Скважинный штанговый насос

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам с самодействующими клапанами для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в частности к скважинным штанговым насосам для использования в нефтедобывающей промышленности. Насос содержит цилиндр с всасывающим клапаном, выполненным в виде втулки с возможностью перекрывания радиальных отверстий, выполненных в нижней части цилиндра, имеет плунжер с нагнетательным клапаном в нижней части, приемный фильтр. Плунжер в нижней части выполнен меньшего диаметра с образованием кольцевого пространства между цилиндром и плунжером. Втулка выполнена ответно кольцевому пространству с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения. Втулка в нижней части снабжена диском с центральным сквозным осевым отверстием, диаметр которого больше диаметра седла нагнетательного клапана. Поверхность диска выполнена ответно торцу плунжера. В днище цилиндра выполнено центральное сквозное отверстие, в котором установлен дополнительный всасывающий клапан. Снижаются объемные потери и увеличивается межремонтный период путем предотвращения накапливания механических примесей в нижней части насоса. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к вертикальным плунжерным насосам с самодействующими клапанами, особенно для перекачивания высоковязких жидкостей с содержанием механических примесей и газа, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности.

Известен штанговый скважинный насос (Каталог "Скважинные штанговые насосы для добычи нефти" ЦИНТИХимнефтемаш. М., 1988, с. 22), содержащий рабочий цилиндр, внутри которого с минимальным зазором перемещается полый плунжер с нагнетательным клапаном, связанный с колонной насосных штанг, в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан.

Недостатками известного штангового скважинного насоса являются недопустимые объемные потери в связи с недостаточной пропускной способности всасывающего клапана, значительными вредным объемом цилиндра и запаздыванием открытия и закрытия клапанов.

Известен всасывающий клапан скважинного погружного насоса, содержащий цилиндр с радиальными отверстиями, втулка, установленная внутри цилиндра с возможностью перекрытия радиальных отверстий, фильтр (см. RU 2487271, 10.07. 2013.), который принят за прототип.

Недостатками известного устройства являются недостаточная пропускная способность всасывающего клапана вследствие движения жидкости по кольцевому каналу с поворотами, а также возможность накапливания механических примесей в нижней части цилиндра насоса.

Задачей и техническим результатом технического решения является снижение объемных потерь путем снижения запаздывания открытия и закрытия клапанов и увеличение межремонтного периода путем предотвращения накапливания механических примесей в нижней части насоса.

Эта задача и технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр с всасывающим клапаном, выполненным в виде втулки с возможностью перекрывания радиальных отверстий, выполненных в нижней части цилиндра, плунжер с нагнетательным клапаном в нижней центральной части, приемный фильтр, согласно техническому решению, плунжер в нижней части выполнен меньшего диаметра с образованием кольцевого пространства между цилиндром и плунжером, втулка выполнена ответно кольцевому пространству с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения, втулка в нижней части снабжена диском с центральным сквозным осевым отверстием, диаметр которого больше диаметра седла нагнетательного клапана, при этом поверхность диска выполнена ответно торцу плунжера, днище цилиндра выполнено пологой с центральным сквозным отверстием, в котором установлен дополнительный всасывающий клапан.

Радиальные отверстия цилиндра выполнены прямоугольного сечения.

В цилиндре с наружной стороны симметрично радиальным отверстиям выполнена кольцевая проточка, ширина которой больше высоты радиальных отверстий и меньше высоты фильтра, выполненного в виде сетки, при этом в боковой поверхности расточки выполнено глухое углубление ответно сетке.

Диск втулки выполнен в виде оболочки из эластичного материала.

Радиальные отверстия выполнены прямоугольного сечения.

Нижний упор втулки выполнен в виде ответно выполненных цилиндрических выступов втулки и цилиндра с конической опорной поверхностью, при этом выступ цилиндра выполнен ниже радиальных отверстий.

Диск втулки выполнен составным из отдельных сегментов.

Втулка и цилиндр выше радиального отверстия снабжены дополнительными цилиндрическими выступами с конической опорной поверхностью.

Нижний упор втулки с цилиндрическим выступом цилиндра имеет возможность взаимодействовать в части ширины втулки со стороны рабочей полости.

