ШТАНГОВЫЙ ГЛУБИННЫЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F04B47/00 F04B53/14 

Изобретение относится к области гидромашиностроения, нефтегазодобывающей промышленности, в частности к штанговым глубинным насосам для откачки жидкостей с содержанием газа, абразивных примесей, парафина и т.д.

Известна конструкция насоса с гуммированным плунжером, имеющим 3 - 4 резиновых уплотнителя (Справочная книга по добыче нефти под редакцией Гиматутдинова Ш.К. - М.: Недра, 1974, с. 318).

Недостатком данного насоса является то, что абразивные частицы через щелевой зазор пары плунжер - цилиндр под давлением перекачиваемой жидкости внедряются в материал уплотнительных колец, чем создают дополнительную фрикцию, а это приводит к быстрому износу пары плунжер - цилиндр, тем самым к снижению долговечности насоса.

Наиболее близким решением к изобретению является поршневой насос (патент Великобритании N 1402938, F 04 B 21/04, 1975), включающий цилиндр, сквозной поршень, имеющий две части, способные к перемещению относительно друг друга, чтобы обеспечить действие клапана, всасывающий клапан, расположенный в цилиндре, включающий центральный орган клапана, имеющий конический клапан, рукав - форменное тело запечатывания, расположенное на центральном теле клапана, для возможности свободного перемещения на некоторое расстояние.

Недостатком работы такого насоса является:
1. Вследствие того что на центральном теле плунжера расположен рукав в виде втулки и изготовлен из металла, вес столба жидкости не будет оказывать давление на внутренние стенки плунжера. В результате может образоваться прохождение откачиваемой жидкости, а вместе с ней и абразивных частиц между наружными стенками плунжера и внутренней стенкой цилиндра.

2. При ходе плунжера вниз есть вероятность смещения покрытия из синтетического материала по телу рукава, что также приведет к выходу из строя насос.

Задачей изобретения является увеличение производительности и ресурса работы насоса за счет уменьшения износа пары плунжер - цилиндр, особенно при большом содержании абразивных частиц в откачиваемой жидкости, а также упрощении конструкции и надежности эксплуатации.

Для увеличения производительности и надежности работы насоса штанговый глубинный насос содержит цилиндр, полый плунжер, шток-клапан с наконечником в нижней части с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера и с расположенной в верхней части шток-клапана переводной втулкой, плунжер выполнен из упругоэластичного материала, с возможностью расширяться, торцы которого выполнены в виде конуса, обращенного вовнутрь полости плунжера с образованием острой кромки в месте сопряжения их с зеркалом цилиндра, нижняя контактная часть шток-клапана выполнена в виде конуса, ответного конусному торцу нижней части плунжера, а выше контактного профиля выполнено конусное утолщение, контактный профиль переводной втулки выполнен ответным профилю конического конца верхней части плунжера. Торцевые части плунжера снабжены насадками с канавкой "пескобрей", нижняя часть шток-клапана снабжена насадкой, свободный конец шток-клапана выполнен в виде внутреннего конуса (скребок), нижняя часть шток-клапана, контактная поверхность шток-клапана и плунжера выполнены в форме части шара или конуса, а на наружной стороне нижней части шток-клапана, а также по телу штока выполнены винтовые канавки.

Тело плунжера выполнено многослойным из упругоэластичных материалов, а между слоями выполнено гофрирование.

Утолщение и конусная контактная поверхности выполнены из упругоэластичного материала, а посадочное гнездо полости плунжера выполнено ответным форме наружного профиля утолщения и конусной контактной поверхности, выполнен стопор, переводная втулка снабжена кольцом из упругоэластичного материала.

Боковая часть шток-клапана снабжена кольцом из упругоэластичного материала.

На шток-клапане выполнен выступ для эластичной насадки, а свободный конец шток-клапана - в виде конуса, утолщение из материала шток-клапана.

Конусные части контактной поверхности шток-клапана выполнены с продольными и поперечными зубьями на шток-клапане. На свободном конце шток-клапана выполнен фильтр с отверстиями и песочный якорь.

