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

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 большая длина плунжера по отношению к его диаметру и конструкция затвора. Общая длина сважинных 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 жесткий плунжер cвоей 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 цилиндpа плунжеp изнашивает его стенку, оpганизуя в ней боpозду, которая не поддается уплотнению. Надежность насоса с такой конструкцией плунжера невелика, и невелика, соответственно, его долговечность.

Целью изобретения является улучшение технологичности и, соответственно, увеличение долговечности насоса.

Для достижения цели в скважинном насосе, содеpжащем 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, плунжер выполнен составным из стержня с упорным буртом и установленной на стержне гайки, соединенной с тяговым элементом, втулочных секций с тоpцами, имеющими сферическую направляющую поверхность, и упругих кольцевых уплотнителей, установленных между втулочными секциями с возможностью контакта своей наружной цилиндрической поверхностью с поверхностью цилиндра, а торцовыми поверхностями со сферическими повеpхностями втулочных секций, при этом стержень расположен внутри втулочных секций и упругих уплотнителей, на их оси, и соединен с тяговым элементом, а в упорном бурте и гайке, контактирующих с торцовой поверхностью крайней втулочной секции и торцовой поверхностью другой крайней втулочной секции соответственно выполнены отверстия вдоль их оси. Запорный элемент выполнен в виде шара с центральным отверстием с неподвижно размещенной в нем упругой втулкой, в которой установлен штырь, нижняя часть которого содержит обтекатель, а верхняя мембрану с отверстиями, причем шар установлен на седле, в котором выполнены отверстия под обтекатель, и на направляющих ребрах, выполненных в корпусе, а мембрана установлена с возможностью контакта с последними.

На чертеже показан насос, общий вид.

Скважинный штанговый насос состоит из цилиндра 1, установленного в нем составного плунжера 2, всасывающего клапана 3, закрепленного на цилиндре 1, нагнетательного клапана 4, установленного на плунжере 2, тягового элемента 5, связанного муфтой 6 с плунжером. Плунжер 2 состоит из втулочных секций 7 со сферическими торцами 8, между которыми установлены упругие кольцевые уплотнители 9. Уплотнители 9 своей наружной цилиндрической поверхностью 10 контактируют с цилиндром 1. Вдоль оси секций 7 и уплотнителей 9 размещен стержень 11 с упорным буртом 12, которым он установлен на торце 13 крайней секции 14, а с другой стороны плунжеpа 2 на стержне 1 закpеплена гайка 15, котоpая контактирует с торцом 16 другой крайней секции 17 плунжера 2. В упорном бурте 12 и гайке 15 выполнены отверстия 18, 19 для прохода жидкости. Каждый из клапанов 3 и 4 состоит из корпуса 20, в котором установлено седло 21 и который имеет направляющие ребра 22. На седле 21 установлен шар 23 с центральным отверстием 24, в котором размещена упругая втулка 25, лишенная возможности перемещения буртами 26. В упругой втулке 25 установлен штырь 27, в нижней части которого имеется обтекатель 28, а в верхней мембрана 29 с отверстиями 30. Обтекатель 28 размещен в отверстии 31 седла 21, а мембрана 29 установлена на направляющих ребрах 22, на которых также установлен шар 23. Шар 23, втулка 25, штырь 27 с обтекателем 28 и мембраной 29 представляют запорный элемент 32.

Работа с насосом заключается в следующем. Насос цилиндром 11 закрепляется в скважине (на чертеже не показано) и за тяговый элемент 5 плунжеру 2 сообщают поступательные движения вверх и вниз. При ходе плунжера 2 вниз всасывающий клапан 3 закрывается силой тяжести, действующей на его запорный элемент 32, а нагнетательный клапан 4 открывается посредством давления жидкости, образуемого между клапанами 3 и 4. При ходе вверх плунжера 2 закрывается клапан 4 силой тяжести, действующей на его запорный элемент 32, а клапан 3 открывается давлением жидкости в скважине, так как между клапанами 3 и 4 при подъеме плунжера 2 начинает возникать разрежение. Столб жидкости, находящийся над клапаном 4, поднимается на величину хода плунжера 2. Затем цикл повторяется. При установке насоса в наклонных скважинах происходит естественное искривление цилиндра 1 от силы тяжести его распределенной массы, поэтому составной плунжер 2, перемещаясь внутри цилиндра 11, повторяет его кривизну и снижает нагрузку на него.