Плунжер в нижней части снабжен ответно выполненным отверстию диска цилиндрическим выступом с возможностью его перекрытия с гарантированным зазором.

Выступ плунжера снабжен манжетой ответно центральному отверстию диска и с возможностью ее взаимодействия с боковой поверхностью диска.

Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлена схема скважинного штангового насоса.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 (радиальные отверстия прямоугольного сечения).

На фиг. 4 – вариант выполнения втулки из эластичного материала.

На фиг. 5 - вариант исполнения насоса с разрезным на сегменты упругим диском.

На фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5.

На фиг. 7 - схема насоса при осуществлении цикла нагнетания.

На фиг. 8 - вариант исполнения насоса с взаимодействием нижней опоры втулки с опорой цилиндра на части ширины втулки.

На фиг. 9 - вариант исполнения насоса со сдвоенной конической опорно-уплотнительной поверхностью всасывающего клапана.

На фиг. 10 - вариант исполнения насоса с цилиндрическим выступом плунжера.

На фиг. 11 - вариант исполнения насоса с оснащением выступа плунжера манжетой.

Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1 (см. фиг. 1) с полым плунжером 2, в нижней части которого выполнено седло 3 и установлен нагнетательный клапан 4 с возможностью перекрытия проходного центрального отверстия 5 седла 3 с образованием рабочей полости 6 насоса. Наружный диаметр плунжера 2 в нижней части выполнен меньшего диаметра с возможностью образования открытой снизу кольцевого пространства (не указано). В нижней части цилиндра 1 выполнено, как минимум, одно сквозное радиальное отверстие 7 круглого (фиг. 2) или прямоугольного (фиг. 3) сечения.

Всасывающий клапан выполнен в виде втулки 8, ответно выполненной кольцевому пространству и имеющей возможность ограниченного осевого перемещения вдоль цилиндра 1 упорами 9 и 10, и перекрытия радиальных отверстий 7 с образованием камеры 11 переменного объема между боковыми поверхностями цилиндра 1, плунжера 2 и торцом втулки 8.

Нижний упор 9 выполнен в виде цилиндрического выступа цилиндра 1 ниже радиальных отверстий 7 с возможностью взаимодействия с ответно выполненным цилиндрическим выступом 12 втулки 8. При этом сопрягаемые опорные поверхности выступов 9 и 10 выполнены коническими.

Верхний упор 10 выполнен, например, в виде штифтов, установленных в нижней части втулки 8 с возможностью взаимодействия с верхней боковой стенкой отверстий 7 и обеспечения гарантированного зазора между упором 10 и нижней боковой поверхностью отверстия 7.

Втулка 8 в нижней части снабжена диском 13 с центральным отверстием 14, диаметр которого больше диаметра отверстия 5 седла 3 нагнетательного клапана 4 и ответно выполненным торцевой поверхности плунжера 2. Диск 13 установлен с возможностью образования промежуточной полости 15 между рабочей полостью 6 и плунжером 2.

Цилиндр 1 снабжен днищем 16 с пологой внутренней поверхностью с центральным сквозным осевым отверстием 17 с ответно выполненным дополнительным всасывающим клапаном 18 меньшего размера по сравнению с нагнетательным клапаном 4.

Верхняя часть втулки 8 снабжена, например, радиальным уплотните льным кольцом 19.

Плунжер 1 соединен с приводом, выполненным, например, в виде колонны штанг 20, а цилиндр 1-е колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) 21. Внутренняя полость 22 плунжера сообщена с каналом НКТ 21.

В цилиндре 1 с наружной стороны симметрично радиальным отверстиям 7 может быть выполнена кольцевая проточка (не указана), ширина которой больше высоты радиальных отверстий 7 и меньше высоты фильтра 23, выполненного в виде сетки прямоугольной формы, при этом в боковой поверхности расточки выполнено глухое углубление (не указано) ответно сетке.

Радиальные отверстия 7 (фиг. 3) могут быть выполнены прямоугольной формы.

Втулка 8 (фиг. 4) выполнена, например, из эластичного материала с возможностью взаимодействия нижней периферийной части с торцом плунжера 2 с образованием камеры 24 переменного объема.

Диск 13 может быть выполнен в виде отдельных сегментов 25 (фиг. 5-7) с возможностью взаимодействия их периферийной части с торцом плунжера 2 также с образованием камеры 24 переменного объема.

