Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для эксплуатации наклонно-направленных скважин с высоким газовым фактором, а также может быть использовано для скважин, где эксплуатацию осуществляют при динамических уровнях на приеме штангового насоса.

Из уровня техники известен источник информации, где освещены глубинные штанговые насосы для скважин с высоким газовым фактором, содержащие многокамерные цилиндры с всасывающим клапаном и расположенные в цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения ступенчатые плунжеры с несколькими нагнетательными клапанами. Сжатие свободного газа и газожидкостной смеси в цилиндрах насоса осуществляется ступенчато с доведением давления его выше давления нагнетания [Дрэготеску Н.Д. Глубинно-насосная добыча нефти. “Недра”, 1966, 268-270].

Эти насосы являются многосекционными и имеют сложную конструкцию. Низкая надежность их в наклонно- направленных скважинах обусловлена большим количеством клапанов, где в каждом происходит запаздывание как открытия, так и закрытия их в процессе работы насоса. Кроме этого, регулирование хода каждого плунжера в цилиндрах для достижения эффективной работы насоса в зависимости от количества свободного газа в откачиваемой жидкости в процессе эксплуатации его представляет определенные трудности из-за ограниченной длины взаимосвязанных плунжеров в секциях.

Наиболее близким аналогом (прототип) изобретения является глубиннонасосная установка, содержащая насосно-компрессорные трубы, замковую опору и вставной штанговый насос, включающий в себя кожух с расположенным в нем цилиндром и плунжер. В кожухе и цилиндре насоса под крайним верхним положением плунжера выполнены сквозные каналы, сообщающие подплунжерную полость насоса с внутренней полостью насосно-компрессорных труб [SU 576435 А, 20.10.1977].

Однако работа данного насоса за счет большой разности давлений в насосно-компрессорных трубах и подплунжерной полости цилиндра при сбросе дополнительного объема жидкости через каналы, без ее дросселирования (штуцирования) приведет к образованию гидравлических ударов в насосе и, следовательно, быстрому выходу из строя всасывающего клапана. Если же диаметр каналов выбран так, что обеспечивается дросселирование жидкости через них, то понадобится некоторое время, в течение которого нижний торец плунжера в цилиндре над сквозными каналами пройдет соответствующий путь, зависящий от скорости движения плунжера, т.е. от параметра привода насосной установки. Поэтому несоответствие между собой этих параметров (диаметр канала, истечения необходимого объема жидкости за промежуток времени и пройденный плунжером путь) приведет или к недостаточному количеству поступления жидкости через каналы в цилиндр или к уменьшению полезного хода плунжера и, следовательно, к снижению коэффициента подачи насоса при соответствующем объеме свободного газа в цилиндре.

Эффективность работы данного насоса в наклонно-направленных скважинах снижается, так как вследствие запаздывания нагнетательного клапана на закрытие, в начале восходящего хода плунжера происходит переток жидкости и попадание ее под плунжер, в свою очередь обусловливающей запаздывание всасывающего клапана на открытие.

Кроме этого, использование кожуха в конструкции данного глубинного насоса увеличивает его металлоемкость и ограничивает применение насоса большого диаметра.

Технической задачей изобретения является расширение функциональной возможности и снижение металлоемкости известного насоса, повышение эффективности при откачке жидкости с высоким содержанием газа в наклонно-направленных скважинах.

Поставленная задача решается тем, что в известном глубинном вставном насосе нагнетательный клапан снабжен соосно установленным в его корпусе стержнем-толкателем с подпружиненным верхним концом, размещенным в стакане с опорными ребрами для фиксации его в корпусе клапана, а нижним концом прижимающим шарик к седлу клапана, причем радиальные каналы выполнены на цилиндре насоса в виде двух противоположных отверстий.

На фиг.1 схематично представлен общий вид предлагаемого насоса;

на фиг.2 - нагнетательного клапана насоса в продольным разрезе; на фиг.3 - разрез на линии А-А из фиг.2.

Скважинный вставной насос состоит из корпуса цилиндра 1 с всасывающим клапаном 2, расположенным в цилиндре 1 с возможностью возвратно-поступательного движения плунжера 3 с нижним нагнетательным клапаном 4,соединенного с колонной насосных штанг 5. Нагнетательный клапан 4 дополнительно снабжен соосно установленным в его корпусе стержнем-толкателем 6. Последний верхним концом размещен в стакане 7 и подпружинен относительно пробки 8, а нижним концом, проходя центральное отверстие 9 корпуса клапана 4, прижимает шарик 10 к седлу 11. Стакан 7 с тремя опорными ребрами 12 фиксирован между торцом резьбы плунжера 3 и буртиком корпуса клапана 4. Усилие пружины регулируется с помощью пробки 8 стакана 7. На корпусе цилиндра 1 на поперечной его плоскости выполнены два противоположных радиальных отверстия 13 для сброса жидкости в конце восходящего хода плунжера 3 из кольцевого пространства 14, образовавшегося между корпусом цилиндра 1 и насосно-компрессорной трубой 15 выше замкового крепления 16.

Предлагаемый штанговый насос работает следующим образом.

