Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к скважинным штанговым насосам, предназначенным для добычи жидкости из скважин, в том числе с любым содержанием абразивных и агрессивных включений, а также для подъема жидкости с больших глубин.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с подвижно размещенным в нем полым плунжером с цилиндрическими канавками, в которых установлены разрезные уплотнительные элементы из эластичного материала. Для компенсации износа уплотнительные кольца выполнены с шипами на верхней торцевой и внутренней цилиндрической поверхностях, прилегающих к стенкам канавки плунжера (см. SU 577314, МПК F 04 В 47/00, 1977 г.).

Однако в данной конструкции насоса невозможно обеспечить надежное уплотнение зазора цилиндр-плунжер, поскольку уплотнение зазора определяется упругой деформацией шипов. Как следствие - происходят утечки жидкости в зазоре между наружной боковой поверхностью колец и уплотняемой поверхностью цилиндра, а также через щели в месте разреза уплотнительных колец. Кроме того, при такой конструкции уплотнительных колец происходит накопление абразивных частиц в канавке под кольцом, что приводит к попаданию частиц в зазор и абразивному износу цилиндра и уплотнительных колец, что резко сокращает срок эксплуатации насоса в целом. К тому же не исключается срыв разрезных колец при спуско-подъемных операциях насоса.

Известен другой скважинный штанговый насос (см. SU 1610073, F 04 В 47/00, 1990 г.), в котором установленные в канавках плунжера уплотнительные элементы выполнены в виде неразрезных упругих колец с V-образными выступами на боковых поверхностях, контактирующих с уплотняемой поверхностью цилиндра. При движении полого плунжера вверх под давлением столба откачиваемой жидкости, находящейся над плунжером, упругие уплотнительные кольца раскрываются за счет разжатия V-образного выступа.

Однако и в этом насосе не обеспечивается надежное уплотнение в паре цилиндр-плунжер из-за недостаточного уплотнения зазоров между боковыми поверхностями канавок на плунжере и торцами уплотнительных колец, а также в зоне V-образного выступа, что приводит к утечке откачиваемой жидкости и снижению производительности насоса. К тому же в такой конструкции насоса также происходит абразивный износ уплотнительных колец, т.к. происходит его накопление в зоне V-образного выступа.

Известен также скважинный насос, состоящий из цилиндра, установленного в нем подвижного плунжера с кольцевыми канавками на его поверхности, в которых с возможностью перекрытия зазора в паре цилиндр-плунжер установлены уплотнительные элементы в виде эластичных манжет, причем кольцевые канавки гидравлически сообщены посредством каналов с надплунжерным пространством, благодаря чему манжетные кольца вступают в работу поочередно сверху вниз по мере износа вышестоящей манжеты (см. SU 535423, МПК 7 F 04 В 21/04, 1976 г.).

Недостатком известного насоса является то, что в самоуплотнении зазора цилиндр-плунжер поочередно участвует только одна манжета после износа вышерасположенной. Как следствие, не обеспечивается надежное уплотнение пары цилиндр-плунжер. Кроме того, в автокомпенсации изношенной поверхности манжеты участвует лишь средняя часть объема манжеты, подверженная выпучиванию от воздействия изнутри давления столба жидкости, что ограничивает ее долговечность. Как следствие - снижение эффекта самоуплотнения манжеты в кольцевой канавке, неравномерный износ уплотнительных элементов по длине плунжера, невозможность надежного уплотнения в паре цилиндр-плунжер.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр и подвижный полый плунжер в виде стержня с нагнетательным клапаном в нижней его части, на наружной поверхности стержня установлены подпружиненный разобщитель и набор распорных и поочередно установленных между ними уплотнительных колец с взаимодействующими коническими поверхностями. Уплотнение зазора цилиндр-плунжер осуществляется за счет воздействия конических поверхностей разобщителя и распорных колец на уплотнительные кольца от усилия давления столба откачиваемой жидкости на разобщитель (см. SU 840458, МПК 7 F 04 В 21/04, 1981 г.).