Цилиндрические выступы 12 и 9 (фиг. 8) втулки 8 и цилиндра 1 могут быть выполнены с возможностью взаимодействия только на внутренней части их ширины.

Цилиндр 1 (фиг. 9) в верхней части радиального отверстия 7 и втулка 8 в верхней части могут быть снабжены ответно выполненными друг другу цилиндрическими буртами 26 и 27 с конической опорной поверхностью.

Нижняя часть плунжера 1 (фиг. 10), ответно отверстию 14, с образованием гарантированного зазора (не указан), снабжена центральным цилиндрическим выступом 28 с образованием камеры 24 переменного объема.

Выступ 28 плунжера 1 в торцевой части снабжен манжетой 29 (фиг. 11), ответно выполненной отверстию 28.

Устройство работает следующим образом.

Пусть плунжер 1 находится в крайнем нижнем положении (фиг. 1). Нагнетательный клапан 4 чуть приподнят над седлом 3, а дополнительный всасывающий клапан 18 закрыт. Втулка 8 находится в крайнем нижнем положении с возможностью перекрытия радиальных отверстий 7 и взаимодействия выступов 9 и 12. Расстояние между торцом плунжера 2 и диском 13 минимальное. Давления в рабочей полости 6, дополнительной полости 15 и внутренней полости 22 плунжера 1 равны давлению нагнетания.

При движении плунжера 2 вверх давление в рабочей полости 6 снижается. Клапан 4 опускается на седло 3. Также снижается давление в полостях 6 и 15, а также в камере 11 переменного объема. Под действием перепада давления клапан 18 открывается, и жидкость, напри-мер, из пласта, (не показан) перетекает в рабочую полость 6. Также под действием перепада давления между рабочей полостью 6 и камерой 11 втулка 8 перемещается вверх за плунжером 2, открывая радиальные отверстия 7. Жидкость из пласта через фильтр 23, отверстия 7 поступает в рабочую полость 6.

При дальнейшем движении плунжера 2 и втулки 8 упор 10 взаимодействует с верхней боковой стенкой отверстия 7, и останавливается. При этом скорость плунжера 2 близка к максимальной величине. С увеличением объема камеры 11 жидкость из рабочей полости 6 через зазор (не показан) между втулкой 8 и плунжером 2 перетекает в камеру 11. Жидкость в дополнительную полость 15 из рабочей полости 6 перетекает через центральное отверстие 14. Под действием перепада давления между рабочей полостью 6 и полостью 15 втулка 8 будет находится в верхнем положении, с обеспечением взаимодействия упора 10 с поверхностью отверстия 7. Так как площадь прохода отверстий 7 намного больше площади прохода отверстия 18, то основная часть жидкости в рабочую полость 6 поступает через боковые отверстия 7. При этом оснащение отверстий 7 фильтром 23 с достаточно большой площадью поверхности незначительно снижает пропускную способность отверстий 7, выполняющих функцию всасывающего клапана.

При приближении плунжера 2 в верхнее положение его скорость снижается. Также снижается расход жидкости, перетекающий через отверстия 7 и 14. Со снижением перепада давления в отверстии 14 втулка 8 под действием силы тяжести начинает опускаться вниз. В крайнем верхнем положении плунжера 2 втулка 8 полностью перекрывает проход отверстий 7 и выступы 12 и 9 втулки 8 и цилиндра 1 взаимодействуют между собой. В связи с небольшим диаметром, дополнительный всасывающий клапан 18 закрывается с незначительным запаздыванием.

При преждевременном закрытии радиальных отверстий 7, т.е. опускании втулки 8 в нижнее положение до дохода плунжера 2 в верхнее положение, заполнение рабочей полости 6 жидкостью осуществляется через дополнительный всасывающий клапан 18. Пропускная способность клапана 18 достаточна, так как скорость плунжера 2 при подходе в верхнее положение незначительна.

При оседании механических частиц, песка на днище 16 цилиндра 1 они через отверстие 17 высыпаются на забой (не показан).

При движении плунжера 2 вверх жидкость из внутренней полости 22 плунжера 2 поступает в канал НКТ 21, и далее на поверхность.