Тело штока выполнено звездообразным.

В теле плунжера размещены жесткие пружинистые шины.

На плунжере выполнены поперечные канавки с отверстиями, а на внешней поверхности в теле плунжера размещены поперечные кольца из разных по жесткости и эластичности материалов по сравнению с материалом, из которого изготовлен плунжер.

На шток-клапане выполнены внутренние каналы, а наружный диаметр шток-клапана соответствует диаметру цилиндра с выполненной канавкой "пескобрей" на боковой поверхности шток-клапана.

Тело внешнего слоя плунжера выполнено из поперечных колец, изготовленных из упругоэластичных материалов, два торцевых кольца выполнены цельными, а остальные кольца с продольными прорезями по телу, прорези расположены противоположно относительно друг друга.

На фиг. 1 показан общий вид насоса при подъеме плунжера вверх.

На фиг. 2 - вид плунжера со шток-клапаном с наконечником в нижней части, изготовленным из упругоэластичного материала, а наружняя боковая поверхность переводной втулки снабжена упругоэластичным материалом.

На фиг. 3 - вид плунжера с насадками.

На фиг. 4 - вид плунжера, выполненного многослойным.

На фиг. 5 - вид штока-клапана с наконечником, боковые стороны которого снабжены упругоэластичным материалом.

На фиг. 6 - вид наконечника шток-клапана, нижняя часть которого выполнена в виде конуса, а нагнетательный клапан из упругоэластичной втулки.

На фиг. 7 - вид наконечника, конусная часть которого выполнена с продольными зубьями и скребком.

На фиг. 8 - вид наконечника, конус которого выполнен с поперечными зубьями.

На фиг. 9 - вид наконечника с винтовыми канавками.

На фиг. 10 - вид наконечника, контактный профиль и нижняя часть которого выполнены в виде части шара.

На фиг. 11 - вид наконечника с песочным якорем.

На фиг. 12 - вид поперечного резреза тела штока, выполненного в форме звезды.

На фиг. 13 - поперечный разрез плунжера с продольными уплотняющими поясками (шинами).

На фиг. 14 - вид плунжера с поперечными канавками (верхняя часть чертежа) и поперечными кольцами (нижняя часть чертежа).

На фиг. 15 - вид шток-клапана с внутренними каналами и канавкой "пескобрей".

На фиг. 16 - вид плунжера с поперечными кольцами.

Штанговый глубинный насос состоит из цилиндра 1 и плунжера 2, выполненного из упругоэластичного материала с возможностью расширяться. Шток-клапан 3 в нижней части выполнен в виде конуса, в контактной - с ответным профилем на нижнем торце плунжера. Выше контактного профиля шток-клапана выполнено утолщение 3а в виде конуса, переходящего в цилиндрическую форму. Конусное утолщение необходимо для работы нагнетательного клапана.

При уменьшении зазора полости между цилиндром и конусным утолщением, уменьшается давление столба жидкости в этой области, и наконечник шток-клапана плотнее контактирует с плунжером. На верхней части шток-клапана расположена переводная втулка 4 (фиг. 1).

Для увеличения герметичности и контактной площади нагнетательного клапана утолщение 5 и конусная контактная поверхность выполнены из более упругоэластичного материала (например полиуретан или фторопласт), а посадочное гнездо полости плунжера выполнено ответным форме наружного профиля утолщения 5 и конусной части контактной поверхности. В целях ограничения хода эластичного утолщения 5 вверх при ходе плунжера вниз шток снабжен стопором 6, расположенным выше утолщения 5 и выполненным неподвижным, в форме конуса. При подъеме плунжера вверх столб жидкости давит на верхнюю торцевую поверхность утолщения, тем самым расширяя утолщение и устраняя зазор в полости плунжера между утолщением и внутренней стенкой плунжера. Для предохранения зеркала цилиндра от контакта жестких поверхностей переводная втулка снабжена упругоэластичным материалом 7 (фиг. 2).

