ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04B47/00 F04B53/14 

Изобретение относится к области насосостроения, а более конкретно к высоконапорным глубинным плунжерным насосам, предназначенным для добычи нефти, нефтеводогазовой смеси или воды.

Известны высоконапорные глубинные плунжерные насосы, состоящие из цилиндра, в нижней части которого установлен напорный клапан, наружная поверхность плунжера при этом образует щелевое уплотнение с внутренней поверхностью цилиндр.

Например, известны скважинные штанговые насосы, описанные в справочнике Е. И. Бухаленко, М: Недра, 1990, рис. 2 10, с. 83, которые предназначены для откачки нефти с сопутствующей водой, газом и механическими примесями из недр земли по глубинным скважинам до 3500 м и более.

Известны также конструкции насосов, описанные, например, в книге Р.И.Аренсона "Нефтепромысловые машины и механизмы". М: Гостоптехиздат, 1963 с 72, где для повышения эффективности щелевых уплотнений "плунжер-цилиндр" на наружной поверхности плунжера выполнены винтовые канавки типа "Резьбы", которые образуют лабиринто-винтовое уплотнение, являясь дополнительным сопротивлением на пути проточек. На практике данное техническое решение широкого применения не нашло, так как пассивный гидродинамический эффект уплотнения оказался относительно слабым против утечек, а центробежный эффект и местные осевые вихри, внедряя механические частицы в ответные поверхности плунжера и цилиндра, увеличивают износ уплотнения.

У представленных насосов ограничена возможность повышения коэффициента подачи, КПД в целом и тем более поддержания его в процессе эксплуатации на реальной нефтеводогазовой смеси, содержащей ощутимые механические примеси в виде песка различной концентрации для конкретных объектов, при этом в уменьшающемся дебите скважин, процент механических примесей возрастает. В начальный период работы у представленных конструкций насосов коэффициент подачи не превышает 0,9, а в процессе работы значительно уменьшается под воздействием механических частиц, например песчаных, попадающих в зону щелевого уплотнения, "плунжер-цилиндр" и изнашивающих ответные поверхности, увеличивая постоянно зазор.

Соответственно возрастают утечки жидкости и увеличивается объем циркулирующего газа на всасывании, что уменьшает всасывающую способность и полезный объем проточной части насоса, это приводит к дополнительному уменьшению коэффициента подачи и в целом уменьшению экономичности насоса.

У данных плунжерных насосов недостаточная приспособляемость к изменяющейся рабочей среде и условиях откачки в процессе эксплуатации. Например, по стандарту API (США) предусмотрено оснащение насосной установки дополнительными функциональными устройствами, например, пескосъемными комплектами, уплотнением направляющих штанг сдвоенными клапанами, в том числе необходимость увеличения зазора между плунжером и цилиндром, ограничения числа ходов и другое. Все это связано с остановкой работы скважины, дооборудованием насосной установки и соответственно большими экономическими потерями и затратами.

Кроме того, рассматриваемые насосы металлоемки из-за увеличенных линейных размеров плунжера до 4 м и более для удержания необходимого перепада давления, причем возрастает длина плунжера и соответственно затраты, связанные не только с металлоемкостью, но и с производством высокоточной и абразивостойкой пары "плунжер-цилиндр".

Предлагаемое техническое решение направлено на снижение металлоемкости, производственных затрат, на повышение экономичности, коэффициента полезного действия, увеличения коэффициента подачи и времени наработки насоса, расширение области применяемости насоса к изменяющимся условиям рабочей среды.

Это достигается тем, что в плунжерном насосе, включающем цилиндр, в нижней части которого установлен всасывающий клапан, нагнетательный клапан, расположенный в нижней части центрального отверстия плунжера. Плунжер образует с рабочей поверхностью цилиндра щелевое уплотнение. На наружной поверхности плунжера эксцентрично выполнены винтовые рабочие каналы, спрофилированные аналогично рабочим каналам винтового насоса. Винтовые рабочие каналы выполнены, например двухзаходными.

