Скважинная штанговая насосная установка

Изобретение относится к технике и технологии добычи нефти и может быть использовано при добыче обводненной нефти с высоким содержанием газа, Установка содержит колонну насосно-компрессорных труб с хвостовиком. Цилиндр имеет основной и дополнительный всасывающий клапаны и установленный в цилиндре плунжер, который содержит корпус и установленный на нем через упругоподатливую втулку набор чередующихся уплотнительных податливых и жестких колец, а также средство для поджатия упомянутого набора колец в осевом направлении. Торцы колец имеют ответную поверхность. Уплотнительные податливые кольца имеют трапецеидальное поперечное сечение, обращенное широким основанием наружу. Жесткие кольца имеют трапецеидальное поперечное сечение с широким основанием, обращенным в сторону упругоподатливой втулки. Уплотнительные податливые кольца могут быть выполнены из фторопласта, а распорные кольца - из стали или чугуна или бронзы. Набор уплотнительных колец может быть разделен на два участка, между которыми установлена разделительная втулка с внутренней полостью, соединенной каналами с полостью высокого давления плунжера. Разделительная втулка выполнена из податливого материала, например из фторопласта, или выполнена упругоподатливой в осевом направлении, например, в виде пружины. Плунжер содержит клапан, имеющий запорный элемент с ограничителем хода, в котором установлена вставка из полимерного материала, например из фторопласта. Изобретение позволяет повысить эффективность уплотнения, надежность и технологичность плунжера. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предложенное изобретение относится к технике и технологии добычи нефти и может быть использовано при добыче обводненной нефти с высоким содержанием газа.

Известна скважинная штанговая насосная установка с раздельным приемом, содержащая колонну насосно-компрессорных труб с хвостовиком, связанный с ней цилиндр с основным и дополнительным всасывающими клапанами и установленный в цилиндре плунжер (SU 1323743 А2, F 04 B 47/02, 15.07.87).

Недостатком данной конструкции является низкая эффективность при откачке нефти с высоким содержанием свободного газа, низкая наработка до отказа при высоком содержании парафина и механических примесей.

Задачей изобретения является создание эффективного и энергосберегающего режима работы для откачки газожидкостных смесей.

Технический результат изобретения - обеспечение создания пробкового режима за счет компрессии газа в цилиндре насоса на его выходе в подсветке НКТ и выкидной линии скважины, что позволит более эффективно использовать энергию попутного газа для подъема жидкости на поверхность.

Технический результат достигается тем, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей колонну насосно-компрессорных труб с хвостовиком, связанный с ней цилиндр с основным и дополнительным всасывающими клапанами и установленный в цилиндре плунжер. Согласно изобретению плунжер содержит корпус, установленный на нем с возможностью осевого смещения набор чередующихся уплотнительных податливых и жестких колец, а также средство для поджатия упомянутого набора колец в осевом направлении, набор уплотнительных колец установлен на корпусе через упругоподатливую втулку, уплотнительные податливые и жесткие кольца имеют трапецеидальное поперечное сечение, широкое основание трапеции податливых колец обращено наружу, а жестких колец - в сторону упругоподатливой втулки. Уплотнительные податливые кольца могут быть выполнены из податливого материала или разрезными из жесткого материала, а жесткие кольца - из жесткого материала. Набор уплотнительных колец может быть разделен на два участка, между которыми установлена разделительная втулка с внутренней полостью, соединенной каналами с полостью высокого давления плунжера. Разделительная втулка выполнена из податливого материала, например, из фторопласта или выполнена упругоподатливой в осевом направлении, например, в виде пружины. Плунжер содержит клапан, имеющий запорный элемент с ограничителем хода, в котором установлена вставка из полимерного материала, например, из фторопласта.

На фиг.1 представлена схема скважинной штанговой насосной установки; на фиг.2 - конструкция сборного плунжера поршневого насоса, продольный разрез; на фиг.3 - элемент I на фиг.2; на фиг.4 - элемент II на фиг.2; на фиг.5 - сборный плунжер с набором уплотнительных и распорных колец, разделенным втулкой; на фиг.6 - сборный плунжер с набором уплотнительных колец, разделенным на два участка упругоподатливой в осевом направлении втулкой, выполненной в виде пружины.

Установка (фиг.1) содержит колонну 1 НКТ с хвостовиком 2, на которой установлен цилиндр 3 с плунжером 4. Цилиндр 3 имеет в нижней части основной всасывающий клапан 5 и в средней части - дополнительный боковой всасывающий клапан 6. На боковой поверхности плунжера 4 установлены компрессионные кольцевые уплотнительные элементы 7 - компрессионные кольца или манжеты в верхней и нижней части плунжера 4. В плунжере 2 установлен выпускной клапан 8.

Основной всасывающий клапан 5 расположен по оси цилиндра 3, дополнительный всасывающий клапан 6 - выше основного и эксцентрично оси цилиндра 3. Выпускной клапан 8 - соосно с основным всасывающим клапаном 3. Такое расположение клапанов обеспечивает раздельный прием нефти и воды.

