Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для эксплуатации высокодебитных нефтяных скважин.

Известен штанговый скважинный насос двойного действия, содержащий цилиндр, имеющий нижний всасывающий клапан и соединенный с колонной труб при помощи переводника, снабженного верхними всасывающим и нагнетательным клапанами, и полый плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной и подплунжерной полостей и возможностью возвратно-поступательного перемещения, связанный с полой штангой и имеющий нижний нагнетательный клапан. Верхний нагнетательный клапан выполнен в виде втулки, расположенной на полом штоке с возможностью осевого перемещения вверх под действием избыточного давления и вниз под собственным весом (патент RU №2436996, МПК F04В 47/00, опубл. 20.12.2011 г., бюл. №35).

Недостатком известного насоса является невозможность применения его в высокодебитных скважинах. Чтобы обеспечить перетекание жидкости через верхний боковой всасывающий клапан с минимальными потерями, необходимо применять клапаны с достаточным проходным сечением. При этом реальные поперечные габариты насоса двойного действия оказываются таковы, что в скважине с эксплуатационной колонной условным диаметром 146 мм может быть размещен штанговый насос условным диаметром не более 44 мм. В то же время в такой скважине может быть размещен и более простой по конструкции стандартный штанговый насос диаметром 70 мм, производительность которого при тех же длине хода и частоте качаний будет превышать производительность более сложного и дорогого насоса двойного действия с диаметром насоса 44 мм.

Конструкция насоса не позволяет увеличить его производительность насоса путем подсоединения к нему дополнительного аналогичного насоса двойного действия, поскольку в известном насосе жидкость при ходе плунжера вверх из надплунжерной полости поступает непосредственно в колонну труб.

Кроме того, запорные органы применяемых в насосе клапанных узлов выполнены по типу шар-седло, они малоэффективны при работе в наклонно направленных скважинах и неработоспособны в скважинах с горизонтальными участками, что сужает область применения насоса.

Известен скважинный штанговый насос двухстороннего действия, содержащий цилиндр с полым плунжером, нижние всасывающий и нагнетательные клапаны, верхние всасывающий и нагнетательные клапаны. Плунжер соединен с штанговой колонной полым полированным штоком с уплотнением, разобщающим полость колонны труб от полости цилиндра насоса (патент RU №2386018, МПК Ε21В 43/14, F04В 47/00, опубл. 10.04.2010 г., бюл. №10).

Недостатками известного насоса являются невозможность применения его в высокодебитных скважинах, поскольку он также содержит боковой всасывающий шариковый клапан, увеличивающий поперечные габариты насоса и вследствие этого не позволяющий применить плунжерные пары большого диаметра, конструкция насоса не позволяет увеличить производительность насоса путем подсоединения к нему дополнительного аналогичного насоса двухстороннего действия, а примененные в насосе клапанные узлы малоэффективны при работе в наклонно направленных скважинах и неработоспособны в скважинах с горизонтальными участками.

Техническими задачами изобретения являются повышение производительности насоса двухстороннего действия за счет возможности использования в насосе плунжерных пар обычного штангового насоса максимально возможного диаметра для конкретной скважины, еще большего повышения производительности насоса за счет возможности последовательного соединения между собой нескольких насосов двухстороннего действия, а также расширение области применения насоса за счет возможности использования его в наклонных и горизонтальных скважинах.

Указанные технические задачи решаются скважинным штанговым насосом двухстороннего действия, включающим спускаемый на колонне труб цилиндр и плунжер с верхними и нижними всасывающими и нагнетательными клапанами с запорными органами, причем верхний всасывающий клапан установлен снаружи цилиндра, а плунжер соединен с колонной штанг через полый шток с уплотнением.

Новым является то, что нижний всасывающий клапан цилиндра расположен снаружи, плунжер сверху и снизу оснащен соответственно верхним и нижним нагнетательными клапанами, полый шток сообщен через верхние отверстия с пространством колонны труб, а через верхний и нижний нагнетательные клапаны плунжера - с соответствующими полостями цилиндра, полости цилиндра и пространства колонны труб разобщены уплотнением полого штока, каждый клапан выполнен в виде корпуса с внутренним кольцевым каналом, сообщающим входные радиальные окна с внутренней кольцевой проточкой, запорным органом в виде эластичной цилиндрической втулки с наружным утолщением, перекрывающей кольцевую проточку с возможностью пропуска внутрь и закрепленной на корпусе за утолщение снаружи замком, при этом входные окна всасывающих клапанов снаружи снабжены фильтрами, а выше цилиндра колонна труб снабжена сливным клапаном.

