СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 1999 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности, к конструкциям штанговых насосов для добычи нефти из скважин.

Известен скважинный штанговый насос, в котором на плунжере или цилиндре выполнены кольцевые канавки для сбора песка при откачке нефтесодержащих смесей из скважин с пескопроявлениями (а.с. СССР N 587268, F 04 B 7/00, БИ N 1, 1978).

Известен также скважинный штанговый насос, в котором плунжер имеет острую верхнюю кромку, и на нем установлено инжекционное устройство в виде сопла, смесительной камеры и диффузора (а.с. СССР N 675203, F 04 B 47/00, БИ N 27, 1979), что позволяет уменьшить вероятность попадания песка в зазор плунжер-цилиндр и тем самым повышает долговечность насоса.

Недостатком указанных технических решений является то, что они не устраняют попадание песка в зазор цилиндр-плунжер, что приводит к повышенному износу трущейся пары, снижает ресурс насоса и является причиной заклинивания плунжерной пары.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, полый плунжер с вращателем потока жидкости, всасывающий и нагнетательный клапаны, при этом нижний конец полого плунжера снабжен соединенной с ним трубкой, а вращатель потока жидкости выполнен в виде шнека, неподвижно установленного в трубке, которая со стороны ее соединения с плунжером имеет патрубок, сообщенный с полостью трубки и наружной поверхностью плунжера (А.с. СССР N 909298, F 04 B 47/00, Б.И. N 8, 1982).

Данная конструкция плунжерной пары позволяет улучшить условия смазки трущейся пары плунжер-цилиндр за счет принудительной подачи в ее зазор по патрубку относительно очищенной и обезвоженной вращателем потока нефти.

Недостатком конструкции является недостаточная низкая степень очистки нефтесодержащей смеси шнековым вращателем потока от мелких абразивных частиц, что не обеспечивает ее достаточной смазывающей способности. Кроме того, подача смазывающей жидкости через патрубок без приложения повышенного давления не обеспечивает поступления в зазор трущейся пары достаточного количества очищенной смазочной жидкости и лишь несколько улучшает условия смазки, не исключая заклинивания из-за попадания в зазор абразивного материала.

Таким образом, известное техническое решение обеспечивает очистку лишь незначительной части поступающей на смазку плунжерной пары жидкости и не препятствует попаданию в зазор фракций песка и воды, что приводит к повышенному износу и заклиниваниям.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении срока службы штангового насоса за счет улучшения условий смазки плунжерной пары.

Поставленная задача решается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, плунжер со штангой, снабженный патрубком, сообщенным с наружной поверхностью плунжера, согласно изобретению, штанга связана с плунжером при помощи поршневого насоса посредством его цилиндра, поршня и штока, при этом всасывающая полость поршневого насоса снабжена фильтром - влагоотделителем, а нагнетательная полость соединена с патрубком.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема предлагаемого насоса, а на фиг. 2 показан вариант выполнения манжетного плунжера.

Скважинный штанговый насос содержит (фиг. 1) цилиндр 1, плунжер 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, приемный фильтр 5, штангу 6, цилиндр 7, поршень 8 и шток 9 поршневого насоса, клапан 10 поршневого насоса, дроссельный канал 11, патрубок 12, фильтр тонкой очистки и влагоотделитель 13 поршневого насоса и замок насоса 14.

При выполнении плунжера 2, например, манжетным (фиг. 2), он содержит уплотнительные манжеты 15 и отводы 16 патрубка 12.

Насос работает следующим образом. Под воздействием усилия, передаваемого от качалки насоса через штангу 6, плунжер 2 перемещается снизу-вверх и сверху-вниз в канале цилиндра 1 и, взаимодействуя с клапанами 3 и 4, осуществляет откачку нефтесодержащей жидкости через приемный фильтр 5. Конец штанги 6 жестко соединен с цилиндром 7 поршневого насоса, поршень 8 которого посредством полого штока 9 жестко связан с плунжером 2 штангового насоса. Полость штока 9 соединена с патрубком 12, сообщенным с кольцевой проточкой на наружной поверхности плунжера. Всасывающая полость поршневого насоса через фильтр тонкой очистки и влагоотделитель 13 соединена с надплунжерным пространством. При движении штанги 6 штангового насоса "вниз" поршень 8 поршневого насоса перемещается вверх и жидкость через канал 11 и клапан 10 перетекает под поршень, при этом плунжер также перемещается "вниз" и занимает крайнее нижнее положение. При движении штанги 6 вверх клапан 10 закрывается, давление под поршнем 8 повышается и очищенная от воды и абразивных частиц жидкость под давлением через канал в штоке 9 и патрубок 12 подается через кольцевую проточку на наружную поверхность плунжера 2. Одновременно новая порция жидкости засасывается в надпоршневую полость поршневого насоса, предварительно пройдя влагоотделитель и фильтр тонкой очистки 13. Рабочее сечение цилиндра поршневого насоса выбирается на 10 - 30% меньше рабочего сечения цилиндра штангового насоса, что обеспечивает избыточное давление в нагнетательном патрубке 12 по сравнению с давлением в надплунжерной зоне. Поэтому поток очищенной смазочной жидкости истекает по зазору плунжер-цилиндр по короткому пути вверх в надплунжерную зону высокого давления и по длинному пути вниз - в подплунжерную зону пониженного давления. Тем самым исключается попадание частиц песка из перекачиваемой жидкости в зазор трущейся пары цилиндр-плунжер. При рабочих давлениях штангового насоса 8,0 - 15,0 МПа и более избыточное давление составляет 1,0 - 3,0 мПа, что достаточно для обеспечения надежной смазки и недопущения попадания неочищенной перекачиваемой среды в зазор цилиндр-плунжер. Величина рабочего хода поршневого насоса, равная 3 - 10% хода плунжера выбрана из следующих соображений:
- дополнительный ход штанги на перемещение поршня насоса не должен существенно сказываться на режиме перемещения плунжера штангового насоса, что выполняется при рабочем ходе поршня, не превышающем 10% хода плунжера;
- вытесняемый поршневым насосом объем жидкости должен быть достаточным для смазки плунжера в течение всего рабочего хода плунжера.

