Результат интеллектуальной деятельности: Штанговый насос с возможностью прямой промывки (варианты)

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, работающим как в вертикальных, так и в наклонно-направленных скважинах.

Известен скважинный штанговый насос с возможностью прямой промывки (а.с. SU №1525319, МПК F04B 47/02, 53/14, опубл. 30.11.1989 в бюл. №44), содержащий цилиндр, размещенный в полости цилиндра полый плунжер, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полостях цилиндра и плунжера, и снабженные седлом, запорным элементом и полой клеткой. Всасывающий клапан содержит подпружиненный вверх толкатель со штоком для взаимодействия с шаром нагнетательного клапана и выступ для взаимодействия с шаром всасывающего клапана. Полая клетка всасывающего клапана выполнена соосно с расположенным на ней штоком и установлена подвижно в осевом направлении и подпружинена относительно его седла, а со стороны своего нижнего торца снабжена расположенным эксцентрично ее оси выступом, обращенная к запорному элементу поверхность которого выполнена овальной. Шток и выступ полой клетки всасывающего клапана установлены с возможностью взаимодействия соответственно с запорными элементами нагнетательного и всасывающего клапанов при допускании штанг и связанного с ними полого плунжера вниз.

Недостатками являются ненадежность работы штангового насоса при неполном закрывании клапана и возможность полной потери работоспособности в наклонных скважинах из-за отсутствия направляющих для шара, т.к. для открытия толкателя шар должен иметь возможность смещения вбок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является штанговый насос с возможностью прямой промывки (патент RU №2366832, МПК F04B 47/02, 53/14, опубл. 25.10.2009 в бюл. №25), содержащий цилиндр, размещенный в полости цилиндра полый плунжер, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полостях цилиндра и плунжера, включающие корпус с шаром и седлом, толкатель, установленный с возможностью подъема шара нагнетательного клапана при опускании плунжера ниже нижней мертвой точки и приводящий в действие механизм перемещения шара всасывающего клапана. Подпружиненный толкатель расположен сбоку в специальном канале в виде стержня с шарнирным наконечником, взаимодействующим с конической поверхностью корпуса и шаром всасывающего клапана.

Недостатками устройства являются сложность и ненадежность конструкции, так как из-за бокового специального канала конструкция становится несимметричной и трудно изготавливаемой, уменьшается проход клапана, а шарнирный наконечник на тонком стержне не выдержит усилий, необходимых для перемещения шара под давлением до 20 МПа. Кроме того, отсутствие направляющих для шара снижает надежность работы штангового насоса в наклонных скважинах.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемым штанговым насосом с возможностью прямой промывки (ШНВПП), являются упрощение конструкции и повышение надежности его работы.

Технические задачи решаются штанговым насосом с возможностью прямой промывки, содержащим цилиндр, размещенный в полости цилиндра полый плунжер, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полостях цилиндра и плунжера, включающие корпус с шаром и седлом, толкатель, установленный с возможностью подъема шара нагнетательного клапана при опускании плунжера ниже нижней мертвой точки и приводящий в действие механизм перемещения шара всасывающего клапана.

По первому варианту новым является то, что корпус всасывающего клапана выполнен с направляющими для шара, исключающими его боковое перемещение, и окнами, а механизм перемещения шара всасывающего клапана выполнен в виде цанги, одетой на корпус клетки всасывающего клапана, с возможностью ограниченного перемещения вниз, лепестки цанги размещены в окнах и в нижней части выполнены с наружными выступами и внутренними - в виде клина, взаимодействующими с шаром между его большим в плоскости перпендикулярной оси клапана кругом и седлом, на корпус всасывающего клапана и цангу одет вверх дном стакан, дно стакана жестко соединено с толкателем, боковая поверхность стакана выполнена с окнами для жидкости, а нижний торец стенок стакана выполнен с внутренней конической поверхностью, взаимодействующей с наружными выступами лепестков цанги, причем дно стакана подпружинено вверх относительно корпуса всасывающего клапана.

По второму варианту новым является то, что корпус всасывающего клапана выполнен с направляющими на внутренней поверхности и перегородкой с отверстиями, ограничивающими осевое перемещение шара, а механизм перемещения шара всасывающего клапана выполнен в виде подпружиненного вниз захвата, корпус которого жестко соединен с тягами, выполненными с выступами на нижнем конце, а корпус захвата выполнен с возможностью взаимодействия через рычаг и пяту с подпружиненным вверх толкателем.

На фиг. 1 показана схема ШНВПП с цанговым механизмом в рабочем положении.

На фиг. 2 показан поперечный разрез А-А насоса.

На фиг. 3 показана схема ШНВПП с цанговым механизмом в положении промывки.

На фиг. 4 показана схема ШНВПП с рычажным механизмом перемещения шара всасывающего клапана в рабочем положении.