Для скважин с повышенным содержанием абразивных частиц в жидкости выполнены специальные насадки 8 сверху и снизу плунжера. Насадки 8 изготовлены из более жесткого материала (например из металла) с канавкой "пескобрей" 9 (фиг. 3) или из более эластичного материала, чем материал плунжера (например полиуретан). Более мягкий материал позволит давлению жидкости плотнее прижать эластичную насадку к цилиндру, что будет препятствовать проникновению песка между плунжером и цилиндром.

Насадка 10 выполнена из более эластичного материала, чем материал плунжера. Это в свою очередь улучшит функцию работы нагнетательного клапана (фиг. 3).

Плунжер выполнен многослойным из упругоэластичных материалов (например наружный слой из фторопласта, а внутренний из полиуретана) (фиг. 4).

Такая конструкция позволит предохранить тело плунжера от трещин при воздействии давления жидкости. При уменьшении толщины первого слоя 2 (фторопласта) плунжер становится более эластичным. За счет увеличения толщины внутреннего слоя 11 плунжера (полиуретан) толщина стенки плунжера остается неизменной, но появляется у плунжера свойство более динамично реагировать на гидродинамическое давление. Для того чтобы соединение между слоями плунжера было более крепким, целесообразно выполнить гофрирование из жесткого или мягкого материала (например капроновых нитей или же стальной проволоки) (на фиг. 4 не показано).

Для предохранения зеркала цилиндра от контакта жестких поверхностей боковая поверхность шток-клапана снабжена кольцом из упругоэластичного материала (фиг. 5).

В целях предохранения от соскальзывания мягкой насадки 13 с утолщения 3а выполнен выступ 14а на свободном конце шток-клапана, а для предохранения контакта с зеркалом цилиндра свободный конец шток-клапана выполнен в виде конуса 14. Утолщение 3а выполнено из материала шток-клапана (фиг. 6). Для работы насоса с отложениями типа гипса на свободном конце шток-клапана выполнен "скребок" 15 с острыми кромками. С его помощью очищается зеркало цилиндра от отложений гипса, а конусная часть выполнена с продольными зубьями 16 для "разламывания" отложений, образовавшихся, например, после остановки скважины (фиг. 7).

При работе с густой эмульсией и парафином конусная часть выполнена с поперечными зубьями 17, это создает "барьер" эмульсии от проскальзывания жидкости в работе нагнетательного клапана. А форма свободного торца шток-клапана выполнена в виде конуса 18. Такое исполнение позволяет "вклиниваться" в густую массу перекачиваемой жидкости (фиг. 8).

При работе с абразивными частицами и гипсом выполнены канавки: 19 - на нижнем конце шток-клапана и 19а - по телу штока. Канавки 19, 19а закручивают поток жидкости при опускании плунжера, тем самым не допуская оседания песка на контактном конусе. А наружный диаметр свободного конца шток-клапана очищает цилиндр от гипса и песка (фиг. 9).

Для более плавного прохождения перекачиваемой жидкости нижняя часть шток-клапана 20, а также контактный профиль шток-клапана 21 и контактный профиль плунжера 22 выполнены в форме части шара (фиг. 10). Такую конструкцию целесообразно применять в скважинах с большим числом качаний в минуту, так как может произойти заклинивание плунжера из-за того, что жидкость не успевает пройти в зазоре между шток-клапаном и цилиндром насоса (фиг. 10).

Для фильтрации остаточного песка в насосе выполнены на свободном конце шток-клапана фильтр с отверстиями 23 и песочный якорь 24 (фиг. 11).

При работе насоса в скважинах с большой кривизной в трубах выполнено тело шток-клапана звездообразным 25. Это позволяет центровать шток в полости плунжера (фиг. 12).

Для работы в скважинах со значительной криволинейностью выполнены продольные (жесткие) пружинистые шины 26 на теле плунжера. Это предохранит тело плунжера от поперечного излома (фиг. 13).