Новым также является то, что насос снизу снабжен одним или несколькими жестко соединенными одинаковыми дополнительными цилиндрами с плунжерами с установленными на них верхними и нижними всасывающими и нагнетательными клапанами, причем плунжеры между собой соединены дополнительными полыми штоками с уплотнениями, разобщающими полости цилиндров.

Также новым является то, что полый шток соединен с колонной штанг устройством соединения-разъединения.

На фиг. 1 схематично показан общий вид скважинного штангового насоса двухстороннего действия, на фиг. 2 схематично показана конструкция клапана.

Скважинный штанговый насос двухстороннего действия (фиг. 1) включает спускаемый на колонне труб 1 цилиндр 2 с верхним 3 и нижним 4 всасывающими клапанами, расположенными снаружи цилиндра 2, и плунжер 5 с верхним 6 и нижним 7 нагнетательными клапанами.

Полый шток 8 сообщен через верхние отверстия 9 с пространством 10 колонны труб 1, а через верхний 6 и нижний 7 нагнетательные клапаны плунжера 5 - с соответствующими полостями 11 и 12 цилиндра 2. Полость 11 цилиндра 2 разобщена от пространства 10 колонны труб 1 уплотнением 13 полого штока 8.

Каждый клапан, примененный в насосе, выполнен в виде корпуса 14 (фиг. 2) с кольцевым каналом 15, сообщающим входные окна 16 с внутренней кольцевой проточкой 17. Запорный орган выполнен в виде эластичной цилиндрической втулки 18 с наружным утолщением 19, перекрывающей кольцевую проточку 17 с возможностью пропуска внутрь и закрепленной в корпусе 14 за утолщение 19 замком 20. Входные окна 16 всасывающих клапанов 3 (фиг. 1) и 4 снаружи снабжены фильтрами 21. Выше цилиндра 2 колонна труб 1 снабжена сливным клапаном 22, открывающимся под действием заданного избыточного давления в пространстве 10 колонны труб 1.

Насос снизу снабжен дополнительным цилиндром 23 с верхним 24 и нижним 25 всасывающими клапанами и дополнительным плунжером 26 с верхним 27 и нижним 28 нагнетательными клапанами. Дополнительный плунжер 26 присоединен к плунжеру 5 с помощью дополнительного полого штока 29 с уплотнением 30, разобщающим полость 12 цилиндра 2 от полости 31 дополнительного цилиндра 23. Последовательно устанавливаемых аналогичных дополнительных цилиндров 23 и дополнительных плунжеров 26 может быть несколько, и их количество зависит от дебита скважины, в которую спускают скважинный насос.

Полый шток 8 может быть соединен с колонной штанг 32 устройством соединения-разъединения 33.

Скважинный штанговый насос двухстороннего действия работает следующим образом.

Подготовленные на поверхности сборки (секции) 34 и 35 насоса, состоящие соответственно из основных и дополнительных цилиндров 2, 23 и плунжеров 5, 26, при спуске в скважину (на фиг. не показана) последовательно соединяются между собой: полый шток 29 присоединяется, например, с помощью переводника 36 к нижнему нагнетательному клапану 7 плунжера 5, после чего, например с помощью переводника 37, между собой соединяются корпусные элементы секций 34 и 35. В собранном виде насос на колонне труб 1 опускается в скважину на заданную глубину. Затем в колонну труб 1 опускается колонна штанг 32, и с помощью известного устройства сцепления-расцепления 33 (например, СР-1) присоединяется к ответной части данного устройства, установленной перед спуском в скважину на верхнем конце полого штока 8 с помощью, например, переводника 38, выполненного с отверстиями 9. Выполнив монтаж, насос пускают в работу.

При ходе колонны штанг 32 и соединенных с ней полых штоков 8, 29 и плунжеров 5, 26 вниз жидкость из подплунжерных полостей 12, 39 при закрытых нижних всасывающих клапанах 4, 25 через открывшиеся нижние нагнетательные клапаны 7, 28 поступает в плунжеры 5, 26 и полые штоки 8, 29, откуда через отверстия 9 переводника 38 - в пространство 10 колонны труб 1. В это время увеличивающиеся объемы надплунжерных полостей 11, 31 цилиндров 2, 23 через открытые верхние всасывающие клапаны 3, 24 заполняются скважинной жидкостью.

