СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 1995 года по МПК F04B47/00 F04B53/00 

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к скважинным штанговым насосам для глубинноскважинной эксплуатации нефтяных скважин.

Известен глубинный скважинный насос, содержащий цилиндр с полым плунжером внутри него, всасывающим клапаном в цилиндре и нагнетательным клапаном в плунжере, причем плунжер состоит из нескольких частей, жестко соединенных друг с другом [1].

Недостатками данного насоса является то, что применение плунжера большой длины по отношению к его диаметру и большой жесткости приводит к интенсивному одностороннему износу цилиндра насоса при его работе в наклонных скважинах, когда цилиндр имеет естественное искривление за счет сил собственного веса. Недостатком также является использование в клапанах затвора в виде шарика, так как это ведет к быстрому разбиванию седла хаотично перемещаемым шариком в корпусе клапана во время работы насоса.

Известен скважинный насос, содержащий цилиндр с установленным в его нижней части всасывающим клапаном, смонтированным в корпусе и имеющим седло и запорный элемент, плунжер с нагнетательным клапаном, расположенный в полости цилиндра [2].

Недостатками этого насоса являются те же причины, что и в предыдущем насосе: большая длина плунжера по отношению к его диаметру и конструкция затвора. Общая длина скважинных насосов колеблется от 4,5 до 8 м при диапазоне диаметров цилиндров от 30 до 60 мм. Поэтому в случае наклона скважины под углом 45^о величина отклонения конца насоса от прямой оси достигает 60 мм. На кривизне цилиндра, которая возникает в этом случае, полый плунжер своей серединой касается его поверхности, а с противоположной стороны от точки касания цилиндра своими крайними точками упирается в поверхность цилиндра, пытаясь его выпрямить. При перемещении вдоль цилиндра плунжера изнашивается его стенка. Надежность и долговечность такого насоса не велика.

Технической задачей изобретения является улучшение технологичности и соответственно увеличение долговечности насоса.

Для достижения этой задачи в скважинном насосе, содержащем цилиндр с установленным в его нижней части всасывающим клапаном, смонтированным в корпусе и имеющим седло и запорный элемент, полый плунжер с нагнетательным клапаном, расположенным в полости цилиндра, цилиндр выполнен составным из втулок, соединенных между собой замковыми втулками, имеющими внутренний диаметр больше внутреннего диаметра втулок, а плунжер выполнен трехступенчатым, причем диаметр верхней ступени больше диаметра средней ступени и меньше диаметра нижней ступени, между торцами верхней и нижней ступеней установлены поочередно уплотнители и гильзы, причем наружная поверхность уплотнителей и гильз контактирует с поверхностью втулок цилиндра, а их внутренняя поверхность образует зазор со средней ступенью плунжера, на наружной поверхности уплотнителя выполнена канавка с установленным в ней пружинным кольцом с возможностью контакта с втулкой цилиндра или замковой втулкой, длина которой больше длины наружной поверхности гильзы.

Кроме того, наружные поверхности уплотнителей и гильз выполнены сферическими.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого насоса; на фиг.2 - узел I на фиг. 1; на фиг.3 - уплотнитель с канавкой в сечении, в которой не в сжатом состоянии размещено пружинное кольцо.

Скважинный штанговый насос состоит из цилиндра 1, собранного посредством втулок 2, соединенных замковыми втулками 3, плунжера 4, имеющего 5, среднюю 6 и верхнюю 7 ступени. Нижняя ступень имеет со средней ступенью сферическую торцовую поверхность 8, а средняя ступень с верхней ступенью имеет торцовую поверхность 9. Между торцовыми поверхностями 8 и 9 размещены гильзы 10 со сферическими торцами 11 и уплотнители 12, контактирующие с поверхностью 8 и торцами 11. Уплотнители 12 имеют канавку 13, в которой размещено пружинное кольцо 14. Между средней ступенью 6 плунжера 4, гильзами 10 и уплотнителями 12 имеется зазор К. Замковая втулка 3 больше по внутреннему диаметру втулки 2 на величину двух Л.

Две втулки 2 и 3 имеют фаски 15 и 16 с суммарным размером С. При этом кольцо 14 имеет толщину М, а уплотнитель 12 имеет ширину Н посадочной поверхности 17 больше размера С. Глубина Р канавки 13 равна ширине П кольца 14. Плунжер 4 соединен с тягой 18 и имеет нагнетательный клапан 19, состоящий из запорного элемента 20 и седла 21. Цилиндр 1 соединен с крышкой 22 и корпусом 23, в котором смонтирован всасывающий клапан 24, состоящий из запорного элемента 25, седла 26.

Работа с насосом заключается в следующем.

