СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

Изобретение относится к производству скважинного оборудования, может быть использовано для скважинной добычи нефти с применением вставных штанговых насосов, в том числе для скважинной добычи нефти с повышенной вязкостью и высоким содержанием газа. Заявляемый насос может использоваться при содержании свободного газа в перекачиваемом продукте до 50%.

Известен дифференциальный штанговый насос для скважин с высоким газовым фактором по патенту РФ на полезную модель №97775, F04B 47/00, 2009. Насос включает плунжер и нагнетательный клапан, выполненный в виде плунжера-клапана, включающего полый переходный шток со сквозным каналом, концевой наружной резьбой и кольцевым уступом. К торцу кольцевого уступа прижато седло, фиксируемое от осевого смещения гайкой. Установленная концентрично полому переходному штоку подвижная часть плунжера-клапана включает в себя цилиндрический корпус с концевой резьбой, его внутренняя часть и наружная поверхность полого переходного штока образуют кольцевую камеру. В процессе движения колонны штанг вниз происходит выход нефтяного газа из цилиндра насоса без образования газовой шапки в цилиндре. Сложность конструкции, большое количество резьбовых соединений рабочих частей насоса, отсутствие уплотнений снижает его надежность.

Известен штанговый насос для добычи вязкой нефти по патенту на полезную модель РФ №110430, F04B 47/00, 2011. Насос содержит цилиндр с седлом, полый плунжер, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером. Всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанги, вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения. Нагнетательный клапан снабжен дополнительным цилиндром меньшего диаметра, а колонна штанг - дополнительным плунжером меньшего диаметра, вставленным в дополнительный цилиндр для обеспечения герметизации при возвратно-поступательном ходе плунжера в цилиндре. Конструктивная сложность узла герметизации снижает надежность конструкции. Кроме того, воздействие столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб на нагнетательный клапан также снижает надежность конструкции. Данный насос не оснащен узлом спуска газа, что затрудняет его использование при перекачке высоковязкой нефти с высоким содержанием свободного газа.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран скважинный штанговый насос по патенту РФ на полезную модель №125270, F04B 47/00, 2012. Насос содержит цилиндр с размещенным в нем полым плунжером, в котором установлен нагнетательный клапан, насосную камеру с всасывающим клапаном и клапан стравливания газа. В качестве клапана стравливания газа используется нагнетательный клапан, снабженный узлом задержки его закрытия. Узел задержки закрытия выполнен в виде толкателя, взаимодействующего с запорным элементом нагнетательного клапана. Толкатель соединен с полым плунжером с возможностью продольного перемещения относительно полого плунжера и установлен в цилиндре посредством разрезной втулки. При работе насоса за счет повышенного трения наружной поверхности втулки о внутреннюю поверхность цилиндра происходит движение плунжера вниз относительно втулки с толкателем. Недостатком является невысокая надежность работы при использовании его для перекачки вязкой жидкости вследствие возможного залипания запорных элементов всасывающего и нагнетательного клапанов. В результате возможного не срабатывания клапанов не произойдет и удаление свободного газа из полости насоса. Кроме того, вследствие повышенного трения втулки о поверхность цилиндра происходит износ их поверхностей, что может привести к отказу работы толкателя и невозможности удаления газа из корпуса насоса.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности насоса при перекачивании высоковязкой нефти с высоким содержанием свободного газа.

Технический результат достигается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, полый плунжер, с установленным в нем нагнетательным клапаном, всасывающий клапан, отсечной клапан, согласно изобретению, отсечной клапан расположен в верхней части насоса, в которой расположено механическое уплотнение полого штока, соединенного с полым плунжером, и дополнительная нагнетательная камера, соединенная с основной нагнетательной камерой с помощью отверстий в клетке плунжера, дополнительная нагнетательная камера образована внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью полого штока, одна ее торцевая поверхность выполнена глухой, а второй торец образует клетка плунжера с отверстиями, запорные элементы всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках.

Механическое уплотнение полого штока может содержать уплотнительные и упругие кольца, поджатые в осевом направлении и помещенные в эксцентрические кольцевые канавки на внутренней поверхности цилиндра, выполненные с диаметральным смещением одной канавки относительно другой в противоположном направлении.