При движении плунжера 2 вниз давление в полостях 15 и 6 возрастает, и клапан 18 закрывается. При превышении давления в полостях 6 и 15 над давлением в полости 22, открывается клапан 4, и жидкость из полостей 6 и 15 через отверстие 5 поступает в полость 22.

При движении плунжера 2 вниз на втулку 8 действуют сила тяжести, усилие от перепада давления в полостях 15 и 6, а также от давления нагнетания, действующая на проекцию на горизонтальную плоскость площади выступа 9.

При дальнейшем движении плунжера 2 вниз, расстояние между торцом плунжера 2 и диском 13 становится минимальным.

Далее цикл повторяется.

Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки 8, имеющей возможность ограниченного упорами перемещения вдоль цилиндра 1 и перекрытия радиальных сквозных отверстий в нижней части цилиндра 1 существенно увеличивает пропускную способность всасывающего клапана. Расположение втулки 8 в нижней части цилиндра между плунжером 2 и цилиндром 1, с образованием в верхней ее части камеры 11 переменного объема, оснащение втулки 8 диском 13 с центральным сквозным отверстием 14, позволяет открыть всасывающий клапан в самом начале цикла всасывания и удержать втулку 8 в верхнем положении за весь цикл всасывания.

При выполнении радиальных отверстий 7 (фиг. 3) прямоугольного сечения пропускная способность всасывающего клапана достигает значительной величины даже при небольшом подъеме втулки 8.

При выполнении втулки 8 (фиг. 4) из эластичного материала торец плунжера 2 в крайнем его нижнем положении может взаимодействовать с периферийной частью диска 13 с образованием камеры 24 переменного объема. При движении плунжера 2 вниз объем камеры 24 уменьшается с увеличением давления. Под действием перепада давления края диска 13 отходят от торца плунжера 2 с обеспечением перетекания жидкости из камеры 24 в рабочую полость 6 и далее в полость 22.

При движении плунжера 2 вверх, давление в камере 24 резко снижается, и под действием перепада давления периферийная часть диска 13 прижимается к плунжеру 2. Под действием перепада давления между рабочей полость 6 и камерами 11 и 24, втулка 8 перемещается вверх с плунжером 2.

При выполнении диска 13 в виде отдельных сегментов 25 (фиг. 5-7), в нижнем крайнем положении плунжера 2 его торец может взаимодействовать с периферийной частью сегментов 25 с образованием камеры 24 переменного объема. При движении плунжера 2 вниз, под действием перепада давления между камерой 24 и полостью 6, сегменты 25 отодвигаются от плунжера 2, обеспечивая проход для жидкости.

При движении плунжера 2 вверх сегменты прижаты к плунжеру 2. Это обеспечивает существенное снижение давления в камере 24.

При уменьшении площади контакта опоры 12 втулки 8 с опорной поверхностью 9 цилиндра 1 (фиг. 8), увеличивается контактное давление в опорных поверхностях 9 и 12, что повышает герметичность. Кроме того, при этом увеличивается усилие от перепада давления на втулку 8 при ее движении вверх.

При оснащении верхней части втулки 8 и цилиндра 1 выше отверстий 7 цилиндрическими выступами 26 и 27 (фиг. 9) работа насоса аналогична работе насоса на фиг. 1. Исключение радиального уплотнительного кольца 19 снижает трение втулки 8 по поверхности цилиндра 1. Герметизация радиальных отверстий парой коническими уплотнительными поясками 9, 12 и 26, 27 повышает герметичность уплотнения в связи с увеличением контактного давления в уплотняемых поверхностях пропорционально давлению нагнетания и площади кольца, заключенного между диаметрами плунжера и минимальным диаметром нижней опорной поверхности втулки 8.

При оснащении торца плунжера 2 цилиндрическим выступом 28 (фиг. 10), в конце хода нагнетания, выступ 28 заходит в центральное отверстие 14 диска 13. С уменьшением объема камеры 15 жидкость из нее перетекает в рабочую полость 6 через кольцевой зазор между выступом 28 и боковой поверхностью диска 13.

