дополнительно может содержать шток 11 (фиг. 3 и 4) со шляпкой 12 и перфорированное дно корпуса 13 с отверстиями 14, между которым и перегородкой 3 в задней полости 15 клапана размещен диск 8.

Клапан может содержать гравитационный толкатель, выполненный в виде цилиндрического по форме маятника 16 (фиг. 5 и 6), ось качаний которого выполнена в виде шарового шарнира 17 и установлена в дне 13 корпуса 1 (перегородка 3 отсутствует). На противоположном конце маятника выполнена выемка 9 для взаимодействия с шаром 6.

Корпус 1 (фиг. 7 и 8) клапана может быть выполнен с перегородкой 3, маятник 16 с шарниром 17 размещен в задней полости 15, а его выемка 9 взаимодействует с шаром 6 через шток 11 со шляпкой 12.

Работает клапан следующим образом.

Клапан может быть использован в качестве всасывающего и установлен с помощью резьбы 10 в дне цилиндра штангового насоса или в качестве нагнетательного с установкой в плунжере насоса.

Рассмотрим работу клапана в качестве всасывающего.

При движении штанг (на фиг. не показаны) и плунжера (на фиг. не показан) вверх происходит процесс всасывания, давление в цилиндре становится ниже, чем снаружи, и поток жидкости через седло 5 (фиг. 1), мимо шара 6, через пазы направляющих 7, зазор между диском 8 и корпусом 1 по полости 2, отверстия 4 в перегородке 3 и заднюю полость 15 попадает внутрь цилиндра. При этом поток прижимает шар 6 к конической выемке 9 диска 8, перемещая его в соосное с корпусом 1 положение.

По достижении плунжером верхней мертвой точки движение жидкости прекращается, диск 8 (фиг. 2) под действием силы тяжести опускается вниз и выемкой 9 проталкивает шар 6 по направляющим 7 до упора в седло 5, перепад давлений теперь уже направлен из цилиндра наружу, плотно прижимает шар 6 к седлу 5. По достижении плунжером нижней мертвой точки цикл повторяется. Диск 8 свободно перемещается в одной плоскости в направлениях, образованных перегородкой 3 и направляющей 7 шара 6.

Далее циклы повторяются.

Работа клапана по фиг. 3 и 4 отличается тем, что взаимодействие выемки 9 диска 8 происходит через шток 11 со шляпкой 12. С конической выемкой 9 контактирует коническая шляпка 12, а шток 11 с шаром 6. Диск 8 свободно перемещается в любых направлениях в границах диаметра задней полости 15 в одной плоскости между перегородкой 3 и дном 13.

При работе клапана в открытом положении при движении плунжера вверх маятник 16 (фиг. 5) шаром 6 через выемку 9 повернут до соосного с корпусом 1 положения.

По достижении плунжером верхней мертвой точки, когда поток жидкости перестанет прижимать шар 6 (фиг. 6) к выемке 9 маятника 16, сила его тяжести через выемку 9 проталкивает шар 6 до упора в седло 5, а перепад давления плотно прижимает шар 6 к седлу 5.

Далее циклы повторяются.

Точно так же работает клапан по фиг. 7 и 8, только действие силы тяжести маятника 16 передается на шар 6 через шток 11 со шляпкой 12.

Выемка 9 (фиг. 1-8) в конструкциях, где толкатель взаимодействует непосредственно с шаром 6, может иметь любую форму, т.к. поверхность шара 6 сама образует наклонную поверхность, т.е. выемка 9 может быть конической и цилиндрической (не показано), в том числе и сквозной (не показано), например, наподобие седла 5.

Наружная поверхность толкателя: диска 8 (фиг. 1-4), или маятника 16 (фиг. 5-8), может быть выполнена с пазами для увеличения сечения канала для жидкости.

