СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 1995 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к скважинным штанговым насосам, и может быть использовано при эксплуатации скважин в нфтегазодобывающих отраслях промышленности.

Известны скважинные штанговые насосы, применяемые при эксплуатации скважин. Наиболее близким по техническому решению является скважинный штанговый насос [1] выбранный в качестве прототипа, содержащий цилиндр с приемным клапаном, размещенный в цилиндре полый плунжер с нагнетательным клапаном, а также полый корпус, на котором расположена поворотная втулка, снабженная упругими элементами, на концах которых установлены ролики, а также механизм управления приемным клапаном, включающий толкатель с возможностью осевого смещения, установленный на проходящих друг под другом через полый корпус и подпружиненных друг от друга диаметральных двух осях с роликами на концах, а в полом корпусе выполнены вертикальные пазы, причем под верхнюю ось с роликами в поворотной втулке предусмотрен кулачок с четным количеством равнорасположенных, чередующихся по направлению осевого смещения впадин.

Недостатком известной конструкции является невысокая надежность работы кулачкового механизма. Анализ работы кулачкового механизма с учетом конкретных размеров кулачка, диаметров роликов и т.д. показывает на недостаточность усилия, развиваемого толкателем в экстремальных условиях работы (скважины с большим наклоном, кривизной и глубиной при низком уровне жидкости в затрубном пространстве).

Целью изобретения является повышение надежности работы кулачкового механизма.

Цель достигается тем, что в скважинном штанговом насосе контактирующие с кулачком ролики установлены на смещенных по высоте толкателя полуосях, а каждый ролик снабжен индивидуальным кулачком с двумя впадинами, причем одна из впадин кулачка совмещена с соответствующим положением роликов.

Таким образом, заявляемый скважинный штанговый насос соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображен кулачковый механизм, продольный разрез, на фиг.2 вид А на фиг.1; на фиг.3 развертка кулачка-прототипа по траектории движения роликов; на фиг.4 развертка одного из предлагаемых кулачков по траектории движения ролика.

На кольцевом выступе 1 полого корпуса 2 установлена поворотная втулка 3 с возможностью поворота вокруг центральной оси. На уровне кольцевого выступа 1 предусмотрен уплотнительный элемент 4. Внутри полого корпуса 2 установлен толкатель 5 с возможностью осевого смещения, между которыми также установлен уплотнительный элемент 6.

На толкателе 5 на диаметрально противоположных сторонах установлены полуоси 7 с роликами 8, смещенные по высоте толкателя 5. Каждая полуось 7 с роликами 8 снабжена индивидуальным кулачком 9, на котором выполнено наименьшее для данной схемы количество впадин нижняя и верхняя, соответствующие закрытому и открытому положению роликов 8 (фиг.2). Соосно установленные абсолютно одинаковые кулачки 9 повернуты вокруг своей оси друг относительно друга на 180^о и находятся в контакте с роликами 8. Напротив каждой полуоси 7 в корпусе 2 выполнены пазы 10. В конструкцию насоса заложены две полуоси с симметричным расположением, чтобы обеспечить равномерность усилий, действующих на толкатель.

Подпружиненная нижняя часть кулачкового механизма выполнена по аналогии с прототипом. На толкателе 5 установлена ось 11 с роликами 12 на концах, на которые через втулку 13 оказывает действие пружина 14, благодаря чему ролики 8 прижаты к кулачкам 9. Для продольного смещения оси 1 в корпусе 2 выполнены пазы 15 аналогично пазам 10.

Работа плунжерной пары (не указана) насоса аналогична работе насоса-прототипа, а открытие приемного клапана (не указан) с помощью кулачкового производится следующим образом. Например, предстоит подъем колонны НКТ из скважины и требуется открыть приемный клапан предлагаемого скважинного штангового насоса. Для этого в данном случае необходимо корпус 2 (колонну НКТ) повернуть по часовой стрелке относительно втулки 3, находящейся в зацеплении с обсадной трубой 16 посредством упругих элементов с роликами (не указаны), на 180^о.