Технический результат обеспечивается тем, что конструктивное исполнение верхней части насоса позволяет надежно обеспечить выпуск свободного газа из корпуса насоса за счет создания дополнительной нагнетательной камеры, сообщенной с основной нагнетательной камерой. Дополнительная нагнетательная камера образована внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью полого штока, сверху она ограничена неподвижной соединительной втулкой корпуса цилиндра. При перемещении плунжера вдоль оси насоса происходит изменение объема дополнительной камеры, т.к. ее верхняя стенка неподвижна, а снизу она ограничена подвижной поверхностью клетки плунжера, которая перемещается вместе с плунжером при его ходе. За счет того, что дополнительная нагнетательная камера сообщается с основной нагнетательной камерой с помощью отверстий в клетке плунжера происходит как заполнение ее газожидкостной средой, так и вытеснение среды при уменьшении ее объема во время движения плунжера вверх. В результате цикла последовательных вытеснений среды из дополнительной нагнетательной камеры в основную нагнетательную камеру в последней происходит повышение давления. В момент превышения давления внутри нагнетательной камеры внешнего давления столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) происходит открытие отсечного клапана. Возможность создания повышенного давления и надежной работы отсечного клапана обеспечивается наличием механического уплотнения подвижного полого штока. Таким образом, совокупность таких признаков, как расположение в верхней части насоса дополнительной нагнетательной камеры, механического уплотнения плунжера и отсечного клапана обеспечивает надежность работы насоса при перекачивании нефти с высоким содержанием свободного газа. Надежность работы насоса для перекачивания высоковязкой нефти обеспечивается тем, что запорные элементы всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках. Данное конструктивное исполнение всасывающего и нагнетательного клапанов позволяет обеспечить их запорным элементам направленное движение, что исключает хаотичные удары запорного элемента каждого клапана 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 увеличить проходное сечение для поступления вязкой жидкости и улучшить динамику потока. Это в свою очередь приводит к возможности уменьшения числа ходов штока, к снижению нагрузки на привод и повышает надежность и КПД насоса. Увеличение проходного сечения всасывающего клапана позволяет закачать больший объем вязкого скважинного продукта в приемную камеру насоса.

На фигуре представлен общий вид скважинного штангового насоса.

Скважинный штанговый насос содержит приемную камеру 1, основную нагнетательную камеру 2, дополнительную нагнетательную камеру 3, цилиндр 4, всасывающий клапан 5, нагнетательный клапан 6, плунжер 7, полый полированный шток 8, механическое уплотнение 9 полого штока 8, отсечной клапан 10, в клетке плунжера 7 выполнены отверстия 11.

Скважинный штанговый насос работает следующим образом.

После спуска скважинного штангового насоса в скважину на колонне насосных штанг осуществляют возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг, что вызывает возвратно-поступательное перемещение полого полированного штока 8 с плунжером 7. При ходе плунжера 7 вверх открывается всасывающий клапан 5. Вязкая скважинная жидкость с газом попадает в приемную камеру 1. При ходе плунжера 7 вниз всасывающий клапан 5 закрывается, открывается нагнетательный клапан 6. Скважинная жидкость с газом попадает в основную нагнетательную камеру 2 и в дополнительную нагнетательную камеру 3, т.к. данные камеры сообщаются между собой через отверстия 11 в клетке плунжера 7. Дополнительная нагнетательная камера 3 образована внутренней поверхностью цилиндра 4 и наружной поверхностью полого штока 8, одна ее торцевая поверхность выполнена глухой, а второй торец образует клетка плунжера 7 с отверстиями. При этом отсечной клапан 10 находится в закрытом состоянии, и столб жидкости в колонне НКТ не оказывает давление на основную камеру нагнетания 2 и не влияет на работу нагнетательного клапана 6. При следующем ходе плунжера 7 вверх вновь открывается всасывающий клапан 5 и очередная порция скважинной жидкости с газом поступает в приемную камеру 1. Запорные элементы всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках. Под воздействием двигающегося плунжера 7 сокращается объем дополнительной нагнетательной камеры 3, и жидкость с газом вытесняется из камеры 3 через окна клетки плунжера 11 в основную нагнетательную камеру 2. Для исключения перетоков скважинного продукта из дополнительной нагнетательной камеры 3 в НКТ применяют специальное механическое уплотнение 9 полого штока 8. Механическое уплотнение 9 полого штока 8 может содержать уплотнительные и упругие кольца, поджатые в осевом направлении и помещенные в эксцентрические кольцевые канавки на внутренней поверхности цилиндра 4, выполненные с диаметральным смещением одной канавки относительно другой в противоположном направлении. В месте установки подобного уплотнения поток жидкости испытывает большое гидравлическое сопротивление за счет попадания в лабиринтную щель сложной формы и за счет неоднократной смены направления, благодаря чему исключаются протечки среды. При следующем ходе плунжера 7 вниз открывается нагнетательный клапан 6 и жидкость с газом из приемной камеры 1 поступает в основную нагнетательную камеру 2, где уже находится первая порция скважиной жидкости с газом. При закрытом отсечном клапане 10 заполняются основная 2 и дополнительная 3 нагнетательные камеры. Таким образом, за несколько двойных ходов камеры нагнетательные камеры 2 и 3 заполняются полностью скважинной жидкостью с газом. Заполнение происходит до тех пор, пока давление в этих камерах не превысит столба жидкости, отсеченного от камер 2 и 3 отсечным клапаном 10. При следующем движении плунжера 7 вверх, в камеру 1 поступает очередная порция скважинной жидкости с газом, а жидкость из дополнительной нагнетательной камеры 3 вытесняется в основную нагнетательную камеру 2. Отсечной клапан 10 открывается и часть жидкости с газом поступает в НКТ. Благодаря возможности отсечения столба жидкости отсечным клапаном 10 и наличию дополнительной нагнетательной камеры 3 исключается влияние газа на работу насоса. Благодаря конструктивному выполнению всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов исключается влияние высокой вязкости жидкости на работу насоса.

Заявляемое изобретение позволяет повысить надежность работы скважинного штангового насоса.