На фиг. 1 и фиг. 3 изображен общий вид насоса, установленного в скважине, соответственно в режиме "всасывания" и в режиме "нагнетания", на фиг. 2 изображен плунжер с сечениями проточной части рабочих каналов.

Плунжерный насос содержит цилиндр 1, в нижней части которого установлен всасывающий клапан 2, нагнетательный клапан 3, плунжер 4. Нагнетательный клапан установлен в нижней части центрального отверстия плунжера, образующего с рабочей поверхностью цилиндра щелевое уплотнение "d", которое разделяет высоконапорную подплунжерную зону "б" от всасывающей надплунжерной зоны "в". На наружной поверхности плунжера 4 эксцентрично, на величину "е" выполнены, например, двухзаходные винтовые рабочие каналы 5 и 6, проточные сечения которых выполнены серповидно замкнутыми по наружной поверхности плунжера, переходящими соответственно в последующие витки рабочих каналов 7 и 8. Геометрия рабочих каналов на плунжере выбирается и рассчитывается аналогично рабочим каналам винтового насоса.

Во время работы насоса:
В режиме "всасывания" плунжер 4 начинает поступательное движение из нижней мертвой точки, скользя по внутренней рабочей поверхности цилиндра 1, а в подплунжерную разряженную рабочую зону "б" поступает откачиваемая жидкость через открывающийся всасывающий клапан 2. При этом эксцентрично выполненные на поверхности плунжера 4 винтовые рабочие клапаны 5 и 6 работают последовательно своим серповидно замкнутыми объемами с рабочей поверхностью цилиндра 1, как вспомогательный винтовой насос, являясь функционально активным гидрообъемным уплотнителем, вытесняя и предупреждая протечки жидкости и газа из высоконапорной надплунжерной зоны "в".

В режиме "нагнетания" плунжер начинает свое поступательное движение от мертвой точки относительно цилиндра 1, всасывающий клапан 2 закрывается, а закаченная в подплунжерную зону "б" жидкость нагнетается через открывающийся нагнетательный клапан 3 в надплунжерную зону "в". При этом эксцентрично выполненные на поверхности плунжера 4 винтовые рабочие каналы 5 и 6, работая, как объемный винтовой насос, принудительно вытесняют из щелевой зоны " плунжер-цилиндр" механические частицы вместе с водой и газом, тем самым уменьшая износ ответных рабочих поверхностей плунжера и цилиндра в процессе эксплуатации, и соответственно повышается долговечность насоса.

Таким образом, выполнение винтовых рабочих каналов многозаходными позволяет повысить эффективность их работы, как в режиме "всасывания", так и в режиме "нагнетания" и разгрузить от односторонних радиальных нагрузок по отношению к однозаходному исполнению.

Кроме того, предлагаемый способ повышения эффективности щелевого уплотнения "плунжер-цилиндр" позволяет существенно уменьшить линейные размеры плунжера и цилиндра, т.е. уменьшить металлоемкость и снизить производственные затраты.

Использование: в области насосостроения. Сущность изобретения: на наружной поверхности плунжера насоса эксцентрично выполнены винтовые рабочие каналы, проточные сечения которых образуют последовательно замкнутые объемы. 1 з.п ф-лы, 3 ил.

1. Плунжерный насос, содержащий цилиндр, всасывающий клапан, установленный в нижней части цилиндра, нагнетательный клапан, установленный в нижней части центрального отверстия плунжера, плунжер, образующий с рабочей поверхностью цилиндра щелевое уплотнение, отличающийся тем, что на наружной поверхности плунжера эксцентрично выполнены винтовые рабочие каналы, проточные сечения которых выполнены в виде последовательно соединенных замкнутых объемов. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что винтовые рабочие каналы выполнены многозаходными.