Клапанный узел нагнетательного трубопровода скважинного насоса

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в установках скважинных насосов. Цель изобретения - повышение надежности при сообщении полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством и увеличения КПД насоса путем автоматического установления оптимального давления на приеме. Клапанный узел содержит корпус 1 с кольцевым выступом 2 на внутренней поверхности 3, ниже которого выполнены сливные каналы 4. Подвижный золотник 6, имеющий в верхней части хвостовик 7 меньшего диаметра, снабжен сквозным осевым каналом 8 и установлен в корпусе с образо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 04 D 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф%

° ю

° °

Ф 3

ЬЗ (гд

О ос

О

М

0 (61) 1435836 (21) 4821298/29 (22) 29.03.90 (46) 23.03,92. Бюл, М 11 (71) Центральная научно-исследовательская лаборатория Производственного объединения "Оренбургнефть" (72) О.Х.Ахмедзянов, А.И,Малолетнев и

О.И.Мельников (53) 621.651 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1435836, кл. F 04 Р 15/02, 1987. (54) КЛАПАННЫИ УЗЕЛ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА СКВАЖИННОГО НАСОСА, Я2 1721306 А2 (57) Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в установках скважинных насосов ° Цель изобретения — повышение надежности при сообщении полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством и увеличения КПД насоса путем автоматического установления оптимального давления на приеме, Клапанный узел содержит корпус 1 с кольцевым выступом 2 на внутренней поверхности 3, ниже которого выполнены сливные каналы 4. Подвижный золотник 6, имеющий в верхней части хвостовик 7 меньшего диаметра, снабжен сквозным осевым каналом 8 и установлен в корпусе с образо1721306 ванием пусковой камеры 10. В канале размещен обратный клапан 9. Пусковая камера сообщена с каналом 8 посредством отверстий 13 в нижней части хвостовика 7, в верхней части последнего выполнены сливные окна. В пусковой камере 10 на хвостовике установлен аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 5. Между корпусом 1 и двухступенчатым поршнем 5 размещены два дополнительных поршня, первый 17 из них расположен выше сливных каналов, второй 18 — ниже. Дополнительные поршни выполнены с возможностью взаимодействия и герметичной посадкой: первого 17- со ступенью большего диаметра 19 двухступенчатого поршня 5, второго 18 — с упором

16. Наружная поверхность поршня 17уплотнена относительно корпуса 1, а внутренняя

Изобретение относится к области гидромашиностроения, может быть использовано в установках скважинных насосов и

- является усовершенствованием известного устройства по авт;св. М 1435836.

Известен клапанный узел нагнетательного трубопровода скважинного насоса, включающий корпус с кольцевым выступом на внутренней поверхности, ниже которого в корпусе выполнены сливные каналы, аксиально-подвижные, двухступенчатый поршень и золотник, имеющий в верхней части хвостовик меньшего диаметра, причем золотник снабжен сквозным осевым каналом, в котором размещен обратный клапан, и установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры, в которой размещены кольцевая перегородка и ограничитель, причем пусковая камера сообщена с осевым каналом золотника посредством отверстий в нижней части хвостовика, а в верхней части последнего выполнены сливные окна, рричем наружная поверхность нижней ступени большего диаметра аксиально-подеижного, двухступенчатого поршня уплотнена относительно внутренней поверхности корпуса, а верхняя ступень установ«леиа с возможностью перекрытия сливных окон хвостовика при крайнем верхнем положении.

Недостатком данного устройства является то, что повышение давления в затрубном пространстве с целью открытия сообщения олости нагнетательного труповерхность 21 поршня 18 —.относительно внешней поверхности большей ступени двухступенчатого поршня 5. В верхней части хвостовика 7 размещены толкатели 15.

Дополнительный поршень 18, взаимодействуя с упором 16, перераспределяет усилие от разности давлений в полости магнетательного трубопровода и затрубном пространстве, а поршень 17, взаимодействуя с двухступенчатым поршнем 5 и через него с золотником 6, перемещает их, что приводит к перекрытию окон выступом 2 и изменению расхода жидкости через устройство и как следствие при определении соотношения диаметров d> и dz устройства к восстановлению оптимального давления на приеме насоса. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. бопровода с затрубным пространством не всегда достаточно надежно обеспечивает перемещение двухступенчатого аксиальноподвижного поршня из-за усилий от сил тре5 ния, возникающих от упругой деформации в уплотнении, а также вследствие отложения парафинов и смол на внутренней поверхности корпуса. Особенно это проявляется в . скважинах, склонных к интенсивному погло10 щению жидкости.