При этом ролики 8 займут положение 17 (фиг.1) и сместятся вверх вместе с толкателем 5 на величину заданного хода и окажутся в положении "открыто" (фиг. 2), сместившись с нижней впадины в верхнюю, а полуоси 7 и ось 11 переместятся вверх по соответствующим пазам 10, 15. Толкатель 5 открывает шарик приемного клапана от седла (не указаны) и происходит слив жидкости из НКТ.

Если требуется закрыть приемный клапан, то колонну НКТ поворачивают также на 180^о по направлению вращения часовой стрелки (на заворот). При этом ролики 8 из верхней впадины переходят в нижнюю, отводя толкатель 5 от шарика приемного клапана под действием усилия пружины 14 и массы толкателя 5.

На фиг.3, 4 приведена развертка кулачка по диаметру D контактирования с роликами 8.

Для наглядности сравнения развертки на фиг.3 относится к кулачку в насосе-прототипе с четырьмя впадинами, на фиг.4 к рассматриваемому насосу, где λD длина окружности по среднему диаметру D кулачка 9; D_р диаметр ролика 8; b угол подъема рабочей поверхности кулачка 9.

Сопоставление разверток, изображенных на фиг.3, 4, приводит к заключению, что предлагаемая конструкция кулачкового механизма позволяет при одних и тех же значениях усилия на толкателе, угла b, D, D_р увеличить ход толкателя в несколько раз или, при одинаковых значениях хода толкателя D, D_р создать большее усилие за счет уменьшения угла b, выиграв в силе и проиграв в пути. Если ролик 7 на фиг.3 за один цикл проходит 0,25λD, то на фиг.4 0,5 λD.

Предложено конструктивное решение, которое позволяет достичь максимального усилия на толкатель этой группы насосов с кулачковым механизмом при одинаковых значениях других факторов, влияющих на работу кулачкового механизма. Располагая одними и теми же средствами (кулачок, упругие элементы с роликами, толкатель и т.д.), благодаря новому конструктивному решению найдено оптимальное число впадин, а следовательно, и значение угла наклона рабочей поверхности кулачка, что обуславливает надежность работы кулачкового механизма в экстремальных условиях.

Использование: техника добычи нефти. Сущность изобретения: насос на кольцевом выступе полого корпуса содержит втулку, установленную с возможностью поворота вокруг центральной оси. На уровне кольцевого выступа установлен уплотнительный элемент, а внутри полого корпуса с возможностью осевого смещения - толкатель, причем между корпусом и толкателем размещен уплотнительный элемент. На диаметрально противоположных сторонах толкателя со смещением по высоте расположены полуоси с роликами, причем каждая полуось с роликом дополнительно снабжена индивидуальным кулачком, а напротив каждой полуоси в полом корпусе выполнены пазы. На толкателе установлена ось с роликами на концах, на которые через втулку оказывает действие пружина, благодаря чему ролики находятся прижатыми к кулачкам. Для продольного смещения оси в полом корпусе выполнены пазы аналогично пазам. 4 ил.

СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС, содержащий цилиндр с расположенным с его нижней части всасывающим клапаном, размещенный в цилиндре полый плунжер с установленным в его нижней части нагнетательным клапаном, каждый из клапанов выполнен в виде клетки с расположенными в ней седлом и запорным элементом, связанный с клеткой всасывающего клапана, имеющей в верхней части форму стержня, и цилиндром полый корпус, на котором расположена поворотная втулка, снабженная упругими элементами, установленными на его концах с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью эксплуатационной колонны скважины роликами, механизм управления всасывающим клапаном, включающий размещенный на проходящих одна под другой через полый корпус и подпружиненных одна относительно другой осях с роликами на концах с возможностью осевого смещения толкатель, вертикальные пазы, выполненные в полом корпусе в зоне расположения осей с роликами, под верхнюю из которых поворотная втулка снабжена кулачком с четным количеством равнорасположенных, чередующихся по направлению осевого перемещения впадин, установленную на корпусе дополнительную втулку, расположенную с возможностью взаимодействия с нижней парой роликов и размещенную между дополнительной втулкой и кулачком пружину сжатия, а также фильтр, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы кулачкового механизма, контактирующие с кулачком ролики установлены на смещенных по высоте толкателя полуосях, а каждый ролик дополнительно снабжен индивидуальным кулачком с двумя впадинами, причем одна из впадин индивидуального кулачка совмещена с соответствующим рабочим положением роликов.