СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Изобретение относится к производству скважинного оборудования, может быть использовано для скважинной добычи нефти с применением вставных штанговых насосов.

Известен вставной скважинный штанговый насос с управляемыми клапанами по патенту РФ на изобретение №2201531, F04B 47/00, 2003, содержащий цилиндр, плунжеры, всасывающий клапан, колонну насосных штанг. Цилиндр насоса выполнен подвижным и снабжен управляемым нагнетательным клапаном. В цилиндре расположены подвижный и неподвижный плунжеры. Подвижный плунжер нижним концом соединен с седлом всасывающего клапана. Ограничитель хода подвижного плунжера соединен тягой с всасывающим клапаном. Недостатком является невысокая эффективность работы насоса из-за недостаточной наполняемости камеры нагнетания, связанной с необходимостью подъема объемного подвижного плунжера под действием разрежения в подвижном цилиндре.

Известен штанговый насос с управляемыми клапанами для добычи высоковязкой нефти по патенту РФ на изобретение №2211374, F04B 47/00, 2003. Насос содержит всасывающий клапан, плунжер, нагнетательный шток-клапан с толкателем. Цилиндр поджат пружиной и выполнен с возможностью осевого перемещения внутри кожуха, соединенного с колонной труб. Всасывающий клапан состоит из седла, выполненного в цилиндре, и запорного элемента с проходными каналами кожуха. Недостатком является невысокая надежность насоса, связанная со сложностью конструкции, с использованием пружин, которые в результате постоянных нагрузок в скважине теряют свои свойства.

В качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению выбрано техническое решение по патенту РФ на изобретение №2462616, F04B 47/00, 2012. Глубинный штанговый насос содержит цилиндр, плунжер, узел всасывающего клапана и нагнетательный шток-клапан, жестко соединенный с колонной штанг через толкатель. Нагнетательный шток-клапан выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри плунжера. В состав узла всасывающего клапана входит шарик с седлом. Нагнетательный шток-клапан установлен с возможностью контактирования с плунжером по скошенной под углом 40-50° к оси насоса поверхности. Недостаточная эффективность работы насоса связана с возможностью открытия нагнетательного клапана только перемещением шток-клапана внутри плунжера. В ходе работы шток-клапана возможен перекос конической тарели нагнетательного клапана по отношению к скошенной поверхности плунжера. Отсутствие центрирующих элементов штока также может привести к его перекосу, неполному закрытию клапана, к снижению коэффициента наполнения насоса, к снижению надежности его работы и КПД.

Технической задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств скважинного штангового насоса.

Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности работы насоса.

Технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, шток, плунжер, узел всасывающего клапана, узел нагнетательного клапана, согласно изобретению запорный элемент всасывающего клапана выполнен в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках, запорный элемент нагнетательного клапана выполнен в виде полусферы, жестко закрепленной на цапфе, соединенной со штоком, седло нагнетательного клапана установлено на плунжере, плунжер выполнен с возможностью перемещения вдоль оси цапфы, на конце цапфы установлен центратор.

Технический результат обеспечивается за счет того, что запорный элемент всасывающего клапана выполнен в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках. Использование в скважинном насосе данного клапана позволяет обеспечить запорному элементу всасывающего клапана направленное движение, что исключает хаотичные удары запорного элемента о седло, снижая риск его повреждения и увеличивая срок службы клапана и насоса в целом. За счет движения запорного органа по направляющей при каждом открытии клапана на него действуют силы трения между стенками стержня и направляющих втулок и силы инерции направленного движения, что позволяет несколько увеличить проходное сечение и улучшить динамику потока. Это в свою очередь приводит к возможности уменьшения числа ходов штока, к снижению энергозатрат на привод и повышает КПД насоса. Увеличение проходного сечения всасывающего клапана позволяет закачать больший объем скважинного продукта в приемную камеру насоса.

