Скважинный штанговый насос

Изобретение относится к штанговым насосам и может быть использовано в установках скважинных штанговых насосов при добыче пластовой жидкости. Скважинный штанговый насос состоит из цилиндра с всасывающим клапаном, полого плунжера с нагнетательным клапаном, имеющего в средней части цилиндра на расстоянии длины полого плунжера L от верхнего и нижнего конца сообщающиеся с цилиндром газовые камеры. Активный объем камер удовлетворяет условию Fk(l₁+l₂+...+l_n)≤F_пл H, где Fk - площадь поперечного сечения газовых камер; l₁÷l_n - высота открытого пространства газовых камер; F_пл - площадь поперечного сечения плунжера по наружному диаметру; Н - расстояние между крайними верхним и нижним положениями полого плунжера. Газовые камеры выполнены в виде карманов кольцевыми или в виде кольцевых сегментов, расположенных друг над другом или в шахматном порядке. Расширяются функциональные возможности скважинного штангового насоса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к штанговым насосам и может быть использовано в установках скважинных штанговых насосов при добыче пластовой жидкости.

Известно изобретение по а.с. 1442699, кл. 4 F 04 B 47/02, которое ставит целью откачку жидкости из скважин с высоким газовым фактором. Однако решение, принятое в а.с. 14442699 с выпуском газа через клапан в плунжере, который открыт при ходе плунжера вверх, представляется неработоспособным, т.к. жидкость не будет поступать в цилиндр при открытом клапане. Цилиндр насоса будет заполняться газом, находящимся над плунжером, т.е. всасывания жидкости не будет. Кроме того, заполнение кольцевого пространства маловязкой жидкостью без видимых каналов для ее выхода, сделает невозможным подъем плунжера из-за сжатия этой жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является скважинный штанговый насос по патенту №2007618, F 04 В 47/02 от 07.12.92. В этом патенте предусмотрена установка в цилиндре дополнительных уплотнительных устройств, расположенных друг от друга на расстоянии длины плунжера L. При ходе плунжера вниз свободный газ и газ, выделившийся из жидкости, скапливается в полостях между стенками цилиндра и плунжера и уплотнительными устройствами, не создавая в нижней части цилиндра сжимающихся "газовых мешков", которые могли бы препятствовать поступлению жидкости в цилиндр через всасывающий клапан.

Однако данное техническое решение имеет существенный недостаток - большие утечки жидкости между плунжером и уплотнительными устройствами.

Как известно величина утечек между плунжером и цилиндром определяется соотношением

где е - радиальный зазор между плунжером и цилиндром;

L₁ - длина взаимного контакта между плунжером и цилиндром (в данном случае между плунжером и уплотнительными устройствами);

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра цилиндра D, напора ΔН и вязкости жидкости ν.

Таким образом, если уменьшить L₁ в 5 раз (как показано на фиг.1- патента) по сравнению с длиной плунжера, то и утечки возрастут в 5 раз при прочих равных условиях. Кроме того, повышенный износ уплотнительных устройств из-за их малой длины и оседания песка увеличит радиальный зазор е, что приведет к еще более интенсивным утечкам пропорционально е³.

Техническим результатом предлагаемого в заявке решения является расширение функциональных возможностей скважинного штангового насоса, а именно: добыча нефти и пластовой жидкости с высоким газосодержанием.

Технический результат достигается тем, что скважинный штанговый насос, состоящий из цилиндра со всасывающим клапаном, полого плунжера с нагнетательным клапаном, имеющего в средней части цилиндра на расстоянии длины полого плунжера L от верхнего и нижнего конца сообщающиеся с цилиндром газовые камеры, активный объем которых удовлетворяет условию Fk(l₁+l₂+...+l_n)≤F_плН,

где Fk - площадь поперечного сечения газовых камер;

l₁÷l_n - высота открытого пространства газовых камер;

F_пл - площадь поперечного сечения плунжера по наружному диаметру;

Н - расстояние между крайними верхним и нижним положениями полого плунжера.