Недостатком указанного технического решения является то, что уплотнительные кольца изготовлены не из эластичного материала. Поэтому между коническими поверхностями уплотнительных и распорных колец неизбежны утечки откачиваемой жидкости, которая свободно перетекает через камеру, образованную наружной поверхностью стержня и внутренней поверхностью колец, и через радиальные каналы, выполненные в крайнем нижнем распорном кольце, в подплунжерную полость цилиндра насоса. Все это приводит к снижению производительности насоса.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре подвижно полый плунжер в виде стержня с радиальными каналами и уплотнительный узел, включающий чередующиеся запорные кольца объемной конфигурации и уплотнительные элементы в виде манжет объемной конфигурации, выполненных из упругопластичного деформируемого давлением нагнетания материала. Уплотнительный элемент имеет в сечении равнобокую трапецию, меньшее основание которой обращено в сторону зазора в паре цилиндр-плунжер и предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а большее основание гидравлически сообщено через радиальный канал со сквозной полостью плунжера. При этом каждая манжета имеет дополнительно тонкостенную втулку, размещенную со стороны большого основания трапеции. Для обеспечения работоспособности насоса плунжер снабжен в нижней части нагнетательным клапаном, а верхней частью посредством клетки соединен с колонной насосных штанг, а в цилиндре насоса под плунжером установлен всасывающий клапан (см. RU 2106530, МПК 7 F 04 В 47/02, 1998 г.).

Существенным недостатком известного насоса является сложная механика процесса самоуплотнения и автокомпенсации каждой из уплотнительных манжет в запорных кольцах, не позволяющая отработать их в полной мере и обеспечить надежное уплотнение пары цилиндр-плунжер в процессе работы насоса. Это объясняется тем, что поверхности взаимодействия (торцевые поверхности) уплотнительных манжет и запорных колец имеют сложную конфигурацию, причем длина конической части взаимодействующих поверхностей ограничена наличием цилиндрической части на манжете у большего основания трапеции, поэтому в процессе изнашивания уплотнительных манжет происходит такое уменьшение их высоты, при котором невозможно дальнейшее самоуплотнение манжеты в запорном кольце и уплотнение зазора пары цилиндр-плунжер, поэтому будут происходить утечки откачиваемой жидкости через увеличивающийся зазор пары цилиндр-плунжер, т.е. ресурс уплотнительных элементов ограничен.

Еще одним недостатком является сложность конструкции плунжера с уплотняющим узлом, необходимость закрепления запорных колец и уплотнительных элементов на плунжере, что не исключает неравномерности нагрузки на уплотнительные манжеты, что, в свою очередь, может привести к нарушению пространственной ориентации плунжера в цилиндре и выходу насоса из строя, что особенно проявляется при большой длине цилиндра (до 4000 мм и более). При этом сложность конструкции приводит к большим трудозатратам при изготовлении такого насоса.

Еще одним недостатком известного насоса является ограничение его применения в скважинах с большим содержанием абразивных частиц, т.к. зазор между эластичными уплотнительными элементами и уплотняющей поверхностью цилиндра не защищен от попадания туда абразивных частиц из откачиваемой жидкости.

Кроме того, известный насос при работе его в высокоагрессивной среде (содержащей кислоту, щелочь) не защищен и от возможности образования гальванической пары между металлом цилиндра и металлом плунжера, что приводит к ускоренному эрозионному процессу и износу металлических поверхностей цилиндра и плунжера.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение работоспособности насоса и увеличение срока его эксплуатации при работе в скважинах, содержащих жидкости с большим содержанием абразивных частиц, высокоагрессивную жидкость, при упрощении конструкции плунжера насоса за счет улучшения условий для уплотнения в рабочем зазоре и самоуплотнения уплотняющих элементов в кольцевых канавках плунжера в процессе работы насоса и равномерного постепенного их износа вплоть до полного расходования, уменьшения при этом износа пары цилиндр-плунжер путем полного исключения попадания абразивных частиц в зазор пары цилиндр-плунжер, а также исключения возникновения гальванического эффекта при откачивании жидкости с агрессивными примесями.