Кроме того, кольцевая перегородка может под собственным весом не опуститься в пусковой камере из-за возможного попадания частиц мехпримесей в зазор между пе15 разгородкой и внутренней стенкой корпуса, что не позволит обеспечить надежную работу устройства и создание необходимого аффекта для запуска насоса на "закрытую задвижку".

Целью изобретения является повыше20 ние надежности при сообщении полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством скважины и увеличение КПД насоса путем автоматического установления оптимального давления на приеме.

25 Поставленная цель достигается тем, что клапанный узел нагнетательного трубопровода скважинного насоса, содержащий корпус с кольцевым выступом на внутренней . поверхности, ниже которого в корпусе вы30 IloJIHGHbl сливные каналы, аксиально-floдвижный золотник, имеющий в верхней части хвостовик меньшего диаметра, причем золотник снабжен сквозным осевым ка1721306 налом, в котором размещен обратный клапан, и установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры, в которой размещены кольцевая перегородка, ограничитель и установленный на хвостовике золотника основной двухступенчатый аксиально-подвижный поршень, при этом наружная поверхность нижней ступени большего диаметра последнего уплотнена относительно внутренней поверхности корпуса, а верхняя ступень установлена с возможностью перекрытия сливных каналов при крайнем верхнем положении основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня, причем пусковая камера сообщена с осевым каналом золотника посредством отверстий в нижней части хвостовика, в верхней части которого выполнены сливные окна, снабжен толкателями, размещенными в верхней части хвостовика золотника, упором, выполненным на внутренней поверхности корпуса ниже сливных каналов, и двумя дополнительными аксиально-подвижными поршнями, размещенными между корпусом и основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем, один из которых расположен выше сливных каналов под.кольцевым выступом корпуса и выполнен в виде уплотнителя основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня, относительно внутренней поверхности корпуса, а другой — ниже сливных каналов, толкатели выполнены с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем, дополнительные аксиэльно-подвижные поршни выполнены с возможностью взаимодействия и герметичной посадки соответственно; первого — со ступенью меньшего диаметра основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, а второго — с упором корпуса, причем внутренняя поверхность второго дополнительного поршня выполнена с возможностью уплотнения относительно внешней поверхности большей ступени основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня.

Кроме того, ограничитель может быть установлен на наружной поверхности хвостовика золотника с возможностью взаимодействия с перегородкой при перемещении золотника вниз, Толкатели могут быть выполнены неподвижно относительно хвостовика золотника.

При остановке насоса в случае, когда радиально подвижные толкатели зафлксиРованы в выдвинутом во внешнюю сторону хвостовика золотника положении, золотник под действием усилия от разности давлений что усилия, действующие на основной двухступенчатый аксиальна-подвижный поршень, золотник и первый дополнительный

40 поршень при определенном их положении и оптимальном давлении на приеме насоса будут находиться в равновесии, т.е. их результирующая равна нулю.

При остановке насоса и перемещении

45 золотника вниз ограничитель взаимодействует с перегородкой и перемещает ее в «ижнее положение, предотвращая ее зависание в пусковой камере.

На фиг. 1 представлен клапанный узел

50 при работающем с ; на фиг. 2 — то же, при остановлечном насосе и удержании жидкости в нагнетательном грубопроводе; на фиг. 3 — то же, при сливе жидкости из труб.

55 Клапанный узел нагнетательного трубопровода (не показан) скважинного насоса содержит корпус 1 с кольцевым выступом 2 на внутренней поверхности 3, ниже которого в корпусе 1 выполнены сливные каналы

4, аксиально-подвижный золотник 5, имею10

30 во внутренней полости нагнетательного трубопровода над и под клапанным узлом перемещается вниз. При этом толкатели взаимодействуют с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем, перемещая его вниз .и открывая сообщение внутренней полости трубопровода с затрубным пространством для проведения технологических операций.