На фиг. 5 показана схема ШНВПП в положении промывки.

По первому варианту штанговый насос с возможностью прямой промывки (фиг. 1-3) содержит удлинитель цилиндра 1, полый плунжер 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, установленные соответственно в полостях удлинителя цилиндра 1 и плунжера 2. Всасывающий клапан 3 содержит корпус 5 с шаром 6 и седлом 7, толкатель 8, установленный с возможностью подъема шара 9 нагнетательного клапана 4 при опускании плунжера 2 ниже нижней мертвой точки и приводящий в действие механизм перемещения шара 6 всасывающего клапана 3.

Корпус 5 всасывающего клапана присоединен резьбой к удлинителю цилиндра 1 и выполнен с четырьмя окнами 10 во внутреннюю полость 11, выполненную с внутренним диаметром немного больше диаметра шара 6 всасывающего клапана 3, обеспечивающим его центровку относительно седла 7 и исключающим его боковое перемещение и, соответственно, выполняющим роль направляющих. Механизм перемещения шара всасывающего клапана выполнен в виде цанги 12, одетой на корпус 5 всасывающего клапана 3, с возможностью ограничения перемещения вниз выступом 13 корпуса 5, а вверх - кольцевым выступом 14. Два лепестка 15 цанги 12 размещены в двух противоположно расположенных окнах 10 и в нижней части выполнены с наружными выступами 16 и внутренними - в виде клина 17, взаимодействующими с шаром 6 между его большим в плоскости перпендикулярной оси клапана 3 кругом и седлом 7. На корпус 5 и цангу 12 одет вверх дном стакан 18, дно которого выполнено с толкателем 8 в виде цилиндрического выступа, боковая поверхность стакана 18 выполнена с окнами 19 для жидкости, а нижний торец его стенок выполнен с внутренней конической поверхностью 20, взаимодействующей с наружными выступами 16 лепестков 15 цанги 12, причем дно стакана 18 подпружинено вверх относительно корпуса 5 пружиной 21 и выполнено с радиальными пазами 22. Толкатель 8 предназначен для взаимодействия с шаром 9 нагнетательного клапана 4 плунжера 2 с седлом 23.

По второму варианту штанговый насос с возможностью прямой промывки с рычажным механизмом перемещения (фиг. 4-5) содержит удлинитель цилиндра 1, плунжер 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, установленные соответственно в полостях удлинителя цилиндра 1 и плунжера 2, и толкатель 8, установленный с возможностью подъема шара 9 нагнетательного клапана 4 при опускании плунжера 2 ниже нижней мертвой точки и приводящий в действие механизм перемещения шара 6 всасывающего клапана 3.

Корпус 5 всасывающего клапана 3 с шаром 6 и седлом 7 присоединен резьбой к удлинителю цилиндра 1. На внутренней поверхности полости 11 корпуса 5 всасывающего клапана 3 выполнены направляющие 24 и перегородка 25, ограничивающая осевое перемещение шара 6, с каналами 26, через которые от корпуса 27 захвата, представляющего собой механизм перемещения шара 6 всасывающего клапана 3, проходят тяги 28 с выступами в виде утолщений 29 на нижнем конце. Тяги 28 также выполняют роль дополнительных направляющих. Корпус 27 захвата подпружинен вниз пружиной 30 и выполнен с возможностью взаимодействия через рычаг 31 и пяту 32 с подпружиненным вверх толкателем 8. Точка опоры рычага размещена на ограничивающей перегородке 25.

Другим плечом рычаг 31 взаимодействует с подпружиненным той же пружиной 30 вверх через его перфорированный упор 33 толкателем 8 с пятой 32.

Над упором 33, ограниченным вверх кольцевым выступом 34 корпуса 3 всасывающего клапана, продолжается толкатель 8.

По первому варианту ШНВПП работает следующим образом.

В обычном режиме работы насоса при ходе плунжера 2 вверх всасывающий клапан 3 открыт перепадом давления и его шар 6 находится в верхнем положении, а нагнетательный - закрыт, и его шар 9 находится на седле 23. При ходе вниз все наоборот.

Для осуществления прямой промывки насоса останавливают привод (на фигурах не показан) в нижней мертвой точке и с его помощью опускают колонну штанг ниже мертвой точки до упора.

При этом толкатель 8 (фиг. 1, 2, 3) входит через седло 23 внутрь нагнетательного клапана 4 плунжера 2 и приподнимает шар 9 с седла 23.