Для предотвращения сильного нагревания плунжера от трения выполнены поперечные канавки с отверстиями 27, позволяющими смазывать трущиеся поверхности перекачиваемой жидкостью, которая заполняет полость канавок через отверстия, а также выполнены поперечные кольца из жесткого 28 и из более эластичного 29 материалов, чем у плунжера. Так как тепловосприимчивость и теплоотдача у различных материалов разная, то происходит теплообмен и плунжер частично охлаждается (фиг. 14).

В целях увеличения напора жидкости для промывания конуса плунжера от образивных частиц, внедрившихся в тело плунжера, выполнены на шток-клапане внутренние каналы 30, а наружный диаметр свободного конца выполнен соответствующим диаметру цилиндра, а на боковой поверхности шток-клапана выполнена канавка "пескобрей" 31 (фиг. 15).

Для того чтобы тело плунжера было более восприимчивым к давлению жидкости, целесообразно выполнить внешний слой плунжера из поперечных колец (фиг. 16). Два крайних торцевых кольца 32 выполнены цельными, а находящиеся между ними остальные кольца с продольными прорезями 33 в виде "лесенки". Прорези одного кольца следует располагать с противоположной стороны прорези следующего кольца. Давление распирает кольца с прорезями и через прорезь жидкость не проходит на следующее кольцо, так как прорезь следующего кольца находится с противоположной стороны.

Работа штангового насоса заключается в следующем.

При движении плунжера 2 вниз происходит осевое перемещение штока-клапана 3 вниз. Жидкость проходит между шток-клапаном 3 и цилиндром 1, попадая во внутреннее отверстие плунжера, и проходит через выходные окна переводной втулки 4. Переводная втулка 4, таким образом, толкает своей конусной частью плунжер 2 до нижнего его положения.

При движении плунжера 2 вверх шток-клапан 3 перекрывает проход жидкости своей конусной частью и выполняет роль нагнетательного клапана, а также толкает плунжер 2 до верхнего его положения.

Для лучшей работы нагнетательного клапана выполнено конусное утолщение 3а, расположенное выше контактного профиля шток-клапана и плунжера. Герметичность же между плунжером 2 и цилиндром 1 насоса обеспечивается за счет давления столба жидкости на внутренние стенки плунжера 2. Таким образом, плунжер 2, расширяясь, плотно прилегает к внутренним стенкам цилиндра 1, так как плунжер изготовлен из упругоэластичных материалов с возможностью расширяться под воздействием давления столба жидкости на полость плунжера. Шток-клапан 3 выполняет сразу 2 функции в работе:
а) роль нагнетательного клапана;
б) обеспечивает возможность осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз.

Вес столба откачиваемой жидкости давит на внутренние стенки плунжера, тем самым прижимая сторону плунжера к цилиндру. Этим исключается пропуск жидкости, а вместе с ней проникновение абразивных частиц между плунжером и цилиндром. Торцевые поверхности плунжера, так же как концевая поверхность шток-клапана, и одна торцевая поверхность переводной втулки выполнены в виде конуса, обращенного вовнутрь полости плунжера под углом, зависящим от условий работы плунжера. Этот угол обеспечивает направление жидкости вовнутрь плунжера, что также предотвращает проникновение абразивных частиц между плунжером и цилиндром.

Все это способствует увеличению производительности, уменьшению износа пары плунжер - цилиндр и соответственно увеличению ресурса работы насоса.

Кроме этого сравнительно малая длина плунжера позволяет использовать его в скважинах со значительной криволинейностью.

Итак, от угла наклона конуса шток-клапана 3 и двух торцевых поверхностей плунжера 2, его толщины стенок, выбора материала плунжера и шток-клапана, специальных насадок и других изменений зависит работа насоса в различных условиях (наличие в жидкости эмульсии, парафина, абразивных частиц и др.).

Также возможна сборка из нескольких рядов насадок и плунжеров в определенной последовательности.