При ходе плунжеров 5, 26 вверх жидкость из надплунжерных полостей 11, 31 при закрытых верхних всасывающих клапанах 3, 24 через открывшиеся верхние нагнетательные клапаны 6, 27 поступает в плунжеры 5, 26 и полые штоки 8, 29 и далее через отверстия 9 в пространство 10 колонны труб 1. В это время увеличивающиеся объемы подплунжерных полостей 12, 39 цилиндров 2, 23 через открытые нижние всасывающие клапаны 4, 25 заполняются скважинной жидкостью. Далее циклы повторяются.

Расположение нижнего всасывающего клапана 4 снаружи цилиндра 2 позволяет расположить в этом пространстве цилиндра дополнительный шток 29 присоединенного снизу фактически такого же насоса и при необходимости разместить ниже сборки 34 еще одну аналогичную сборку насоса (на фиг. 1 не показана). Для этого необходимо отсоединить заглушки 40 и 41 и добавить аналогичную сборку насоса.

Конструкция применяемых клапанов (известна по пат. №2487271) позволяет расположить их снаружи цилиндров, что обеспечивает подсоединение дополнительной сборки 34 насоса.

В отличие от известных боковых шариковых всасывающих клапанов такой клапан имеет значительно меньшие габаритные размеры, что позволяет применить в насосе плунжерные пары, максимально возможные для внутреннего диаметра конкретной скважины.

Эластичная цилиндрическая втулка 18 (фиг. 2) при отсутствии перепадов давления под действием упругих сил всегда перекрывает внутреннюю кольцевую проточку 17, и только под действием перепада давления снаружи эластичная цилиндрическая втулка 18 деформируется внутрь и жидкость через окна 16, кольцевую полость 15 и внутреннюю кольцевую проточку 17 поступает внутрь цилиндра или плунжера. При действии перепада давления изнутри эластичная цилиндрическая втулка 18 герметично поджимается к внутренней кольцевой проточке 17. Изготовление клапанов 3 (фиг. 1), 4, 6, 7, 24, 25, 27 и 28, примененных в насосе, в виде корпуса 14 (фиг. 2) с кольцевым каналом 15, сообщающим входные окна 16 с внутренней кольцевой проточкой 17, в которых запорный орган выполнен в виде эластичной цилиндрической втулки 18 с наружным утолщением 19, закрепленной в корпусе 14 за утолщение 19 замком 20, позволяет их использовать независимо от ориентации насоса в пространстве, они работоспособны в любом положении, что позволяет использовать насос в наклонных скважинах и в скважинах с горизонтальными участками.

Применение фильтра 21 (фиг. 1) на всех всасывающих клапанах насоса исключает попадание возможных механических включений из скважины во внутренние полости клапанов, что повышает надежность их работы.

Устройство соединения-разъединения 33 при монтаже оборудования в скважине позволяет присоединить нижний конец колонны штанг 32 к штоку 8 и обеспечить работоспособность насоса. При извлечении насоса из скважины устройство соединения-разъединения 33 позволяет отсоединить нижний конец колонны штанг 33 от насоса и извлечь ее на поверхность, после чего на колонне труб 1 насос извлекается из скважины.

Перед извлечением насоса из скважины в колонне труб 1 создается заданное избыточное давление, под действием которого разрушается мембрана 42 сливного клапана 22, что позволяет при извлечении оборудования перетекать жидкости из колонны труб 1 в полость скважины и исключить разлив скважинной жидкости на приустьевой площадке.

Пример конкретного выполнения.

Габариты скважинного штангового насоса двухстороннего действия позволяют в скважине с эксплуатационной колонной условным диаметром 114 мм разместить насос с плунжерными парами диаметром 57 мм. Теоретическая производительность при длине хода устьевого штока 3,5 м и частоте качаний 5 мин^-1 такого насоса, выполненного с одной верхней секцией (сборкой), составляет 109 м³/сут, а с двумя секциями - 198 м³/сут.

В скважине с эксплуатационной колонной условным диаметром 146 мм может быть размещен насос с плунжерными парами диаметром 70 мм. Теоретическая производительность при тех же режимах откачки такого односекционного насоса составляет 154 м³/сут, а двухсекционного - 269 м³/сут.

Предлагаемая конструкция скважинного штангового насоса позволяет повысить производительность отбора жидкости из нефтяных скважин (в том числе малого диаметра) при эксплуатации их установками скважинных штанговых насосов (УСШН), обеспечить возможность еще большего повышения производительности насоса за счет последовательного соединения между собой нескольких насосов двухстороннего действия, а также использовать его в наклонных скважинах и в скважинах с горизонтальными участками за счет примененных в насосе клапанов с запорными элементами, выполненными в виде эластичных цилиндрических втулок, работоспособность которых не зависит от их ориентации в пространстве.