Запорный элемент нагнетательного клапана выполнен в виде полусферы, жестко закрепленной на цапфе, соединенной со штоком, седло нагнетательного клапана установлено на плунжере. Данное конструктивное исполнение нагнетательного клапана позволяет открывать его принудительно, используя эффективно весь ход плунжера вниз, и закачивать в камеру нагнетания весь объем продукта, находящегося в приемной камере. При этом и жидкость, и газ свободно перетекают в колонну насосных труб, чему способствует и выполнение запорного органа в виде полусферы. Тогда как при обычном клапане «седло-шар» под действием столба жидкости клапан открывается в нижней точке, дойдя до жидкости в приемной камере, после сжатия газа, выделяющегося из продукта. Таким образом, повышается коэффициент наполнения насоса и повышается его КПД.

Установление седла нагнетательного клапана на плунжере и выполнение плунжера с возможностью свободного перемещения вдоль оси цапфы, расположенной внутри, позволяет значительно увеличить «полезный» ход плунжера, при этом само расстояние перемещения не изменяется. При ходе плунжера вниз за счет свободы передвижения плунжера по цапфе открывается полость для перехода скважинного продукта из приемной камеры в нагнетательную. Это позволяет гарантированно открыть нагнетательный клапан. Таким образом, «полезный» ход плунжера насоса увеличивается, повышая коэффициент наполнения насоса. Установка центратора на конце цапфы позволяет наряду с направляющей клеткой обеспечивать движение штока, цапфы и запорного органа нагнетательного клапана без перекоса вдоль оси насоса. Это обеспечивает полное плотное закрытие клапана и повышает надежность работы скважинного штангового насоса.

На фигуре представлен общий вид скважинного штангового насоса.

Скважинный штанговый насос содержит корпус 1 с цилиндром 2, шток 3, установленный внутри корпуса 1 и соединенный с цапфой 4, плунжер 5, коаксиально установленный с цапфой 4, направляющую клетку 6, узел нагнетательного клапана, содержащий полусферический запорный элемент 7, установленный на цапфе 4, и седло 8, соединенное с плунжером 5, узел всасывающего клапана, содержащий полусферический запорный элемент 9, закрепленный на стержне 10, и седло 11. Стержень 10 свободно установлен обоими концами в направляющих втулках 12. За узлом всасывающего клапана расположена приемная камера 13, за узлом нагнетательного клапана расположена нагнетательная камера 14. Насос снабжен узлом 15 для соединения с колонной насосных труб. Для центрирования штока 3 в насосе выполнена направляющая клетка 16 с окнами 17 для прохода жидкости и центратор 18, закрепленный на цапфе 4.

Скважинный штанговый насос работает следующим образом.

После спуска скважинного штангового насоса в скважину на колонне насосных штанг осуществляют возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг. При ходе штока 3, соединенного с колонной насосных штанг, и ходе плунжера 5 вверх в приемной камере 13 создается разрежение. Под действием разрежения открывается всасывающий клапан, при этом происходит движение стержня 10 внутри направляющих втулок 12. Между запорным полусферическим элементом 9 и седлом 11 образуется зазор, в который поступает скважинный продукт. Скважинный продукт, содержащий жидкость и газ, поступает в приемную камеру 13. При ходе штока 3 вниз всасывающий клапан закрывается, принудительно открывается нагнетательный клапан. При этом полусферический запорный элемент 7 перемещается на цапфе 4, образуя зазор с седлом 8. Плунжер 5 под действием давления жидкости и силы трения о внутреннюю поверхность цилиндра 2 перемещается вверх вдоль цапфы 4 на величину хода 13,75 м. Ход плунжера 5 вдоль цапфы 4 ограничен торцом направляющей клетки 6 с одной стороны и полусферой запорного элемента 7 нагнетательного клапана с другой стороны. Данной величины хода плунжера достаточно для перетока скважинной жидкости вместе с газом из приемной камеры 13 в камеру нагнетания 14 при открытом нагнетательном клапане. При следующем ходе штока 3 вверх скважинный продукт поступает в трубу НКТ через отверстия 17 в направляющей клетке 16. Клетка 16 и центратор 18 предназначены для центрирования штока 3 скважинного насоса при его возвратно-поступательном движении. Это наряду с выполнением запорных органов обоих клапанов в виде полусфер, и установкой одной полусферы на центрально расположенной цапфе 4, другой - на направляющем стержне 10 предотвращает перекос запорных органов и неполное открытие клапанов насоса. Выполнение плунжера 5 с возможностью свободного его перемещения вдоль цапфы 4 повышает наполняемость насоса.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективности и надежность работы насоса.