Работа составного плунжера 2 происходит следующим образом. Втулочные секции 7 во время перемещения по криволинейному цилиндру 1 за счет своих торцовых сферических направляющих поверхностей 8 поворачиваются в уплотнителях 9, занимая касательное положение к кривизне цилиндра 1. Поскольку длина втулочных секций 7 небольшая, то в пределах зазора между плунжером 2 и цилиндром 1 секция 7 может повернуться на значительный угол. Последовательный поворот секций 7 организует необходимую кривизну плунжера 2. При этом с одной стороны цилиндра 1 упругие уплотнения 9 сожмутся, а с противоположной компенсируют увеличенное расстояние между торцами 8 секций 7. Упругие уплотнители 9, имея маленькую длину поверхности 10, продолжают контактировать с цилиндром 1 и уплотнять зазор между плунжером 2 и цилиндром 1. Стержень 11 при помощи торца гайки 15 и упорного бурта 12 предварительно стягивает секции 7 и уплотнители 9. В момент прохождения плунжера 2 по криволинейному участку цилиндра 1 стержень 11 либо за счет своей гибкости (если сделан из троса), либо за счет смещения по торцам крайних секций 14 и 17 от оси цилиндра 1 не оказывает значительного влияния на подвижность секций 7. Работа клапанов 3 и 4 сводится к подъему и спуску на седло 21 запорных элементов 32. При подъеме шара 23 над седлом 21 обтекатель 28 позволяет более равномерно разбить поток жидкости, создать его ламинарным, устранить большую застойную зону под шаром 23. Поток жидкости, ударяясь в мембрану 29 и проходя через ее отверстия, удерживает запорный элемент 31 в верхнем положении. При спуске шара 23 на седло 21 мембрана 29 выполняет функцию парашюта, демпфируя удар шара 23 в седло 21. В связи с тем, что в шаре 23 установлена упругая втулка 25 с небольшим удельным весом, что снижает массу шара 23 и уменьшает энергию удара в седло 21. Добавленная масса за счет штыря 27, обтекателя 28 и мембраны 29 не влияет на силу удара шаром 23 в седло 21 из-за упругости втулки 25, которая разносит во времени импульс силы от двух масс. Кроме того, при вхождении обтекателя 28 в отверстие 31 седла 21 происходит центрирование шара 23, что позволяет получить не точечный, а линейный удар по седлу 21. Такая конструкция запорного элемента 32 при одинаковом весе с запорным элементом в виде целикового шара снижает износ седла 21. Работа с насосом заканчивается выемкой его из скважины.

Использование: для глубинной эксплуатации нефтяных скважин. Сущность изобретения: в нижней части цилиндра установлен всасывающий клапан, смонтированный в корпусе и имеющий седло и запорный элемент. Плунжер с нагнетательным клапаном расположен в полости цилиндра и выполнен составным из стержня с упорным буртом и установленной на стержне гайки, соединенной с тяговым элементом, втулочных секций с торцами, имеющими сферическую направляющую поверхность, и упругих кольцевых уплотнителей, установленных между секциями с возможностью контакта своей наружной цилиндрической поверхностью с поверхностью цилиндра, торцовыми поверхностями - со сферическими поверхностями секций. Стержень расположен внутри секций и упругих уплотнителей на их оси и соединен с тяговым элементом. В бурте и гайке, контактирующих с торцовыми поверхностями крайней секции, соответственно выполнены отверстия вдоль их оси. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ 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, отличающийся тем, что плунжер выполнен составным из стержня с упорным буртом и установленной на стержне гайкой, соединенной с тяговым элементом, втулочных секций с торцами, имеющими сферическую направляющую поверхность, и упругих кольцевых уплотнителей, установленных между втулочными секциями с возможностью контакта своей наружной цилиндрической поверхностью с поверхностью цилиндра, а торцевыми поверхностями со сферическими поверхностями втулочных секций, при этом стержень расположен внутри втулочных секций и упругих уплотнителей на их оси и соединен с тяговым элементом, а в упорном бурте и гайке, контактирующими с торцевой поверхностью крайней втулочной секции и торцевой поверхностью другой крайней втулочной секции соответственно, выполнены отверстия вдоль их оси. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что запорный элемент выполнен в виде шара с центральным отверстием с неподвижно размещенной в нем упругой втулкой, в которой установлен штырь, нижняя часть которого содержит обтекатель, а верхняя мембрану с отверстиями, причем шар установлен на седле, в котором выполнены отверстия под обтекатель, и на направляющих ребрах, выполненных в корпусе, а мембрана установлена с возможностью контакта с последними.