Скважинный штанговый насос

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к скважинным штанговым насосам, предназначенным для добычи жидкости из скважин, и может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли. Скважинный штанговый насос содержит цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый сборный плунжер состоящий из разрезных компрессионных колец и торцевых ограничителей колец.

Одной из важных причин выхода из строя скважинного штангового насоса является износ пары цилиндр-плунжер.

Известен скважинный штанговый насос, включающий плунжер, представляющий собой трубу с наружной рабочей поверхностью, имеющей износостойкое хромовое покрытие или нанесенный износостойкий порошок, а также выполненные на части наружной поверхности плунжера кольцевые канавки, см. каталог «Скважинные штанговые насосы для добычи нефти», М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988, стр. 31.

При прохождении откачиваемой жидкости наружная поверхность плунжера выполняет функцию обеспечения герметичности пары плунжер-цилиндр, кольцевые канавки выполняют функцию аккумулирования части находящихся в откачиваемой жидкости механических примесей. Недостатком данного устройства является то, что кольцевые канавки быстро заполняются примесями и создают на некоторой части плунжера поверхность с высокой твердостью, что приводит к ужесточению процесса изнашивания цилиндра насоса.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, расположенный в цилиндре подвижно полый плунжер с выполненными на его боковой поверхности кольцевыми канавками, в которых расположены неразрезные упругие кольца с V-образными выступами на боковых поверхностях, контактирующие с поверхностью цилиндра, см. авторское свидетельство СССР №1610073. При движении полого плунжера вверх под давлением столба откачиваемой жидкости, находящейся над плунжером, упругие уплотнительные кольца раскрываются за счет разжатия V-образного выступа. Недостатком данного устройства является недостаточное уплотнение зазоров между боковыми поверхностями канавок на плунжере и торцами уплотнительных колец, также в зоне V-образного выступа, что приводит к утечке откачиваемой жидкости и снижению производительности насоса.

Известен также глубинный нефтяной насос, содержащий цилиндр с подвижно размещенным в нем полым плунжером с цилиндрическими канавками, в которых установлены разрезные уплотнительные элементы из эластичного материала, см. авторское свидетельство СССР №577314. Для компенсации износа уплотнительные кольца выполнены с шипами на верхней торцевой и внутренней цилиндрической поверхностях, прилегающих к стенкам канавки плунжера. Недостатками данного устройства являются утечка жидкости в зазоре между наружной боковой поверхностью колец и уплотняемой поверхностью цилиндра и 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.

Известен также скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре подвижно полый плунжер и уплотнительный узел, включающий чередующиеся запорные кольца объемной конфигурации и уплотнительные элементы в виде манжет объемной конфигурации, выполненных из упругопластичного деформируемого давлением нагнетания материала, см. патент РФ №2106530. 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.

Недостатками данного насоса являются сложность конструкции, что приводит к большим трудозатратам при его изготовлении, и ограничение его применения в скважинах с большим содержанием абразивных частиц, так как зазор между эластичными уплотнительными элементами и уплотняющей поверхностью цилиндра не защищен от попадания туда абразивных частиц из откачиваемой жидкости.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, см. патент РФ №2213261. В данном устройстве плунжер выполнен в виде стержня с радиальными каналами, при этом уплотнительные элементы выполнены в виде неразрезных колец из упругопластичного деформируемого материала с сечением в виде равнобокой трапеции. Недостатками данного известного насоса являются, во-первых, сложность конструкции, во-вторых, выполнение уплотнительных элементов из упругопластичного деформируемого материала, которое недолговечно при эксплуатации.

Как показывает практика, использование таких материалов в качестве уплотнений оправдано только свойством резины принимать форму ответной части уплотняемого соединения. Для создания герметичного соединения с использованием резинотехнических изделий необходимо изготовление жестких приспособлений для этих элементов, создающих каркас, ограничивающий изменение формы резины во всех направлениях, кроме уплотняемого соединения.

Известен скважинный штанговый насос по патенту РФ №2460902, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, который характеризуется тем, что уплотнительное устройство включает набор разрезных колец, установленных на корпусе плунжера и ограниченных от осевого смещения, при этом плунжер содержит гильзы с поршнями, предназначенные для восприятия силы давления столба жидкости в полости плунжера и передаче усилия на разрезные кольца, ограниченные сверху регулировочной гайкой, момент затяжки которой определяет силу реакции разрезных колец на стенки цилиндра.

