УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ШТОКА ГЛУБИННОГО НАСОСА Российский патент 1999 года по МПК F04B47/00 E21B33/03 

Изобретение может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для уплотнения сальникового штока в устье скважины, эксплуатируемой штанговым насосом.

Известно устройство для уплотнения сальникового штока, содержащее тройник и установленный на нем для герметизации и пропуска штока сальник [1].

Основной недостаток устройства - частые утечки из-за износа деталей сальника. Быстрый износ - следствие неизбежного в процессе эксплуатации нарушения центровки станка-качалки относительно оси скважины, соосно которой неподвижно закреплены центрирующие втулки сальника. Компенсируя эту несоосность, сальниковый шток, удерживаемый центрирующими втулками, упруго изгибается, что при возвратно-поступательном движении приводит к усиленному местному износу сначала втулок /особенно верхней/, а затем и уплотнительных элементов.

Несколько уменьшает этот недостаток известный устьевой сальник, содержащий тройник и установленную над ним сальниковую головку, соединенные герметично с помощью шарового шарнира [2].

Шарнирное соединение позволяет сальниковой головке наклоняться относительно оси тройника, следуя за изгибом штока. Этим несколько выравнивается нагрузка на центрирующие втулки, и износ их происходит медленнее. Соответственно увеличивается продолжительность службы уплотнительных элементов. Тем не менее сальник приходится регулярно осматривать и через 1 - 3 дня устранять утечки, подтягивая уплотнения. Недостатком является и тот факт, что о чрезмерном нарушении центровки узнают лишь по участившимся утечкам и ускоренному износу сальника и сальникового штока.

Причина недостатков, как уже отмечалось, - смещение стенка-качалки относительно оси скважины.

Однако устранить это явление в реальных условиях невозможно. Даже если центровкой добиться идеального совпадения осей /это весьма маловероятно, т. к. при центровке многотонный станок перемещают трактором/, то при включении станка центровка немедленно нарушается. Этому способствует множество факторов: неточности при изготовлении станка, изменение геометрии деталей станка из-за колебания нагрузки на сальниковом штоке и суточных, и сезонных температурных деформаций, атмосферные воздействия на стенок и его фундамент и т. п. Поэтому практически всегда при работе точка подвеса сальникового штока в большей или меньшей степени смещена от номинального расположения. Величина смещения может изменяться от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров. Чем смещение больше, тем сильнее изгибается сальниковый шток и тем сильнее его воздействие на центрирующие втулки сальника. А так как шток растянут усилием в несколько тонн, нагрузка на центрирующие его втулки достигает многих десятков килограммов. В таких условиях, при возвратно-поступательном движении штока, детали сальника очень быстро "перепиливаются", возникает утечка нефти, и сальник приходится подтягивать. Однако, при значительных нарушениях центровки, это дает кратковременный эффект, и утечка возобновляется. Нередко шток прорезает уплотнения и портит корпус сальника. При этом на полированной поверхности штока возникают задиры, и его приходится заменять. В таких случаях обязательно производят центровку станка и заменяют поврежденные детали. Это приводит к длительному простою и потерям.

Техническим результатом разработки является предотвращение изгиба сальникового штока из-за смещения станка от номинального положения и возможность контроля величины этого смещения.

Это достигается тем, что в известном устройстве для уплотнения штока глубинного насоса, содержащем тройник и размещенную над ним с возможностью наклона сальниковую головку, которые соединены герметично, сальниковая головка установлена еще и с возможностью поступательного перемещения. Это достигнуто тем, что между тройником и сальниковой головкой помещен полый рычаг, соединенный с ними шаровыми шарнирами.

В результате такого решения сальниковая головка может следовать за поперечными перемещениями сальникового штока, ось которого теперь всегда вертикальна, а положение ее проекции на горизонтальную плоскость постоянно изменяется. При этом, т.к. теперь сальник не удерживает шток на оси тройника, то усилия, воздействующие на детали сальника, минимальны /определяются лишь трением в шарнирах/.

Предложенное техническое решение позволяет по углу наклона полого рычага судить о величине имеющегося смещения станка. Это дает возможность своевременно выполнять центровку, упрощает и существенно ускоряет ее.

Следует пояснить, что в данном варианте реализации при поперечном перемещении сальникового штока сальниковая головка движется по окружности /которая является результирующей двух поступательных перемещений/. Т.е. в этом случае сальниковая головка перемещается поступательно одновременно в горизонтальном и вертикальном направлениях. Возможны, однако, другие варианты выполнения связи между сальниковой головкой и тройником. Это может быть, например, многошарнирный составной рычаг или гибкая труба, например сильфон, какая-либо их комбинация и т.п. Однако во всех случаях эти конструкции эквивалентны, т.к. с большими или меньшими издержками решают одну задачу - обеспечить поступательное перемещение сальниковой головки в поперечном направлении вместе с сальниковым штоком при минимальных нагрузках на детали сальника.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство в разрезе; сальниковый шток проходит в центре тройника /идеальная центровка/.