Газовые камеры выполнены в виде кольцевых или сегментных карманов, пассивная часть которых обеспечивает необходимую длину контакта с плунжером (около 3/4 L), а через активную часть l₁÷l₃ осуществляется движение жидкости и газа при ходе полого плунжера вверх и вниз, газовые камеры выполнены кольцевыми или в виде кольцевых сегментов, расположенных друг над другом или в шахматном порядке.

На чертеже представлен насос, который состоит из цилиндра 4 с всасывающим клапаном 1, подвижного полого плунжера 8 с нагнетательным клапаном 7, соединенного с колонной штанг 9. На пространстве цилиндра Н между крайними положениями полого плунжера в верхней части располагаются газовые камеры 5 и 5 а, которые выполнены в виде карманов, имеющих пассивную (нижнюю) часть и активную (верхнюю) часть l₁÷l₃.

Данный насос может быть выполнен в виде невставного или вставного насоса, имеющего замковую опору 6, установленную в верхней (или нижней) части цилиндра, центратор 2, которые крепятся в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) 3, что позволяет рационально использовать зазор между цилиндром 4 и НКТ3.

Насос работает следующим образом. При ходе полого плунжера 8 вверх (нагнетательный клапан 7 закрыт) под ним создается пониженное давление (разряжение) и через всасывающий клапан 1 в цилиндр 4 поступает жидкость с газом. Газовые пузырьки всплывают, скапливаясь под плунжером 8, в т.ч. в газовых камерах 5а и 5. Выливающаяся из активной части карманов жидкость будет омывать стенки цилиндра от песка и продуктов износа, предотвращая зависание и заклинивание плунжера 8 при ходе вниз. Часть песчинок будет оседать в пассивной части карманов. Объем активной части газовых камер F_k(l₁+l₂+l₃) должен быть не более объема части цилиндра (F_плН), так как в противном случае не вся жидкость будет выливаться из активной зоны карманов и заполняться газом.

При ходе полого плунжера вниз пузырьки газа будут заталкиваться в карманы газовых камер 5а и 5, частично сжимаясь и растворяясь в жидкости. Как только давление под полым плунжером 8 превысит давление столба жидкости над полым плунжером, откроется нагнетательный клапан 7 и жидкость с газом, оставшимся под полым плунжером, начнет перетекать в надплунжерное пространство. Сжатые в газовых камерах 5а и 5 пузырьки газа также переместятся в надплунжерное пространство и далее в НКТ, чему способствуют наклонные поверхности верха газовых камер 5 и 5а. Отличием камеры 5а является то, что она может быть размещена в опорных плечиках насоса. Количество свободного газа на приеме насоса может достигать 50% и более. Оно зависит от объема активной части газовых камер, а тот, в свою очередь, от количества камер на длине цилиндра Н.

1. Скважинный штанговый насос, состоящий из цилиндра со всасывающим клапаном, полого плунжера с нагнетательным клапаном, отличающийся тем, что в средней части цилиндра на расстоянии длины плунжера L от верхнего и нижнего концов цилиндра расположены сообщающиеся с цилиндром газовые камеры, активный объем которых удовлетворяет условию

F_k(l₁+l₂+...+l_n)≤F_пл H,

где F_k - площадь поперечного сечения газовых камер;

l₁÷l_n - высота открытого пространства газовых камер;

F_пл - площадь поперечного сечения плунжера по наружному диаметру;

Н - расстояние между крайними верхним и нижним положениями полого плунжера.

2. Скважинный штанговый насос по п.1, отличающийся тем, что газовые камеры выполнены в виде карманов.

3. Скважинный штанговый насос по п.1, отличающийся тем, что газовые камеры выполнены кольцевыми или в виде кольцевых сегментов, расположенных над друг другом или в шахматном порядке.