Верхняя часть полости цилиндра 3 (перед клапаном 8) представляет собой камеру разгазирования.

Сборный плунжер 4 (фиг.2-4) состоит из корпуса, на который установлен через упругоподатливую коаксиальную втулку 10, выполненную, например, из резины, набор уплотнительных колец 11 и колец 12 - податливых и жестких, соответственно. Указанные кольца выполнены трапецеидального поперечного сечения, установлены в наборе поочередно и так, что большее основание трапеции поперечного сечения податливых уплотнительных колец 11 обращено наружу, т.е. расположено со стороны зеркала цилиндра, а жестких уплотнительных колец 12 - в сторону упругоподатливой втулки 10. Уплотнительные кольца 14 могут быть изготовлены из податливого материала, например, фторопласта. Кроме того, податливость указанных колец может быть обеспечена также тем, что они могут быть выполнены разрезными из жесткого материала, например, из стали, чугуна, бронзы и т.п. (на чертежах не показано). Из такого же жесткого материала выполнены жесткие кольца 12.

Набор колец 11 и 12 расположен между двумя нажимными кольцами 13, образующими вместе с нажимной гайкой 14 средство для поджатия набора колец, обеспечивающее необходимое плотное их сжатие в осевом направлении.

На корпусе 9 плунжера установлен выпускной клапан 8, состоящий из корпуса клапана 15, уплотнительной пары седло 16 - запорный элемент 17 (например, шарик) и штуцера 18. В ограничителе хода 19 запорного элемента, выполненного в виде перегородки в корпусе клапана 15, установлена вставка 20, выполненная из полимерного материала, например, из фторопласта в виде резьбового штифта (см. фиг.2 и фиг.4). Ограничитель хода может быть выполнен также в виде запрессованного в корпус клапана перпендикулярно его оси штифта с надетой на него полимерной втулкой (на чертеже не показано).

Набор уплотнительных колец 11 и 12 может быть разделен в сборном плунжере на два участка (фиг.5), между которыми устанавливается разделительная втулка 21, внутренняя полость которой соединяется с полостью высокого давления плунжера каналами 22 и 23, выполненными в корпусе 9 и промежуточной втулке 24 соответственно. Разделительная втулка 21 выполняется податливой, например, из податливого полимерного материала типа фторопласта или полиамида.

Другое конструктивное исполнение разделительной втулки показано на фиг.6, где изображена разделительная втулка 25, выполненная упругоподатливой в осевом направлении, например, в виде стальной пружины. Пружинящие свойства втулки в данном случае обеспечивают фрезерованные пазы в окружном направлении, например, расположенные в шахматном порядке (см. пазы 18 на фиг.6). Перед сборкой уплотнительные кольца 11 и 12 плунжера выполняют по наружному диаметру с допуском, обеспечивающим свободную постановку плунжера в цилиндр.

При сборке плунжера 4 с насосной установкой нажимная гайка 14 (см. фиг.2) затянута «от руки», плунжер 4 свободно вставляется в цилиндр 3. Затем нажимная гайка 14 затягивается ключом так, чтобы уплотнительные податливые кольца 11 за счет выжимания их в радиальном направлении жесткими уплотнительными кольцами 12 (см. фиг.2) образовывали с зеркалом цилиндра минимальный зазор или беззазорную посадку, что повышает технологичность, упрощает сборку. При этом упругоподатливая втулка 10 обеспечивает самоустановку - центрирование комплекта уплотнительных и распорных колец 11 и 12 относительно базовых центрирующих поверхностей.

При работе сборного плунжера 4 в составе насосной установки уплотнительные податливые кольца 11 в условиях беззазорной плотной посадки в первые часы приработки незначительно изнашиваются, при этом частицы износа антифрикционного материала типа фторопласт осаждаются на поверхности соседних жестких уплотнительных колец 12, поставленных при сборке насоса с таким зазором, который бы обеспечивал достаточно свободную постановку плунжера в цилиндр 3. Таким образом, рабочая поверхность распорных колец покрывается тонкой антифрикционной пленкой. Это уменьшает зазоры по жестким уплотнительным кольцам 12 и исключает задиры и заедание поверхностей трения, повышая, тем самым, надежность работы насосной установки и снижая утечки.

При работе сборного плунжера с разделительной податливой втулкой 21 (см. фиг.5) при каждом цикле всасывания рабочая поверхность ее прижимается к зеркалу цилиндра давлением среды, поступающей через каналы 22 и 23 во внутреннюю полость втулки 21 из полости высокого давления плунжера 4, что существенно снижает утечки в насосе. Если вместо втулки 21 установлена упругоподатливая в осевом направлении разделительная втулка 25 (см. фиг.6), то эффект снижения утечек при работе насоса обеспечивается тем, что износ уплотнительных податливых колец 11 компенсируется их выдавливанием в радиальном направлении за счет постоянного осевого давления, производимого пружинной разделительной втулкой 25.