При работе насоса и увеличении давления на его приеме больше оптимального первый дополнительный поршень взаимодействует с большей ступенью основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня под действием усилий от разности давлений в полости нагнетательного трубопровода выше клапанного узла и давления на прием насоса, практически равного затрубному Рз, так как клапанный узел устанавливается над насосом. Это способствует перемещению вверх основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня и золотника, взаимодействующего с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем через ограничитель, увеличению площади проходных сечений сливных окон, перекрываемых выступом корпуса, и увеличению расхода жидкости через них и уменьшению давления на приеме, т.е, установке оптимального давления, В то же время.второй дополнительный поршень воспринимает часть усилий от разности давлений в затрубном пространстве и в полости нагнетательного трубопр "ода ниже клапанного узла, перераспредел ет их на корпус, взаимодействуя с упором и способствуя тому.

1721306 щий в верхней части хвостовик 6 меньшего диаметра, причем золотник 5 снабжен . сквозным осевым каналом 7, в котором размещен обратный клапан 8, и установлен в корпусе 1 с образованием кольцевой пуско. вой камеры 9, в которой размещены кольцевая перегородка 10. ограничитель 11 и установленный на хвостовике 6 золотника 5 основной аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 12, при этом наружная поверхность нижней ступени большего диаметра последнего уплотнена относительно внутренней поверхности 3 корпуса 1, а верхняя ступень установлена с возможностью перекрытия сливных каналов 4 при крайнем верхнем положении основного аксиально.подвижного двухступенчатого поршня 12, причем пусковая камера 9 сообщена с осе,вым каналом золотника 5 посредством отверстий 13 в нижней части хвостовика 6, в .верхней части которого выполнены сливные окна 14, и клапанный узел дополнительно снабжен толкателями 15, размещенными в верхней части хвостовика 6 золотника 5, упором 16, выполненным на внутренней поверхности корпуса 1 ниже сливных каналов

4 и двумя дополнительными аксиально-подвижными поршнями 17 и 18, размещенными между корпусом 1 и основным двухступенчатым аксиал ьно-подвижным поршнем.12, один из которых расположен выше сливных каналов 4 под кольцевым выступом 2 корпуса 1 и выполнен в виде уплотнения основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12 относительно внутренней поверхности 3 корпуса 1, адругой — ниже сливных каналов 4, толкатели 15 выполнены с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем 12, дополнительные аксиально-подвижные поршни 17 и 18 выполнены с воэможностью взаимодействия и герметичной посадки соответственно: первого — со ступенью меньшего диаметра основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 5, а второго — с упором 16 корпуса 1, причем внутренняя поверхность второго дополнительного поршня 18 выполнена с возможностью уплотнения относительна внешней поверхности большей ступени 19 основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 12. Ограничитель 11 может быть установлен на наружной поверхности хвостовика 6 золотника 5 с возможностью взаимодействия с перегородкой

10 при перемещении золотника 5 вниз. Толкатели 15 могут быть выполнены неподвижно относительно хвостовика 6 золотника 5. поршня разобщают полость нагнетательного трубопровода и затрубное пространство ниже сливных каналов 4 корпуса 1.

Так как пусковая камера 9 сообщается с

35 осевым каналом 7 золотника 5 отверстиями

13, давление в пусковой камере 9 равно давлению нагнетательной жидкости Р1 и создает усилие, удерживающее второй дополнительный поршень 18 неподвижно

40 относительно корпуса 1. Поршень 18, взаимодействуя с упором 16, перераспределяет усилия от разности давлений Р1 и Рз на корпус 1.

Кроме того, первый дополнительный

45 поршень 17 с герметичной посадкой его со ступенью большего диаметра 19 основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12 и уплотнение наружной поверхности его относительно корпуса 1 разобща50 ют полость нагнетательного трубопровода и затрубное пространство выше сливных каналов 4 корпуса 1 ° Так как полость 21 сообщается с внутренней полостью 22 нагнетательного трубопровода зазором 23, 55 давление в полости 21 равно давлению Pg в полости 22 и создает усилие по перемещению поршня 18 вниз и взаимодействию его со ступенью большего диаметра 19 основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12.

Сквозные радиальные окна 20 основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 5 выполнены с возможностью совмещения со сливными окнами 14 золотника 6 при перемещении последнего до упора ограничителем 11 в нижней торец основноro аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 5.

Клапанный узел работает следующим образом.