Обычные утечки жидкости через зазор плунжер-цилиндр при первой, второй группах посадки не превышают 1 - 5% от объема перекачиваемого продукта, поэтому выбранный диапазон рабочего хода, равный 3 - 10% хода плунжера, обеспечивает компенсацию утечки смазочной жидкости в течение рабочего хода плунжера.

При выполнении плунжера 2 (фиг. 2) с манжетными уплотнениями 15 патрубок 12 выполнен с тремя отводами 16, подающими очищенную смазку в кольцевые канавки перед уплотнениями и между ними. Тем самым обеспечивается работа уплотнительных манжет в среде, не содержащей абразивных частиц, что резко повышает ресурс работы манжет, а следовательно, и насоса в целом.

Использование предлагаемого технического решения приводит к существенному улучшению условий смазки трущейся пары цилиндр-плунжер за счет подачи в ее зазор под избыточным давлением 1,0 - 3,0 мПа части очищенной от частиц песка, газа и влаги перекачиваемой жидкости, выполняющей функцию смазки. Тем самым исключается абразивный износ, увеличивается срок службы трущейся пары, расширяется область применения манжетных плунжеров и резко повышается их стойкость, снижаются требования к твердости и износоустойчивости трущейся пары, тем самым упрощается и удешевляется технология изготовления плунжерных пар.

Очевидно, что приведенная в описании конструкция поршневого насоса, служащего для подачи очищенной смазки к поверхностям трения плунжер - цилиндр, может быть выполнена и по известной двухтактной схеме, в которой смазочная жидкость подается под давлением как при движении плунжера вверх, так и при его движении вниз.

В качестве примера рассмотрим реализацию заявляемого технического решения на базе вставного штангового насоса НВ1Б-44, диаметр рабочего сечения которого равен 44 мм. Плунжер насоса имеет пять кольцевых проточек. Группа посадки насоса - первая при радиальном зазоре плунжерной пары 0,04 - 0,05 мм. Смазка по патрубку подается в верхнюю проточку на расстоянии 150 мм от торца плунжера. Для обеспечения устойчивого потока смазки в зазоре в направлении движения плунжера необходимое давление нагнетания смазочной жидкости принято на 30% выше давления в надплунжерной зоне. Отсюда, рабочая площадь штоковой полости поршня составляет
F_п = 0,7 F_н,
где F_н - рабочее сечение штангового насоса, мм².

Принимая сечение штока равным 30% сечения поршня, а диаметр штанги 20 мм, после вычислений получим рабочий диаметр поршневого насоса
D_н = 39 мм.

Пабочий ход поршневого насоса определим из условия объема истекающей через зазор плунжер-цилиндр смазочной жидкости. Как показывает практика, утечка жидкости через зазор цилиндр - плунжер, как правило, не превышает 1-2% от подачи насоса. Для компенсации утечек рабочий объем штоковой полости должен превышать величину суммарных утечек за один цикл.

Исходя из сказанного, получим

где S_o - рабочий ход плунжера, мм,
S_н - рабочий ход поршневого насоса, мм.

Для рассматриваемого случая при средней величине рабочего хода плунжера S_o = 1800, получим
S_н ≥ 51,4 мм.

Принимаем S_н = 100 мм. Очевидно, что дополнительный ход полированного штока, необходимый для обеспечения работы поршневого насоса, практически не оказывает влияния на условия работы станка-качалки.

Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет существенно улучшить условия работы плунжерной пары штангового насоса, что особенно важно для скважин с повышенными пескопроявлениями, большим содержанием воды и газы, т.е. там, где применяют специальные насосы, предназначенные для работы в тяжелых условиях. Следует отметить, что использование предлагаемого насоса на практике не требует каких-либо изменений в устьевом оборудовании.

Изобретение предназначено для использования в технике добычи нефти из скважин при помощи скважинных штанговых насосов. Насос содержит цилиндр, плунжер, снабженный патрубком, сообщенным с наружной поверхностью плунжера. Штанга связана с плунжером при помощи поршневого насоса посредством его цилиндра, поршня и штока. Всасывающая полость поршневого насоса снабжена фильтром-влагоотделителем, а нагнетательная полость соединена с патрубком. Значительно повышается срок службы насоса за счет улучшения условий смазки плунжерной пары. 2 ил.

Скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, плунжер со штангой, снабженный патрубком, сообщенным с наружной поверхностью плунжера, отличающийся тем, что штанга связана с плунжером при помощи поршневого насоса посредством его цилиндра, поршня и штока, при этом всасывающая поверхность поршневого насоса снабжена фильтром-влагоотделителем, а нагнетательная полость соединена с патрубком.