Данное техническое решение, как наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению, принято в качестве его прототипа.

Недостатком прототипа является:

1. Прямая зависимость уплотнения устройства от работы поршней расположенных в плунжере. При увеличенном содержании механических примесей в скважинной жидкости присутствует момент заклинивания поршней для передачи усилия на разрезные кольца

2. На кольца постоянно действует сила давления для разжатия, что увеличивает силу трения, а так же износ пары цилиндр-плунжер.

Задачей изобретения является повышение надежности работы скважинного насоса за счет предотвращения заклинивания поршней, снижение трения и увеличение наработки на отказ пары плунжер-цилиндр.

Согласно изобретению скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнение, размещенное между цилиндром и плунжером, который характеризуется тем, что уплотнение выполнено в виде совокупности компрессионных разрезных колец и торцевых ограничителей, количество которых выбирают в зависимости от принимаемого уплотнением давления, при этом компрессионные разрезные кольца в несжатом состоянии выполнены с большим диаметром, чем номинальный диаметр цилиндра, и каждое компрессионное разрезное кольцо размещено в кольцевой канавке образующейся при сборке торцевых уплотнений на цилиндр с зазором, обеспечивающим свободное сжатие кольца, а торцевые ограничители выполнены с меньшим диаметром, чем диаметр уплотняемого цилиндра.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в предотвращения заклинивания поршней, снижение трения и увеличение наработки на отказ пары плунжер-цилиндр, что обеспечивает в течение длительного периода эксплуатации скважин эффективное уплотнения пары плунжер-цилиндр. Кроме того обеспечивается упрощение конструкции плунжера насоса и снижение трудоемкости его изготовления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез по уплотнению плунжерного скважинного штангового насоса, на фиг. 2 - узел А в увеличенном масштабе. На чертежах позициями обозначены: 1 - компрессионные разрезные кольца, 2 - торцевой ограничитель, 3 - цилиндр или канал для прохождения жидкости, 4 - контргайки.

Заявленный насос работает следующим образом.

Компрессионные разрезные кольца 1 центруют плунжер в цилиндре и создают гидравлическое уплотнение. Каждое кольцо 1 не имеет зависимости от соседнего и расположено в своей кольцевой канавке, образующейся при сборке торцевых уплотнений на цилиндр, с зазором позволяющим свободному сжатию кольца 1. На усилие прижатия кольца 1 к стенкам уплотняемого цилиндра создается усилие определяемое только упругостью материала кольца.

Торцевые ограничители 2 выполнены меньшим диаметром чем диаметр уплотняемого цилиндра, что позволяет им свободно перемещаться при большом отклонении от прямолинейности уплотняемого цилиндра.

Разница диаметра наружного торцевого уплотнения и диаметра цилиндра создают между соседними кольцами 1 дополнительное гидравлическое уплотнение, создаваемое перетоками жидкости.

Существенную роль в заявленном насосе играют сборные кольцевые канавки для колец 1. Известно что на цельных поршнях (плунжерах) в среднем радиальная толщина кольца (разница между внутренним и наружным диаметром) составляет 1/20 от диаметра уплотняемого цилиндра, иначе кольцо сломается от перенапряжения при одевании на плунжер, в то время как в заявленном устройстве показанном радиальную толщину колец 1 можно кратно увеличить в среднем до 1/10 от диаметра уплотняемого цилиндра. Это позволяет увеличить торцевые нагрузки на кольцо 1 при использовании плунжера в условиях высокого содержания мех примесей, а также уменьшить нагревания кольца 1 при трении о стенку уплотняемого цилиндра, т.к масса кольца будет больше.

Сборка заявленного устройства происходит следующим образом

На цилиндр или канал для прохождения жидкости 3 нанизывается торцевой ограничитель 2, на который нанизывается компрессионное кольцо 1. Сверху компрессионного кольца 1 нанизывается торцевой ограничитель 2 и закрепляется замком с предыдущим ограничителем. Вся конструкция закрепляется контргайками 4.

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.