На фиг. 2 - то же самое /сальниковая головка условно не разрезана/; сальниковый шток смещен из-за нарушения центровки.

Предложенное устройство для уплотнения штока, в одном из возможных вариантов осуществления, содержит тройник 1, в сферическом гнезде которого под резьбовой крышкой 2 помещен сферический выступ полого рычага 3. Другой конец этого рычага имеет сферическое гнездо, закрытое крышкой 4, удерживающей сферический выступ основания 5 сальниковой головки. Для герметизации шарниров использованы стандартные уплотнительные кольца 6 и 7 круглого сечения. На рычаге 3 закреплен конический щиток 8, основание которого перпендикулярно оси рычага. В основании 5 размещены охватывающие сальниковый шток 9 центрирующая втулка 10 и уплотнение 11, в виде, например, резинового кольца прямоугольного сечения, для включения которого служит корпус 12, установленный в резьбовом отверстии основания. В корпусе, кроме центрирующей втулки, размещены рабочий сальник 13 /известной конструкции/, толкатель 14 с центрирующей втулкой и регулировочная гайка 15. Основание 5 и корпус 12 имеют кольцевые выступы, помещенные между торцовыми стенками в отверстии ограничителя 16 с возможностью взаимодействия с ними в крайнем верхнем положении корпуса /при выключении уплотнения 11/. В зазоре между корпусом и основанием помещен болт 17, установленный в отверстии ограничителя. Это предотвратит разгерметизацию тройника при выключении временного уплотнения 11 и не позволит случайно включить его.

Установка сальниковой головки на тройнике с возможностью наклона и поступательного перемещения может быть реализована также с помощью гибкого, например, резинотканевого шланга /без шарниров/. Такая конструкция проще, но, при смещении штока, создает большие нагрузки на центрирующие втулки сальника. Возможен и более сложный вариант реализации, в которой полый рычаг соединен с сальниковой головкой сферическим шарниром, а с тройником - с возможностью поступательного перемещения в поперечном направлении. Однако во всех случаях и полый рычаг, и его эквиваленты обеспечивают герметичное соединение тройника и сальниковой головки, позволяя последней наклоняться и перемещаться вместе с сальниковым штоком при минимальных нагрузках на детали сальника.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении /при центровке станка/ сальниковый шток 9 расположен приблизительно соосно с тройником 1 и, охваченный центрирующими втулками 10, концентричен уплотнениям сальниковой головки. Рабочий сальник 13 под воздействием толкателя 14 и гайки 15 обжат и осуществляет уплотнение штока. Корпус 12 находится в верхнем положении, удерживаемый ограничителем 16 и болтом 17. При этом уплотнение 11 выключено.

При начале движения из-за различных возмущающих факторов изменяется положение точки подвеса сальникового штока на станке. Шток 9 стремится сохранить вертикальное положение и начинает соответствующее перемещение в поперечном направлении, воздействуя на втулки 10 и увлекая этим за собой сальниковую головку с основанием 5, шарнирно связанным крышкой 4 с полым рычагом 3. Одновременно происходит поворот полого рычага со штоком 8 относительно тройника 1 с крышкой 2. При этом сальниковый шток смещается относительно оси тройника на необходимое расстояние без существенного изгиба и детали сальника нагружены по-прежнему равномерно. Поэтому полностью исключается местная выработка и создаются условия для достижения нормальной продолжительности срока службы сальника /до естественного износа уплотнений/. Длительность непрерывной работы при этом может достичь нескольких месяцев.

Для замены сальника 13 вывинчивают болт 17 до освобождения корпуса 12, вращением последнего включают уплотнение 11 и, в обычном порядке, заменяют сальник.

При повороте рычага 3 повернется щиток 8 и его основание станет под углом к горизонтальному торцу крышки 2. Измеряя этот угол, можно установить фактическую величину смещения станка и, в случае его чрезмерной величины, своевременно произвести центровку. При этом станок перемещают /известными методами/ таким образом, чтобы основание щитка стало примерно параллельно торцу крышки. Это гораздо быстрее и проще существующего метода.

Источники информации
1. Муравьев В.М. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1978, с. 244.

2. Там же, рис. 112.

Устройство для уплотнения штока глубинного насоса может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для уплотнения сальникового штока в устье скважины, эксплуатируемой штанговым насосом. Содержит тройник и размещенную над ним с возможностью наклона сальниковую головку, которые соединены герметично. Сальниковая головка установлена с возможностью поступательного перемещения. Для этого между тройником и сальниковой головкой помещен полый рычаг, соединенный с ними шаровыми шарнирами. Многократно увеличивает срок службы сальника, позволяет своевременно выполнять центровку, упрощает и существенно ускоряет ее. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для уплотнения штока глубинного насоса, содержащее тройник и размещенную над ним с возможностью наклона сальниковую головку, соединенные герметично, отличающееся тем, что сальниковая головка установлена с возможностью поступательного перемещения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между тройником и сальниковой головкой помещен полый рычаг, соединенный с ними сферическими шарнирами.