Дополнительно решается задача эффективного использования в насосе цилиндров любой длины, тонкостенных, биметаллических, с любым видом упрочнения, в том числе термоупрочненных или упрочненных механическим способом.

Также решается задача снижения трудоемкости изготовления плунжера насоса.

Это достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, расположенный в нем подвижно полый плунжер в виде стержня с радиальными каналами и с уплотнительными элементами, выполненными из упругопластичного деформируемого материала с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее основание которой предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а также всасывающий и нагнетательный клапаны, новым является то, что уплотнительные элементы выполнены в виде неразрезных колец, которые установлены в выполненные на наружной боковой поверхности плунжера кольцевые канавки, имеющие в сечении равнобокую трапецию, меньшее основание которой обращено в сторону зазора в паре цилиндр-плунжер, а большее основание сообщено гидравлически через радиальные каналы в плунжере со сквозной полостью плунжера, при этом уплотнительные кольца установлены в кольцевых канавках с возможностью взаимодействия по их коническим поверхностям, при этом наружная поверхность стержня защищена покрытием с диэлектрическими свойствами, по обоим торцам плунжера установлены грязесборники в виде чашеобразных эластичных манжет и в верхней части плунжера под верхней манжетой выполнены сквозные радиальные каналы, сообщающие полость плунжера с зазором в паре цилиндр-плунжер.

Цилиндр насоса может быть выполнен упрочненным посредством пластического деформирования металла.

В клетке плунжера, размещенной в его верхней части и связывающей плунжер с колонной насосных штанг, дополнительно выполнены каналы, ориентированные на чашку верхнего грязесборника.

Количество уплотнительных колец на плунжере возрастает с увеличением глубины спуска насоса.

Благодаря предложенной форме выполнения кольцевых канавок на плунжере насоса для размещения в них уплотнительных элементов, которые предложено выполнять неразрезными, и благодаря тому, что форма поперечного сечения при установке уплотнительного кольца в канавку полностью повторяет форму сечения кольцевой канавки, обеспечиваются условия для наилучшего беспрепятственного взаимодействия поверхностей в процессе уплотнения зазора цилиндр-плунжер. Выполнение кольцевой канавки с сечением в виде равнобокой трапеции, меньшее основание которой обращено в сторону рабочего зазора цилиндра насоса, обеспечивает создание условий для надежного самоуплотнения выполненного из упругопластичного текучего материала уплотнительного элемента в кольцевых канавках плунжера в процессе работы насоса и равномерного постепенного их износа вплоть до полного расходования. К тому же размещение уплотнительных элементов в теле стержня плунжера, а также выполнение взаимодействующих поверхностей канавки и уплотнительного элемента по конической поверхности (а не сложной конфигурации, как в прототипе) позволяют обеспечить равномерное деформирование по всем направлениям упругих уплотнительных элементов и тем самым исключить перекос плунжера в цилиндре. Выполнение канавок для уплотнительных элементов в самом теле стержня не требует изготовления дополнительных элементов для крепления запорных элементов на стержне, что значительно упрощает конструкцию и снижает трудоемкость изготовления плунжера штангового насоса.

При этом благодаря тому, что по торцам плунжера закреплены с натягом по отношению к каналу цилиндра чашеобразные манжеты грязесборников, разгруженные от давления столба жидкости посредством выполненных в плунжере радиальных каналов под верхней манжетой, обеспечивается надежная защита уплотнительных элементов от попадания на их контактирующие с цилиндром поверхности абразивных частиц, что увеличивает ресурс работы уплотнительных элементов, а также защищает рабочую поверхность цилиндра.

Благодаря тому, что поверхность плунжера также имеет защиту в виде антикоррозионного покрытия с диэлектрическими свойствами, создаются условия для работы насоса по перекачке высокоагрессивных жидкостей (содержащих кислоту, щелочи), что также повышает работоспособность насоса и его эксплуатационную надежность.