Насос цилиндром 1 закрепляется в скважине и за тягу 18 плунжеру 4 сообщают возвратно-поступательные движения вверх и вниз. При ходе плунжера 4 вниз запорный элемент 25 всасывающего клапана 24 опускается на седло 26 под силой тяжести, воздействующей на него, а запорный элемент 20 нагнетательного клапана 19 поднимается над седлом 21 посредством давления жидкости, образуемого между клапанами 19 и 24. При ходе вверх плунжера 4 закрывается нагнетательный клапан 19 силой тяжести, действующей на его запорный элемент 20, а клапан 24 открывается давлением жидкости в скважине, так как между клапанами 19 и 24 при подъеме плунжера 4 возникает разрежение. Столб жидкости, находящийся над клапаном 19, поднимается на величину хода плунжера 4. Затем цикл повторяется. При установке насоса в наклонных скважинах происходит естественное искривление цилиндра 1 от силы тяжести его распределенной массы, кроме того технологические отклонения формы цилиндра 1 (несоосность втулок 2 и 3, перекрещивание осей втулок 2, 3 и др.) создают непрямолинейную траекторию перемещения плунжера 4. Плунжер 4 своей короткой направляющей нижней ступенью 5 перемещается по внутренней поверхности втулок 2, одновременнo перемещая гильзы 10 и уплотнители 12 с пружинными кольцами 14 в их канавках 13. Поскольку между средней ступенью 6 плунжера 4 и гильзами 10 с уплотнителями 12 существует зазор К, то плунжер 4 может покачиваться в пределах этого зазора благодаря сферическому торцу 8 на своей нижней ступени 5 и за счет его посадки с зазором в цилиндре 1. Это покачивание плунжера 4 позволяет компенсировать кривизну цилиндра 1 на длине, равной длине плунжера 4. Гильзы 10 во время перемещения по криволинейному цилиндру 1 за счет своих сферических торцов 11 поворачиваются в уплотнителях 12, занимая касательное положение к кривизне цилиндра 1. Поскольку длина гильз 10 небольшая, то в пределах зазора между ними и цилиндром 1 они могут поворачиваться на значительный угол, компенсируя кривизну цилиндра 1. При этом с одной стороны цилиндра 1 упругие уплотнители 12 сжимаются , а с противоположной компенсируют увеличенное расстояние между сферическими торцами 11. Сами уплотнители 12 имеют маленькую длину контакта с цилиндром 1, и его кривизна не влияет на их работу. При перемещении гильз 10 по втулкам 2 цилиндра 1 происходит уплотнение плунжера 4 как за счет маленького щелевого зазора, равного допуску посадки гильз 10 и втулок 2, так и уплотнения посредством уплотнителей 12 с пружинными кольцами 14, причем так как глубина Р канавки 13 равна толщине П кольца 14, уплотнитель 12 опирается на кольцо 14, чем уменьшается усилие его прижима к цилиндру 1.

При перемещении гильзы 10 по замковой втулке 3 (фиг.2) образуется зазор Л, что позволяет гильзе 10 сходить с поверхности одной втулки 2, зависая на сферических торцах 11, и входить в другую втулку 2, ориентируясь в пространстве. Уплотнители 12, имеющие длину контакта Н (фиг.3) больше, чем длина С (фиг.2) двух фасок 15 и 16 на втулках 2 и 3, свободно переходят с втулки 2 на втулку 3 и обратно. Аналогично и кольцо 14 с высотой М большей чем фаски 15 и 16 с суммарным размером С проходит свободно с втулки 2 на втулку 3 и обратно. Упругость уплотнителя 12 и кольца 14 обеспечивают герметичность плунжера 4. Конструкция насоса, таким образом, обеспечивает возможность изготовления цилиндра 1, составного из втулок 2 с замковыми втулками 3, компенсируя неточности изготовления и условия эксплуатации. Подвешенность гильз 10 на упругих уплотнителях 12 с загрузочными дополнительными кольцами 14, являющимися дополнительным уплотнением, делает конструкцию насоса технологичной и долговечной. Работа с насосом заканчивается выемкой его из скважины.

Использование: в технике добычи нефти, в частности в скважинных штанговых насосах для глубинноскважинной эксплуатации нефтяных скважин. Сущность изобретения: насос содержит цилиндр с установленным в его нижней части всасывающим клапаном, смонтированным в корпусе и имеющим седло и запорный элемент. Полый плунжер с нагнетательным клапаном расположен в полости цилиндра. Цилиндр выполнен составным из втулок, соединенных между собой замковыми втулками, имеющими внутренний диаметр больше внутреннего диаметра втулок, а плунжер выполнен трехступенчатым. Диаметр верхней ступени больше диаметра средней ступени и меньше диаметра нижней ступени. Между торцами верхней и нижней ступеней поочередно установлены уплотнители и гильзы. Наружная поверхность уплотнителей и гильз контактирует с поверхностью втулок цилиндра, а их внутренняя поверхность образует зазор со средней ступенью плунжера. На наружной поверхности уплотнителя выполнена канавка с пружинным кольцом, установленным в ней с возможностью контакта с втулкой цилиндра или замковой втулкой, длина которой больше длины наружной поверхности гильзы. 3 ил.

1. СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС, содержащий цилиндр с установленным в его нижней части всасывающим клапаном, смонтированным в корпусе, имеющим седло и запорный элемент, полый плунжер с нагнетательным клапаном, расположенным в полости составленного из втулок цилиндра, отличающийся тем, что втулки цилиндра соединены между собой замковыми втулками, имеющими внутренний диаметр больше внутреннего диаметра втулок, плунжер, выполнен трехступенчатым, причем диаметр верхней ступени больше диаметра средней ступени и меньше диаметра нижней ступени, между торцами верхней и нижней ступеней поочередно установлены уплотнители и гильзы с возможностью контакта их наружных поверхностей с внутренней поверхностью втулок цилиндра, а между их внутренними поверхностями и средней ступенью плунжера образован зазор, при этом со стороны наружной поверхности уплотнителя выполнена канавка с пружинным кольцом, установленным в ней с возможностью контакта с втулкой цилиндра или замковой втулкой, длина которой больше длины наружной поверхности гильзы. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что наружные торцевые поверхности уплотнителей и гильз выполнены сферическими.