Скважинный штанговый насос

 

Изобретение относится к технике добычи нефти и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для эксплуатации скважин. Цель изобретения - повышение КПД путем улучшения условий всасывания. Скважинный штанговый насос состоит из цилиндра 1, плунжера 2, всасывающего клапана 3 с корпусом и стержневыми магнитами 4,5, ориентированными разноименными полюсами к седлу 6 и запорному органу 7. Всасывающий клапан 3 , снабжен втулкой 9, соединенной с цилиндром 1 диамагнитной вставкой 10. В цилиндре 1 насоса расположена система 13 радиально намагниченных магнитов, которая по первому варианту выполнения связана с плунжером 2, а по второму размещена между цилиндром 1 и втулкой 9 и взаимо- ; действует при входе плунжера 2 во втулку 9 со стержневыми магнитами 4,5,1 з.п. ф-лы. Зил.:

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) {! !) (э!)э F 04 В 47/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3

ГОСУДАРСТВЕl+IblA КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4820477/29 (22) 28,04.90 (46) 30,07.92. Бюл. Ьй 28 (71) Центральная лаборатория научно-исследовательских и опытных работ Производственного обьединения "Куйбышевнефть" (72) М.Н.Ромашев и А.Е.Гаврилюк (53) 621.651 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 721668, кл. F 04 В 47/02, 1976. (54) СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС (57) Изобретение относится к технике добычи нефти и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для эксплуатации скважин. Цель изобретения = повышение КПД путем улучшения условий всасывания. Скважинный штанговый насос состоит из цйлиндра 1, плунжера 2, всасывающего клапана 3 с корйусом и стержневыми магнитами 4,5, ориентированными разноименными полюсами к седлу 6 и запорному органу 7, Всасывающий клапан 3 снабжен втулкой 9, соединенной с цилиндром 1 диамагнитной вставкой 10. В цилиндре 1 насоса расположена система 13 радиально намагниченных магнитов, которая по первому варианту выполнения связана с плунжером 2, а по второму размещена между цилиндром 1 и втулкой 9 и взаимодействует при входе плунжера 2 во втулку 9 со стержневыми магнитами 4,5. 1 з.п. ф-лы, "

3 ил.

1751402

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к скважинным плунжерным насосам для добычи нефти, в частности штанговым, гидропоршневым и электроприводным насосам.

Известен скважинный штанговый плунжерный насос, содержащий цилиндр с установленными в нем всасйвающим клапаном и плунжером, снабженным нагнетательным клапаном, при этом оба клапана выполнены в виде корпуса, в котором размещены седло и запорный элемент, Недостатком насоса является низкий

КПД, обусловленный утечкой скважинной среды через зазор между цилиндром и плунжером и гравйтационным принципом работы всасывающего клапана.

Наиболее близким к предложенному является сква>кинный насос, содержащий цилиндр, расположенный в полости цилиндра полйй трубчатый плунжер с размещенным в нем нагнетательным клапаном, систему радиально намагниченных кольцевых магнитов. заключенную между диамагнитными вставками и установленную на плунжере, связанный с цилиндром всасывающий кла5

20 пав, в корпусе которого размещены седло и запорный элемент;

Недостатками известных насосов являются низкий КПД в связи с увеличением. 30 объема свободного газа в цилиндре насоса при осуществлении цикла всасывания, что уменьшает коэффициент наполнения насоса жидкой фазой среды, а также увеличением гидравлического сопротивления в системе насос — лифтовые трубы вследствие преобразования среды во всасывающем клапане в вязкую эмульсию.

Целью изобретения является повышение КПД путем улучшения условий всасывания.