Изменение числа уплотнительных колец на плунжере позволяет использовать насос для добычи жидкости с любых больших глубин.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен скважинный штанговый насос, продольный разрез.

Скважинный штанговый насос содержит цилиндр 1, расположенный в нем подвижно плунжер 2, выполненный в виде стержня со сквозной полостью 3, а также всасывающий 4 и нагнетательный 5 клапаны.

На наружной боковой поверхности плунжера 2 выполнены кольцевые канавки 6, имеющие в сечении равнобокую трапецию, меньшее основание которой обращено в сторону зазора 7 в паре цилиндр-плунжер, а большее основание сообщено гидравлически через радиальные каналы 8 в теле стержня плунжера 2 с полостью 3 плунжера 2. В кольцевые канавки 6 установлены уплотнительные элементы, выполненные в виде неразрезных уплотнительных колец 9 цилиндрической формы из упругого эластичного материала, например фторопласта. Уплотнительные кольца 9 установлены в кольцевых канавках 6 с возможностью взаимодействия по их коническим поверхностям, при этом уплотнительные кольца 9 приобретают в сечении также равнобокую трапецию. Меньшее основание такой трапеции предназначено для контактирования с рабочей поверхностью 10 цилиндра 1 насоса.

Количество уплотнительных колец 9 определяется в зависимости от глубины спуска насоса в скважину: с увеличением глубины количество уплотнительных колец 9 на плунжере 2 увеличивается.

Для того, чтобы упругие неразрезные уплотнительные кольца 9 цилиндрической формы установить в кольцевые канавки 6 на плунжере, имеющие трапецеидальное сечение, необходимо кольца 9 из фторопласта изготовить объемом, несколько превышающим объем кольцевых канавок 6. При помощи специального устройства цилиндрические кольца 9 запрессовывают в канавки 6 до полного заполнения последних. Благодаря тому, что материал, из которого изготовлены кольца 9, кроме упругих свойств обладает еще пластическими свойствами, при запрессовке кольцевые канавки 6 заполняются полностью, а конусные боковые поверхности канавок 6 заневоливают кольца 9 и не позволяют последним возвращаться в исходное положение за счет собственной упругости.

По торцам плунжера установлены грязесборники, выполненные в виде чашеобразных манжет 11 и 12 из упругоэластичного материала, например полиамида. Наибольший диаметр манжет 11, 12 выполнен несколько превышающим внутренний диаметр цилиндра 1 с целью плотного прилегания верхней кромки манжет 11, 12 к рабочей поверхности 10 цилиндра 1.

Плунжер 2 связан с колонной насосных штанг 13 посредством размещенной в его верхней части клетки 14 с каналами 15, 16. Каналы 16 ориентированы на чашку верхней манжеты 11. Для разгрузки манжеты 11 в верхней части плунжера 2 выполнены сквозные радиальные каналы 17, сообщающие полость 3 плунжера с зазором 7 в паре цилиндр-плунжер.

Всасывающий клапан 4 установлен в цилиндре 1, в подплунжерном пространстве, а нагнетательный клапан 5 установлен герметично по нижнему торцу плунжера 2.

Наружная поверхность металла плунжера 2 защищена антикоррозионным покрытием, обладающим диэлектрическими свойствами, например МАКС-эмаль ТУ 5772-003-53113951-2001.

Поверхность металлического цилиндра 1 может быть термоупрочнена либо упрочнена механически, например, пластическим деформированием, чтобы исключить нарушение прямолинейности и геометрических размеров длинномерного цилиндра.

Для обеспечения коррозионной стойкости цилиндров последние изготовляются из коррозионностойкой стали или других сплавов (нержавеющей стали, титана и др.).

Работает скважинный штанговый насос следующим образом.