Поскольку и диск 8 (фиг. 1-4), и маятник 16 (фиг. 5-8) имеют некоторую свободу перемещения и вращения, необязательно, чтобы они имели уравновешенную форму тела вращения. Изменением их формы можно увеличить амплитуду их поперечного перемещения и, соответственно, осевого перемещения шара 6 (фиг. 1-8) внутри корпуса 1.

Силу перемещения шара 6 и прижатия его к седлу 5 любым из толкателей: диском 8 (фиг. 1-4), или маятником 16 (фиг. 5-8), можно увеличить, увеличив вес толкателя (диска 8 или маятника 16) вставками из материала с большей плотностью, например из свинца (для стали).

Направляющая 7 (фиг. 1) может быть изготовлена вставной или ее изготавливают непосредственно в корпусе 1.

Основными преимуществами клапана с толкателем в виде диска 8 (фиг. 1-4) или маятника 16 (фиг. 5-8) являются простота конструкции и возможность реализовать его в рамках стандартных поперечных размеров клапана насоса, а за счет изменения длины маятника 16 (фиг. 5-8) или диска 8 (фиг. 1-4) подобрать необходимую силу прижатия шара 6 (фиг. 1, 3, 6 и 8) к седлу 5. Преимущества варианта с маятником 16 (фиг. 5-8): более надежен благодаря отсутствию вероятности заедания из-за трения о направляющие. Шарнир 17 (фиг. 5) может быть шаровым, Гука (не показан), гибким соединением (не показано) или просто упором закругленного острия в углубление (не показаны) на дне 13 корпуса 1.

Кроме того, предлагаемый клапан не создаст дополнительных гидравлических сопротивлений при работе в вертикальной скважине в отличие от других конструкций, в которых толкатели создают дополнительное прижатие шара к седлу в вертикальном положении, чем и создают дополнительное гидравлическое сопротивление, тогда как диск 8 (фиг. 2 и 4) или маятник 16 (фиг. 5 и 7) занимают соосное с корпусом положение и служат лишь ограничителем для шара 6 (фиг. 1-8) внутри корпуса 1.

Преимущество конструкции с промежуточным штоком между гравитационным толкателем: диском 8 (фиг. 3 и 4), или маятником 16 (фиг. 7 и 8) и шаром 6 (фиг. 3, 4, 7 и 8), в том, что шар 6 имеет ограниченный сектор взаимодействия с толкателем: диском 8 (фиг. 1 и 2) или маятником 16 (фиг. 5 и 6), что ограничивает ход шара 6 (фиг. 1, 2, 4 и 5) от седла 5. При использовании штока 11 (фиг. 3, 4, 7 и 8) за счет формы выемки 9 и амплитуды поперечного перемещения толкателя 11 ход шара 6 от седла 5 может быть увеличен.

Предлагаемая конструкция клапана штангового насоса проста, надежна и позволяет уменьшить поперечные размеры клапана.

1. Клапан штангового насоса, содержащий корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем, отличающийся тем, что гравитационный толкатель выполнен в виде установленного в корпусе с возможностью ограниченного перемещения в одной поперечной плоскости диска с выемкой на торце, обращенном к шару.

2. Клапан штангового насоса по п. 1, отличающийся тем, что между гравитационным толкателем и шаром в корпусе соосно размещен шток, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой гравитационного толкателя и шаром.

3. Клапан штангового насоса по п. 1 или 2, отличающийся тем, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал диска.

4. Клапан штангового насоса, содержащий корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем, отличающийся тем, что гравитационный толкатель выполнен в виде маятника, ось качаний которого размещена на продольной оси корпуса с возможностью качаний в любой плоскости, проходящей через него, в пределах внутренней полости корпуса, а в противоположном от оси качаний торце маятника выполнена выемка.

5. Клапан штангового насоса по п. 3, отличающийся тем, что между гравитационным толкателем и шаром соосно в корпусе размещен толкатель, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой маятника и шаром.

6. Клапан штангового насоса по п. 4 или 5, отличающийся тем, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал маятника.