Цель доститается тем, что в известном скважинном насосе, содержащем цилиндр, расположенный в полости цилиндра полый трубчатый плунжер с размещенным в нем нагнетательным клапаном, систему радиально намагниченных кольцевых магнитов, заключенную между диамагнитными вставками и установленную на одном из элементов рабочей пары плунжер- цилиндр, связанный с цилиндром всасывающий клапан; в корпусе которого размещены седло и запорный элемент, связь цилиндра с всасывающим клапаном выполнена посредством корпуса последнего и дополнительной диамагнитной вставки, а корпус всасывающего клапана дополнительно снабжен соосно размещЕнными в нем вертикальными стержневыми магнитами, установленными с возможностью взаимодействия с системой радиально намагниченных кольцевых магнитов при вхождении полого трубчатого плунжера в корпус всасывающего клапана и между противоположными полюсами которых расположены седло и запорный элемент всасывающего клапана, причем одна из поверхностей системы радиально намагниченных кольцевых магнитов и обращенная к запорному элементу всасывающего клапана поверхность верхнего стержневого магнита выполнена с одинаковой полярностью, С целью обеспечения защиты нижнего стрежневого магнита от размагничивания между ним и корпусом всасывающего клапана установлена диамагнитная вставка.

На фиг.1 изображен скважинный насос, продольный разрез; на фиг.2 — вариант выполнения насоса; на фиг.3 — вариант выполнения всасывающего клапана насоса.

Скважинный насос содержит цилиндр

1, расположенный в полости цилиндра полый точбчатый плчнжео 2, связанный с цилиндром корпус 3 всасывающего клапана, снабженный соосно размещенными в нем вертикальными стержневыми магнитами

4,5, между противоположными полюсами которых расположены седло 6 и запорный элемент 7, заключенный в клапанную клетку

8 (фиг.3), выполненную из виброгасящего материала, например пластмассы. Полюса стержневых магнитов 4,5, обращенные в противоположные от седла 6 стороны, замкнуты между собой через корпус 3, Корпус 3 всасывающего клапана со стороны, обра-щенной к плунжеру 2, переходит во втулку 9 с внутренним диаметром, соответствующим диаметру цилиндра 1, и соединенную с цилиндром втулкой 10 того же диаметра, выполненной из диамагнитного материала, . например из цветного металла или армиро.ванной пластмассы. В сквозном проходном, . канале 11 плунжера 2 установлен нагнетательный клапан 12, например гравитационного типа, В цилиндре 1 насоса расположена система 13 радиально намагниченных магнитов, которая в насосе по первому варианту исполнения (фиг.1) прикреплена к нижней части плунжера 2 и имеет полюс на наружной поверхности, соответствующий по полярности полюсу верхнего магнита 4 всасывающего клапана, обращенного к седлу 6, и отделена от плунжера 2 диамагнитной вставкой 14.

8 насосе по второму варианту исполнения (фиг.2) система 13 радиально намагниченных кольцевых магнитов установлена между цилиндром 1 и в гулкой 9, но отделена от цилиндра 1 диамагнитной вставкой 15 и

1751402

20

30

5 имеет полюс, соответствующий полюсу верхнего магнита 4, обращенному к седлу 6, на внутренней поверхности. В корпусе 3 выполнены окна 16 для прохода отбираемой насосом среды, В варианте всасывающего 5 клапана (фиг.3) нижний магнит 5 отделен от корпуса 3 диамагнитной вставкой 17.

B предложенном насосе для обеспечения опорожнения труб при извлечении насоса из скважины предусмотрено два варианта выполнения корпуса всасывающего клапана. На фиг,1 показан извлекаемый клапан, корпус 4 которого соединен с втулкой 9 за счет конусной посадки, и представляет в собранном виде единый магнитопровод. На фиг.2 показан стационарно устанавливаемый клапан, корпус 4 которого представляет с втулкой единую монолитную деталь, причем в нижней части втулки установлен известный сбивной клапан 18, по конструкции аналогичный сбивному клапану, используемому при эксплуатацйи ekeaжин, например, электроцентробежными насосами. Сбивной клапан защищен от сбивания плунжером ограничителем 19 длины хода плунжера в виде сужения проходного сечения втулки 9. Стационарно устанавливаемый клапан имеет преимущества перед извлекаемым клапаном, позволяет упро стить конструкцию клапана и насоса в целом, а также устранить возможность утечки добываемой жидкости через зазор конусной посадки извлекаемого клапана (при дефектах на конусных поверхностях, некачественных подгонке и посадке и т.п.).

Насос работает следующим образом.