При запуске скважинного насоса (фиг.1} жидкость поступает с выхода последнего в осевой канал 7 золотника 5. Под давлением нагнетательной жидкости золотник 5 перемещается вверх до упора ограничителя 11 в нижний торец основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12, сливные окна 14 совмещаются со сквозными радиальными окнами 20 основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12; а обратный клапан 8 находится в открытом состоянии в крайнем верхнем положении и жидкость из насоса поступает через окна 14 и 20 в нагнетательный трубопровод и далее на поверхность. При этом второй дополнительный поршень 18 с герметичной посадкой его на упор 16 и уплотнение внутренней поверхности его относительно внешней поверхности большей ступени 19 основного двухступенчатого аксиально-подвижного

1721306

Таким образом, при работающем насосе под действием сил давлений P1, — Р3 поршень 17. основной двухступенчатый аксиально-подвижный поршень 5 и золотник

5 могут совместно перемещаться в осевом 5 направлении на расстояние не менее диаметра окон 14 и 20.

Результирующую этих сил можно выразить уравнением

R P1 Е1 — P2 F2+ P3(F2 — F1), . (1) 10 где R — результирующая сила;

Р1, F2 — площади, образованные диаметрами d1 и d2;

Силами трения при составлении уравнения (1) пренебрегаем. 15

Из условия совместной работы скважины и насоса

PH - P1 — P3, (2) где Ря — давление, развиваемое насосом, находим давление Р1 и подставляем в урав- 20. нение (1).

Упростив, получим

R Рн Е! — Р2 Е2+ РЗ Е2, (3)

8 случае, когда результирующая сила R равна нулю и давление на приеме насоса 25 равно оптимальному (P 3), обеспечивающеI му максимальный КПД насоса, уравнение (3) принимает вид

Рн F1 Р2 Е2+ P 3 F2 = 0. (4)

Заменив площади F1 и F2 на соответст- 30 вующие диаметры о1 и о2 в уравнении (4), получим

d1 2 3

d2 PH (5) При известных для конкретной скважины и насоса давлениях Р2, Р 3, PH использо- вание устройства с определенным по формуле (5) соотношением диаметров клапанного узла позволит проводить автомати- 40 ческое регулирование оптимального давления на приеме насоса. Так, если давление на приеме насоса будет возрастать

Рз >Р „то результирующая сила будет больше нуля (й >О) согласно уравнению (3) и 45 направлена вверх, соответственно перемещая золотник 5. основной двухступенчатый аксиально-подвижный поршень 12 и первый дополнительный поршень 17 вверх. Окна 14 и 20 будут выходить из перекрытия 50 выступа 2, что увеличит подачу жидкости через окна 14 и 20 и уменьшит соответственно давление на приеме насоса, т.е. давление на приеме будет приближаться к оптимальному. 55

Если давление на приеме насоса будет

I уменьшаться Рз >Р >, то результирующая сила будет меньше нуля (R <О) согласно уравнению (3) и направлена вниз, соответственно перемещая вниз золотник 5, основной двухступенчатый аксиально-подвижный поршень 12 и первый дополнительный поршень 17, окна 14 и 20 будут перекры ваться выступом 2, что уменьшит подачу жидкости через них и увеличит соответственно давление на приеме насоса, т.е. давление на приеме будет приближаться к оптимальному.

При остановке насоса обратный клапан

8 закрывается, давление под нижним торцом золотника 5 уменьшается и под действием возникшего перепада давления золотник 5 перемещается в крайнее нижнее положение до упора нижнего торца золотника 5 с верхним концом втулки 24 (фиг.2).

Слив жидкости через насос в этом случае предотвращается обратным клапаном 8 и уплотнением 25, а через сливные каналы 4— действием давления в пусковой камере 9 на второй дополнительный поршень 18 с герметичной посадкой его на упор 16 корпуса

1, уплотнения относительно внешней поверхности большей ступени 19 основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12 с герметичной посадкой его большей ступени 19 с первым дополнительным поршнем 17, действием давления в полости. 21 на. первый дополнительный поршень 17, который выполнен в виде уплотнения основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 12 относительно внутренней поверхности 3 корпуса 1, Если необходимо провести технологические операции и для этой цели открыть

"ообщение через устройство полости нагнетательного трубопровода с эатрубным пространством, то (фиг. 3) при работающем насосе на скребковой проволоке (не показано) опускается груз 26, который, входя в верхнюю часть осевого канала 7 хвостовика

6 золотника 5, перемещает и фиксирует толкатели 15 в выдвинутом наружу положении.