При движении полого плунжера 2 вверх всасывающий клапан 4 открывается, и в цилиндре 1 насоса в подплунжерное пространство поступает откачиваемая жидкость. При этом нагнетательный клапан 5 закрыт. Надплунжерный столб откачиваемой жидкости через полость 3 плунжера 2 и радиальные каналы 8 своим давлением нагнетания воздействует на упругие уплотнительные кольца 9 со стороны большего основания трапецеидального сечения. В результате происходит выжимание всех колец 9 из всех кольцевых канавок 6 по коническим поверхностям их взаимодействия и по всей длине их установки на плунжере 2. Давления нагнетания достаточно для выдвижения указанных колец 9 до момента контактирования меньшего основания трапецеидального сечения с рабочей поверхностью 10 цилиндра 1, благодаря чему надежно уплотняется зазор 7 в паре цилиндр-плунжер.

Одновременно происходит равномерное самоуплотнение упругих колец 9 в кольцевых канавках 6 благодаря конусности поверхностей взаимодействия и текучести упругого материала уплотнительного кольца 9.

В это же самое время при перемещении плунжера 2 вверх верхняя манжета 11 грязесборника, установленная в цилиндре 1 с натягом, движется вместе с плунжером 2 и очищает внутреннюю рабочую поверхность 10 цилиндра 1 от прилипших песка и других твердых абразивных частиц, содержащихся в откачиваемой жидкости. Песок скапливается на дне чашеобразной манжеты 11. Каналы 17 в верхней части плунжера разгружают манжету 11, и надплунжерный столб жидкости не деформирует ее, тем самым манжета 11 надежно функционирует по защите зазора 7 от попадания в него абразивных частиц.

При ходе плунжера 2 вниз всасывающий клапан 4 закрывается, открывается нагнетательный клапан 5. В этом случае давление столба откачиваемой жидкости воспринимает всасывающий клапан 4, а уплотнительные кольца 9 освобождаются от давления надплунжерного столба жидкости и, благодаря остаточной пластичности материала, находятся в контакте с поверхностью 10 цилиндра 1. Однако, ввиду отсутствия давления столба жидкости на уплотнительные кольца 9 со стороны большего основания трапеции, плунжер 2 беспрепятственно перемещается вниз под весом колонны штанг 13.

Откачиваемая жидкость, находящаяся в цилиндре под плунжером 2, по полости 3 поднимается вверх и через каналы 15, 16 поступает в надплунжерное пространство цилиндра 1 и далее по насосно-компрессорным трубам (НКТ) на поверхность.

При прохождении жидкости через каналы 16 в клетке 14 струя жидкости очищает манжету 11 от накопившегося песка, и песок с потоком жидкости по НКТ поднимается вверх, не попадая в зону контакта уплотнительных колец 9 с поверхностью 10 цилиндра 1.

В этот же период, при движении плунжера 2 вниз, установленная в цилиндре 1 с натягом нижняя манжета 12 очищает своими кромками внутреннюю поверхность 10 цилиндра 1 от песка и твердых частиц и препятствует тем самым их попаданию в зазор 7 под уплотнительные кольца 9.

При циклической работе плунжера 2 происходит постепенное выдвижение уплотнительных колец 9 и уплотнение рабочего зазора 7 при ходе плунжера вверх, вплоть до полного их износа.

Таким образом, благодаря тому, что плунжер 2 контактирует с рабочей поверхностью 10 цилиндра через эластичные упругие кольца 9, при этом благодаря наличию манжет 11, 12, исключающих попадание песка и других абразивных частиц, содержащихся в откачиваемой жидкости, в зону контакта колец 9 с поверхностью 10 цилиндра, а также благодаря специальному покрытию, обладающему диэлектрическими свойствами, поверхности плунжера 2 обеспечивается повышение работоспособности насоса при работе в скважинах, содержащих жидкости с большим содержанием абразивных частиц, а также в условиях при откачке высокоагрессивной жидкости. При этом, благодаря постоянному выдвижению уплотнительных элементов 9 из кольцевых каналов 6 по мере их износа, вплоть до полного, значительно повышается их ресурс, а герметичное уплотнение зазора 7 в паре цилиндр-плунжер обеспечивает надежную и долговечную работу насоса в целом.