При ходе плунжера 3 вверх шарик 10 нагнетательного клапана 4 моментально закрывается под усилием подпружиненного стержня-толкателя 6 с последующим усилением прижатия его к седлу 11 за счет давления столба жидкости, действующего на него сверху, и под плунжером 3 создается разрежение. При этом через всасывающий клапан 2 в цилиндр 1 поступают газожидкостная смесь и свободный газ под давлением, равным давлению на приеме насоса. В конце восходящего хода плунжера 3 в момент прохождения нижним торцом нагнетательного клапана 4 плоскости расположения радиальных отверстий 13 из кольцевого пространства 14 жидкость путем дросселирования поступает во внутреннюю полость цилиндра 1 и, дополняя его объем, занятый свободным газом, повышает в нем давление. Происходит гидравлическое принудительное закрытие всасывающего клапана 2 и выравнивание давления под и над нагнетательным клапаном 4. Поскольку кольцевое пространство 14 между цилиндром 1 и насосно-компрессорной трубой 15 над замковым креплением 16 образует застойную зону, то в процессе работы насоса при даже незначительной обводненности продукции скважины в силу действия разности удельных весов там накапливается вода, отделившаяся от жидкости, находящейся в колонне насосно-компрессорных труб 15. Поэтому в каждом цикле осуществление сброса необходимого количества жидкости (воды) во внутреннюю полость цилиндра 1 впоследствии при нисходящем ходе плунжера 3 будет обеспечивать минимальную степень сжатия поступающей газожидкостной смеси через всасывающий клапан 2 и открытие без задержки прижатого подпружиненным стержнем-толкателем 6 шарика 10 нагнетательного клапана 4. Далее при ходе плунжера 3 вверх жидкость с уменьшенным количеством растворенного газа в единице ее объема, которая остается во вредном пространстве цилиндра 1, способствует быстрому открытию всасывающего клапана 2 и увеличению полезного объема цилиндра 1.

Объем жидкости, поступающей в каждом цикле работы насоса из кольцевого пространства 14 в цилиндр 1, зависит от диаметра радиальных отверстий 13 и времени прохождения двойного пути нижнего торца плунжера 3 расстояния от его верхнего крайнего положения до плоскости расположения радиальных отверстий 13, т.е. времени, при котором радиальные отверстия 13 под плунжером 3 остаются “открытыми”. Диаметр радиальных отверстий 13 выбирается исходя из приемлемого значения расхода жидкости, при истечении которой через отверстия за счет дросселирования исключаются гидравлические удары в цилиндре 1. Время истечения необходимого объема жидкости из кольцевого пространства 14 через радиальные отверстия 13 будет:

где V - объем жидкости, требуемый для дополнительного заполнения цилиндра в каждом цикле откачки, л; л.; Q₀ - суммарный начальный расход жидкости (определяется расчетным путем) через отверстия при заданном диаметре их и перепаде давлений нагнетания и приема насоса, л/с; q_t - текущий расход через отверстия, соответствующий данному моменту времени (задается минимально целесообразное значение), л/с.

Зная время истечения требуемого объема жидкости, задается необходимое расстояние перемещения нижнего торца плунжера 3 в цилиндре 1 выше радиальных отверстий 13, при котором они остаются “открытыми”.

Согласно теории кинематики станков-качалок [1], элементарный путь точки подвеса полированного штока за время Δt будет:

где n - число двойных ходов полированного штока, мин ^-1; r - длина (радиус) кривошипа СК; а, b - длина плеча балансира от опорной точки; π-180°;

Поскольку время истечения необходимого объема жидкости состоит из двух периодов: как при ходе плунжера вверх от радиальных отверстия до верхней мертвой точке (ВМТ), так и при ходе вниз - после ВМТ, в течение которых радиальные отверстия открыты, принимаем в формуле (2)

Учитывая соотношение длины хода полированного штока и радиуса кривошипа при соответствующих длинах плеч балансира формула (2) с учетом выражения (1) примет следующий вид:

где S_max - длина хода полированного штока, остальные обозначение те же.

В зависимости от количества газа в откачиваемой жидкости при постоянном диаметре радиальных отверстий 13 на цилиндре 1 можно задать различную величину ΔS для эффективной работы насоса в скважинах с высоким газовым фактором.

Расположение радиальных отверстий 13 на одной плоскости и друг против друга нейтрализует боковые силы действия давления жидкости на плунжер 3, а после прохождения этих отверстий обуславливает взаимное погашение скорости струй в цилиндре 1, в результате чего сохраняется целостность и долговечность плунжерной пары.

Предлагаемый штанговый насос прост в изготовлении и позволяет повысить надежность, эффективность работы наклонно-направленной скважины с высоким газовым фактором и имеет многофункциональные возможности в плане его использования как для откачки жидкости с высоким содержанием свободного газа, так и высоковязких нефтей и эмульсии за счет осуществления гидромеханического принудительного закрытия рабочих клапанов насоса.

Кроме этого позволяет при необходимости сократить длину подвески насоса с тем, чтобы установить требуемое забойное давление в скважине за счет поддержания динамического уровня жидкости на приеме насоса, поскольку наличие свободного газа не влияет на его работоспособность.