В дальнейшем при остановке насоса, когда под действием перепада давлений.золотник 5 перемещается вниз, толкатели 15 взаимодействуют с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем 12, перемещают его в нижнее положение, открывая сообщение внутренней полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством для проведения технологических операций.

Ограничитель 11 может быть выполнен на наружной поверхности хвостовика 6 золотника 5 с возможностью взаимодействия с перегородкой 10 при перемещении золотника вниз, что предотвращает зависание перегородки 10 в пусковой камере 9 при перемещении ее в нижнее положение, В

1721306 дальнейшем при запуске насоса и перекрытии окон 14 основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем 12 жидкость, дросселируясь, медленно вытекает через зазор между перегородкой 10 и хвостовиком 6 золотника 5, что создает эффект пуска на "закрытую задвижку и уменьшает нагрузку двигателя. Толкатели могут быть также установлены неподвижно относительно хвостовика 6 золотника 5 в выдвинутом наружу положении. Тогда при каждой остановке насоса они будут взаимодействовать с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем 5, перемещая его в нижнее положение, что открывает сообщение внутренней полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством для проведения технологических операций.

Установка толкателей в верхней части хвостовика золотника и взаимодействие их с двухступенчатым поршнем позволяют создать значительные усилия от разности давлений над и под устройством, возникающие при остановке насоса. и гарантируют перемещение двухступенчатого поршня вниз.

Тем самым обеспечивается надежная работа устройства при открытии сообщения через него полости нагнетательного трубопровода с затрубным пространством.

В отличие от метода, осуществляющего открытие устройства при повышении давления в затрубном пространстве, здесь не требуется расхода технологической жидкости.

Установка второго дополнительного поршня и взаимодействие его с упором перераспределяют усилия от разности давлений в затрубном пространстве и в полости нагнетательного трубопровода под устройством на корпус и способствует тому, что при установке первого дополнительного поршня и взаимодействием его с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем и через него с золотником под действием усилий от разности давлений в затрубном пространстве и в полости нагнетательного трубопровода над устройством происходит их аксиальное перемещение, что приводит к перекрытию окон золотника и двухступенчатого поршня выступом корпуса, к изменению расхода жидкости через устройство и, как следствие, при определенном соотношении диаметров d < „dg в устройстве к установлению оптимального давления на приеме насоса.

Установление оптимального давления на приеме насоса с помощью устройства не только повышает КПД насоса, но и позволяет при дрейфе коэффициента продуктивно5 сти добывающей скважины избежать аварийного отключения насоса из-за снижения давления на его.приеме, которое, как правило, ниже оптимального.

10. Формула изобретения

1. Клапанный узел нагнетательного трубопровода скважинного насоса по авт. св. Q

1435836, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения надежности при сообще15 нии полости нагнетательного трубопровода с эатрубным пространством скважины и увеличения КПД насоса путем автоматического установления оптимального давления на приеме, клапанный узел снабжен толка20 телями, размещенными в верхней части хвостовика золотника, упором, выполненным на внутренней поверхности корпуса ниже сливных каналов, и двумя дополнительными аксиально-подвижными поршнями, разме25 щенными между корпусом и основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем, один из которых расположен выше сливных каналов под кольцевым выступом корпуса и выполнен в виде уплотнителя

30 основного двухступенчатого аксиально-подвижного поршня относительно внутренней поверхности корпуса, а другой — ниже сливных каналов, толкатели выполнены с возможностью радиального перемещения и

35 взаимодействия с основным двухступенчатым аксиально-подвижным поршнем, дополнительные аксиально-подвижные поршни выполнены с возможностью взаимодействия и герметичной посадки соответ40 ственно первого — со ступенью меньшего диаметра ocHQBHol аксиально-подвижнога двухступенчатого поршня, а второго — с упором корпуса, причем внутренняя поверхность второго дополнительного поршня

45 выполнена с возможностью уплотнения относительно внешней поверхности большей ступени основного аксиально-подвижного двухступенчатого поршня.

2.Узел поп.1, отличающийся тем, 50 что ограничитель выполнен на наружной поверхности хвостовика золотника с воэможностью взаимодействия с перегородкой при перемещении золотника вниз.

3. Узел поп.1, отличающийся тем, 55 что толкатели установлены неподвижно относительно хвостовика золотника, 1721306

guz 5

gus c

Корректор О.Кундрик

Редактор Л,Гратилло Техред М.Моргентал

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 939 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5