При обратном ходе плунжера 2 вверх давления в камерах 9, 24 и рабочей полости 6 снижаются. Под действием перепада давления открывается дополнительный клапан 18. В связи с незначительной площадью прохода зазора между диском 13 и выступом 28, давление в камере 24 становиться намного меньше, чем в полости 6. Под действием усилия от перепада давления втулка 8 перемещается вверх вместе с плунжером 2, открывая отверстия 7. При взаимодействии упора 10 с поверхностью отверстия 7, втулка 8 останавливается. Далее работа насоса аналогична работе по фиг. 1.

При оснащении втулки 28 манжетой 29 (фиг. 11), при движении плунжера 2 вниз, в конце цикла нагнетания, втулка 28 заходит в отверстие 14. С увеличением давления в камере 24 наружная губка (не указана) манжеты 29 отодвигается от внутренней боковой поверхности днища 13, соединяя камеру 24 с полостью 6.

При обратном ходе плунжера 2 вверх, давление в камере 24 резко снижается. Под действием создавшегося перепад давления между полостью 6 и камерой 24, манжета полностью герметизирует зазор между диском 13 и выступом 28. Это приводит к увеличению усилия, действующего на втулку 8 снизу.

Таким образом, выполнение всасывающего клапана в виде втулки с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль цилиндра и охвата нижней части плунжера позволяет существенно увеличить пропускную способность всасывающего клапана. Оснащение нижней части втулки диском с центральным осевым отверстием и ответно выполненным торцу плунжера снижает запаздывание открытия клапана и обеспечивает открытое положение всасывающего клапана до конца цикла всасывания. Оснащение нижней части цилиндра дополнительным всасывающим клапаном меньшего размера способствует быстрому открытию основного всасывающего клапана, предотвращает накапливанию механических частиц в нижней части цилиндра и обеспечивает подачу жидкости в рабочую полость в самом начале и конце цикла всасывания.

Выполнение прохода седла всасывающего клапана в виде радиальных отверстий в нижней части цилиндра обеспечивает оснащение насоса быстросъемным фильтром со значительной пропускной способностью.

1. Скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном, выполненным в виде втулки с возможностью перекрывания радиальных отверстий, выполненных в нижней части цилиндра, плунжер с нагнетательным клапаном в нижней части, приемный фильтр, отличающийся тем, что плунжер в нижней части выполнен меньшего диаметра с образованием кольцевого пространства между цилиндром и плунжером, втулка выполнена ответно кольцевому пространству с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения, втулка в нижней части снабжена диском с центральным сквозным осевым отверстием, диаметр которого больше диаметра седла нагнетательного клапана, при этом поверхность диска выполнена ответно торцу плунжера, в днище цилиндра выполнено центральное сквозное отверстие, в котором установлен дополнительный всасывающий клапан.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что радиальные отверстия выполнены прямоугольного сечения.

3. Насос по п.п. 1 или. 2, отличающийся тем, что в цилиндре с наружной стороны симметрично радиальным отверстиям выполнена кольцевая проточка, ширина которой больше высоты радиальных отверстий и меньше высоты фильтра, выполненного в виде сетки, при этом в боковой поверхности расточки выполнено глухое углубление ответно сетке.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что диск втулки выполнен в виде оболочки из эластичного материала.

5. Насос по п. 1, отличающийся тем, что нижний упор втулки выполнен в виде ответно выполненных цилиндрических выступов втулки и цилиндра с конической опорной поверхностью, при этом выступ цилиндра выполнен ниже радиальных отверстий.

6. Насос по п. 1, отличающийся тем, что диск втулки выполнен составным из отдельных сегментов.

7. Насос по п. 1, отличающийся тем, что втулка и цилиндр выше радиального отверстия снабжены дополнительными цилиндрическими выступами с конической опорной поверхностью.

8. Насос по п. 5, отличающийся тем, что нижний упор втулки выполнен с возможностью взаимодействовать с цилиндрическим выступом цилиндра в части ширины втулки со стороны рабочей полости.

9. Насос по п.п. 1 или. 2, отличающийся тем, что плунжер в нижней части снабжен ответно выполненным отверстию диска цилиндрическим выступом с возможностью его перекрытия с гарантированным зазором.

10. Насос по п. 9, отличающийся тем, что выступ плунжера снабжен манжетой ответно центральному отверстию диска и с возможностью ее взаимодействия с боковой поверхностью диска.