В исходном положении насоса плунжер 2 находится в верхней мертвой точке, Всасывающий и нагнетательнйй клапаны закрыты. Давление в цилиндре 1 соответствует гидростатическому давлению в люфтовых трубах. Запорный элемент 7 всасывающего клапана прижат к седлу 6 гидростатическим давлением, силой гравитации и силой притяжения нижнего магнита

5 при ослаблении (пропорционально квадрату расстояния до запорного органа) притяжении верхнего магнита 4. Магнитная цепь между системой 13 кольцевых магни тов и магнитной системой всасывающего клапана прервана, в том числе в насосе rio первому варианту исполнения (фиг.1), втулкой 10 из диамагнитного материала, а в насосе по второму варианту исполнения— втулками из диамагнитного материала

10,15. При опускании плунжера 2 давление в цилиндре 1 увеличивается, возникает перепад между давлением в цилиндре и гидростатическим давлением в лифтовых трубах. Вследствие этого запорный элемент

7 всасывающего клапана плотнее прижимается к седлу 6, а нагнетательный клапан 12 открывается. Начинается переток среды из подплунжерного пространства цилиндра в надйлунжерное пространство. При дальнейшем опускании плунжера происходит замыкание магнитной цепи между магнитной системой 4,5,3 всасывающего клапана и кольцевым магнитом 13, в том числе за счет непосредственного вхождения системы 13 кольцевых магнитов во втулку 9 при перемещении плунжера 2, либо эа счет замыкания магнитной цепи через плунжер 2, проходящий через кольцевой магнит 13 и входящий во втулку 9.

При замыкании магнитной цепи система 13 кольцевых магнитов Фефеэ втулку 9 и корпус 3 взаимодействует с магнитами 4,5, вследствие чего мощность верхнего магнита 4 возрастает, а мощность нижнего магнита 5 нейтрализуется. При опускании плунжера 2 к нижней мертвой точке на запорный элемент 7 всасывающего клапана действует гидростатическое давление среды и гравитационная-сила, прижимающая его к седлу 6, а также сила притяжения верхнего магнита 4, стремящаяся оторвать запорный элемент от седла. Всасывающий клапан остается закрытым, нагнетательный клапан закрывается; 8 начальйый момент перемещения плунжера 2 вверх давление в . цилиндре 1 начинает снижаться, действие на эапорный элемент 7 гидростатического давления прекращается и под действием магнитов 4 и 13, нейтрализующих гравитационную силу, инерцию покоя запорного элемента 7 и остаточную часть гидростатического давления в цилиндре происходит принудительное открывание всасывающего клапана. Запорный элемент 7 фиксируется в верхнем положении магнитом 4, Принудительное открывание всасывающего клапана снижает перепад между давлениями на приеме насоса и в цилиндре до величины, обусловленной только гидравлическим сопротивлением клапана, и сводит к минимуму диапазон перемещения плунжера 2 вверх при закрытом всасыващем клапане, что предупреждает интенсивное расширение свободного газа и выделение его новых порций иэ нефти, Придальнейшем подъеме плунжера 2 оН выходит из втулки 9, магнитная цепь между системой 13 кольцевых магнитов и магнитной системой 4,5,3 всасывающего клапана разрывается. Мощности магнитов 4,5 Восстанавливаются, но, вследствие того, что силы притяжения магнитов обратно пропорцйональны квадратам расстояний между ними и запорным элементом, послед1751402 нйй остае гся зафиксированный в верхнем йоложении магнитом 4. Поэтому уменьшается ййтенсивность дросселирования среды через клапан, что препятствует расширению и выделению новых порций свободного газа. Кроме этого, действие маг-. . нита 4 препятствует колебательным перемещениям запорного элемента в корпусе 3. .что совместно со снижением интенсивности дросселиррвания предотвращает преобразование компонентов среды в высоковязкую эмульсию, а следовательно, и рост гидравлического сопротивления. Последнее способствует предотвращению расширения и выделения свободноготаза, а также сйижению энергозатрат, обусловленных вязкостью среды. Вследствие меньшего расширения и выделения свободного газа улучшается наполнение цилиндра жидкой фазой среды.