Повышение надежности работы уплотнительной пары седло 16 - запорный элемент 17 (см. фиг.2 и 4) достигается тем, что в процессе работы насоса запорный элемент 19 взаимодействует с ограничителем хода 19 через полимерную вставку 20, что исключает фреттинг-коррозию контактирующих поверхностей и одновременно демпфирует ударное взаимодействие элементов.

При ходе плунжера 4 вверх после открытия бокового всасывающего клапана 6 всасывающий клапан 5 закрывается, и в образовавшийся вакуум камеры разгазирования цилиндра 3 устремляется нефтегазовая смесь из затрубного пространства. Причем верхняя часть цилиндра 3 (разреженная камера) заполняется газом, выделившимся из нефти, образуя газовую пробку.

При ходе плунжера 4 вниз газовая пробка сжимается давлением, образуемым разницей давления между столбом жидкости в НКТ и динамическим уровнем на приеме насоса, а также глубиной его спуска в скважину. В этом случае компремирование газовой пробки может достигать от 3-х до 6-ти ступеней сжатия благодаря наличию компрессионных уплотнительных колец 11, 12.

При таком компремировании температура газовой пробки достигает от 80° до 170° по Цельсию. За счет теплоотдачи от газовой пробки в цилиндре насоса и в НКТ при ее подъеме к устью скважины происходит нагревание окружающей среды (нефти, части попутной воды, НКТ и штанг), обеспечивается снижение отложений парафина и смол в НКТ и штангах и, как следствие, увеличение межочистного периода, долговечности работы насоса.

Одновременно газовая пробка, вырвавшаяся из цилиндра в НКТ, при своем подъеме вверх и снижении давления на нее вышерасположенными перемежающимися слоями нефти с водой увеличивается в объеме, скорость движения ее возрастает и она работает как поршень, цилиндром которой является НКТ, образуя пробковый режим, который при благоприятных условиях (высокий газовый фактор, малая обводненность продукции и т.д.) может перейти в режим фонтанирования скважины с отключением от работы станка-качалки.

Количество компрессионных уплотнительных колец 11 и 12 и материал для их изготовления зависит от глубины спуска насоса, развиваемого насосом напора, температуры пластовой жидкости, газового фактора и других параметров.

Компремированная газовая пробка повышает температуру окружающей среды (нефть, вода, НКТ, штанги) при ее подъеме по НКТ к устью скважины и не происходит отложения парафина и смол.

Высокая скорость подъема газовой пробки обеспечивает максимальный вынос технических примесей (окалина с труб, песок, продукты коррозии) на поверхность и снижение отказов оборудования, повышая долговечность работы насоса.

Предложенная насосная установка относится к насосам с раздельным приемом и может быть сконструирована на основе известных насосных установок с раздельным приемом типа НРП (см., например, SU 1323743, US 6182751, RU 2112890, RU 2128090, RU 2196249, RU 2100651, RU 2100652, RU 2184270, RU 29970) путем установки в них плунжера согласно предложенной установке.

Использование насосных установок с раздельным приемом в комплектации с плунжерами описанных конструкций (фиг.2-6) позволит обеспечить эффективность их работы за счет:

- регулирования группы посадки насосов перед их спуском в скважину с учетом объединения продукции скважин, учитывая условия смазки пары цилиндр-плунжер;

- сократить износостойкость пары цилиндр-плунжер за счет использования для контакта с цилиндром кольца, например, из фторопласта, имеющего наименьший коэффициент трения;

- сократить длину цилиндра и расходы на его изготовление за счет сокращения длины плунжера.

1. Скважинная штанговая насосная установка, содержащая колонну насосно-компрессорных труб с хвостовиком, связанный с ней цилиндр с основным и дополнительным всасывающими клапанами и установленный в цилиндре плунжер с выпускным клапаном, отличающаяся тем, что плунжер включает корпус, установленный на нем с возможностью осевого смещения набор чередующихся уплотнительных податливых и жестких колец и средство для поджатия упомянутого набора колец в осевом направлении, набор указанных колец установлен на корпусе через упругоподатливую втулку, уплотнительные податливые и жесткие кольца имеют трапецеидальное поперечное сечение, причем широкое основание трапеции податливых колец обращено наружу, а жестких колец - в сторону упругоподатливой втулки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнительные податливые кольца выполнены из податливого материала или разрезными из жесткого материала, а уплотнительные жесткие кольца - из жесткого материала.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что набор уплотнительных колец разделен на два участка, между которыми установлена разделительная втулка с внутренней полостью, соединенной каналами с полостью высокого давления плунжера.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что разделительная втулка выполнена из податливого материала.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что разделительная втулка выполнена упругоподатливой в осевом направлении, например, в виде пружины.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что плунжер содержит клапан, имеющий запорный элемент с ограничителем хода, в котором установлена деталь из полимерного материала.