Далее нижний торец нагнетательного клапана 4 упирается в дно стакана 18 и перемещает его вниз, сжимая пружину 21. При этом внутренняя коническая поверхность 20 нижнего торца стенок стакана 18 вдавливает выступы 16 на конце лепестков 15 цанги 12, изгибает лепестки 15 до контакта внутренних клиновых выступов 17 с шаром 6 ниже его большого диаметра и надавливает на него. При дальнейшем движении вниз клиновые выступы 17, действуя с двух сторон, поднимают шар 6 с седла 7. При достижении выступами 16 верхней точки конической поверхности 20 дно стакана 18 упирается в верхний торец корпуса 5. В этом положении шары 6 и 9 обоих клапанов максимально подняты, а клапаны максимально открыты для прохода жидкости в любом направлении.

Далее через колонну лифтовых труб (на фиг. не показана) производят закачку жидкости для промывки клапана или закачку реагента для обработки призабойной зоны продуктивного пласта.

При этом закачиваемая в трубы жидкость проходит плунжер 2, далее через зазор между шаром 9 и седлом 23 нагнетательного клапана, далее через зазор между седлом 23 и толкателем 8 и пазы 22 в полость удлинителя цилиндра 1, затем через окна 19 стакана 18, окна 10 корпуса 5 всасывающего клапана и его внутреннюю полость 11, зазор между шаром 6 и седлом 7 в полость скважины, а далее закачивается в пласт при обработке призабойной зоны или через межтрубное пространство скважины на поверхность при промывке. При использовании в установках с пакером, например, при одновременно-раздельной добыче, жидкость после всасывающего клапана через хвостовик попадает в подпакерное пространство и далее в продуктивный пласт.

После окончания промывки плунжер 2 переводят в рабочее положение. Толкатель 8 выходит из нагнетательного клапана 4, шар 9 садится на седло 23, пружина 21 поднимает вверх стакан 18, лепестки 15 цанги 12 и его клиновые выступы 17 за счет упругости расходятся, освобождая шар 6, который по корпусу 5 садится в седло 7 независимо от наклона скважины.

По второму варианту ШНВПП с рычагом работает следующим образом.

В обычном режиме работы насоса при движении плунжера 2 (фиг. 4-5) вниз шар 9 поднят над седлом 23 и нагнетательный клапан открыт, а шар 6 всасывающего клапана 3 сидит на седле 7 и клапан закрыт, а при движении вверх наоборот.

Для осуществления прямой промывки насоса привод останавливают и опускают колонну штанг ниже нижней мертвой точки, плунжер 2 опускается вниз, цилиндрический толкатель 8 входит сквозь седло 23 внутрь нагнетательного клапана 4 и поднимает шар 9 над седлом 23, при этом нижний торец клапана 4 упирается в перфорированный упор 33 толкателя 8, перемещая его вниз и сжимая пружину 30, а пята 32 толкателя перемещает вниз плечо рычага 31, который другим плечом перемещает вверх корпус 27 захвата, сжимая ту же пружину 30 и перемещая присоединенные к нему тяги 28, которые своими выступами 29 поднимают шар 6 с седла 7, образуя кольцевой зазор.

Далее производят закачку жидкости для промывки или обработки призабойной зоны скважины по лифтовым трубам, которая проходит через плунжер 2, зазоры между шаром 9, седлом 23 и толкателем 8, далее через перфорированный упор 33, проход корпуса 27 захвата, каналы 26 ограничивающей перегородки 25, внутреннюю полость 11 корпуса 5 всасывающего клапана 3 и, наконец, через кольцевой зазор между седлом 7 и шаром 6 в полость скважины или хвостовик, а затем подпакерное пространство.

После окончания промывки плунжер 2 переводят в рабочее положение. Толкатель 8 выходит из нагнетательного клапана 4, шар 9 садится на седло 23, пружина 30, упираясь в корпус 27 захвата, поднимает толкатель 8 до упора перфорированного упора 33 в кольцевой выступ 34, при этом пружина 30 также перемещает вниз корпус 27 захвата с тягами 28 до упора их в седло 7, рычаг 31 принимает исходное положение, а шар 6 по направляющим 24 садится в седло 7 независимо от наклона скважины.

После этого, вернув плунжер в нижнюю мертвую точку, запускают привод насоса.

Таким образом оба предлагаемых варианта конструкции обеспечивают надежное открытие канала промывки и беспрепятственный возврат к обычной работе насоса.

Тяги захвата 28 с утолщениями 29 у рычажного и выступы 16 и 17 цангового механизмов обеспечивают поднятие шара 6 при перепадах 20 МПа и более.

Количество тяг 28 и лепестков 15 цанги 12 может быть и более двух, если прочности двух окажется недостаточно. Толкатель 8 может быть изготовлен как продолжение корпуса 5 клапана, проходящее через отверстие в дне стакана 18.

Конструкции штангового насоса с возможностью прямой промывки обеспечивают высокую надежность в работе как в вертикальных, так и в наклонно-направленных скважинах, просты в изготовлении.