Одновременно с осуществлением цикла всасывания происходит подъем" среды по лифтовым трубам из скважины. При достиЖении плунжером 2 верхней мертвой точки цйкл вСасйвания прекращается. Запорный элемент 7, не подвергаясь действию восхо дящего тока среды, йбд действием силы гра- витаций и силы инерции, возникающей за счет колебательных изменений длины лиф:товых труб, на которых подвешен насос, происходящих при положении плунжера в зоне верхней мертвой точки, отрывается от магнита 4 и опускается к седлу 6. По мере удаления от магнита 4 и приближения к магниту 5 действие на запорный элемент 7 маг.нита 4 ослабевает, а действие. магнита 5 возрастает, вследствие чего запорный элемент 7 опускается с ускОренйем, кОМпенСирующим замедление его опускания в начальный момент магнитом 4.

При подходе запорного элемента 7 к седлу 6 происходит принудительная посадка и центровка его в отверстии седла с последующей фиксацией за счет действия магнита 5, Вследствие невысоного значения вязкости среды в клапане, достигнуто предупреждением преобразования ее в высоковязкую эмульсию при цикле всасывания, за счет фиксации запорного элемента 7 магнитом 4 интенсивного торможения, зависания запорного элемента в. среде при опускании не происходит, что в сочетании с принудительной посадкой, центровкой и фиксацией запорного элемента в отверстии седла 6 магнитом 5 ограничивает обратный ток среды через клапан, в том числе в условиях вибрации и в наклонных скважинах.

Это увеличивает подачу насоса за счет сохранения поступившего а цилиндр количества жидкой фазы среды.

10

С началом перемещения плунжера 2 от верхней мертвой точки вниз давление в цилиндре 1 возрастает, нагнетательный клапан 12 открывается, переток среды из подплунжерного пространства цилиндра в надплунжерное пространство повторяется..

Однако, вследствие уменьшения количества расширенного. и вновь выделенного при цикле всасывания свободного газа, диапазон непроизводительного перемещения плунжера вниз ограничен.

На фиг.3 изображен вариант всасывающего клапана, в котором нйжний магнит 5 изолирован от корпуса .3 диамагнйтной вставкой 17, что исключает взаимодействие магнита 5 с магнитной системой 13 путем замыкания их магнйтных цепей через металл, вследствие чего исключается ухудшейие магнитнйк свойств магнита 5.

20 - По сравнению"с прототйпом в предложенном насосе принудительное открывание всасывающего клапана при положении: плунжера в зоне нижней мертвой точки позволяет устранить задержку цикла-всасыва25 ния и предупредить разрежение давления в цилиндре отйосительно давления у приема насоса в процессе открывания клапана.

Это сокращает зайолйение цилиндрасвободным-газом и эмульсией, повышает.

30 четкость работы всасывающего, а также нагнетательного клапанов, а в целом. обеспечивает увеличение объемного и энергетического КПД в сравнении с насо- . сом-прототипом.

Формула изобретения

1, Скважйнный штанговый насос, содержащий цилиндр, расположенный в полости цилиндра полый трубчатый плунжер с раз40 мещенным в нем нагнетательным клапаном, систему радиально намагниченных кольцевых магнитов, заключенную между диамагнитными вставками и установленную на одном из элементов рабочей пары плун45 жер-цилиндр, связанный с цилиндром всасывающий клапан, в корпусе которого размещены седло и запорный элемент, о тлича ю щийся тем,что, с цельюповышения КПД путем улучшения условий всасыва50 ния, связь цилиндра с всасывающим клапаном выполнена посредством корпуса поеледнего и дополнительной, диамагнитной вставки, а корпус всасывающего клапана дополнительно снабжен соосно

55 размещенными в нем вертикальными стержневыми магнитами, установленными с воэможностью взаимодействия с системой радиально намагниченных кольцевых магнитов при вхождении полого трубчатого плунжера в корпус всасывающего клапана и

1751402

10 между противоположными полюсами которых расположены седло и запорный элемент всасывающего клапана. причем одна из поверхностей системы радиально намагниченных кольцевых магнитов и обращен- 5 ная к запорному органу всасывающего клапана поверхность верхнего стержневого магнита выполнены с одинаковой полярностью.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения защиты нижнего стержневого магнита от размагничивания, между ним и корпусом всасывающего клапана установлена диамагнитная вставка.

1751402

Составитель M,Ðîìàùåâ

Редактор Т.Лошкарева Техред М.Моргентал . Корректор Н.Милюкова

Заказ 2674 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откритиям ври ГКНТ СССР

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

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