Благодаря тому что плунжер 2 предлагаемого насоса значительно короче стандартных, использование его в стандартных цилиндрах позволит увеличить рабочий ход плунжера с одновременным уменьшением количества ходов, тем самым снизить энергозатраты, либо уменьшить длину цилиндра, при этом экономия на размерах цилиндра позволит окупить расходы на изготовление плунжера.

Кроме того, уменьшение количества ходов плунжера позволит уменьшить износ всей системы, включая плунжер, цилиндр, штанги и насосно-компрессорные трубы (НКТ), тем самым существенно сократить простои скважин.

Такое выполнение плунжера позволит вести откачку жидкости из скважины без нагнетательного клапанного узла, закрепляемого на плунжере насоса.

Плунжер прост и экономичен в изготовлении.

Штанговый глубинный насос предназначен для использования в области гидромашиностроения нефтегазодобывающей промышленности, для откачки жидкостей с содержанием абразивных примесей, газов, парафина и т.д. Содержит цилиндр и расположенный в нем подвижно полый плунжер, изготовленный из упругоэластичного материала. Нижняя часть шток-клапана выполнена в виде конуса, ответного конусному торцу нижней части плунжера, и выполняет роль нагнетательного клапана, при этом обеспечивается возможность осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз. Шток-клапан крепится к штоку насоса при помощи переводной втулки, контактный профиль которой выполнен ответным профилю конического конца верхней части плунжера. Конусное утолщение расположено выше контактного профиля шток-клапана и плунжера. Герметичность между плунжером и цилиндром насоса обеспечивается за счет давления столба жидкости на внутренние стенки плунжера. Таким образом, плунжер, расширяясь, плотно прилегает к внутренним стенкам цилиндра, что полностью исключает пропуск перекачиваемой жидкости, а вместе с ней абразивных частиц между плунжером и цилиндром. Повышается производительность и ресурс работы насоса. 15 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Штанговый глубинный насос, содержащий цилиндр, полый плунжер, шток-клапан с наконечником в нижней части с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера, отличающийся тем, что плунжер выполнен из упругоэластичного материала с возможностью расширения, торцы которого выполнены в виде конуса, обращенного вовнутрь полости плунжера с образованием острой кромки в месте сопряжения их с зеркалом цилиндра, нижняя контактная часть шток-клапана выполнена в виде конуса, ответного конусному торцу нижней части плунжера, и выше контактного профиля выполнено конусное утолщение, а контактный профиль переводной втулки выполнен ответным профилю конического конца верхней части плунжера. 2. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что утолщение и конусная контактная поверхность шток-клапана выполнены из упругоэластичного материала, а посадочное гнездо полости плунжера выполнено ответным форме наружному профилю утолщения и конусной части контактной поверхности, на штоке выполнен стопор, а переводная втулка снабжена кольцом из упругоэластичного материала. 3. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что торцевые части плунжера снабжены насадками, с канавкой "пескобрей", а нижняя часть шток-клапана снабжена насадкой. 4. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что плунжер выполнен многослойным из упругоэластичных материалов. 5. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность шток-клапана снабжена кольцом из упругоэластичного материала. 6. Штанговый глубинный насос по пп.1 и 3, отличающийся тем, что на шток-клапане выполнен выступ для эластичной насадки, а свободный конец шток-клапана - в виде конуса. 7. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что свободный конец шток-клапана выполнен в виде внутреннего конуса, а на его конусной части контактной поверхности выполнены продольные зубья. 8. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что конусная часть контактной поверхности шток-клапана выполнена с поперечными зубьями, а свободный конец шток-клапана - в форме конуса. 9. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что на наружной стороне нижней части шток-клапана и по телу штока выполнены винтовые канавки. 10. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть шток-клапана, контактная поверхность шток-клапана и плунжера выполнены в форме части шара. 11. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что на свободном конце шток-клапана выполнен фильтр с отверстиями и песочным якорем. 12. Штанговый глубинный насос по п. 1, отличающийся тем, что в теле плунжера размещены жесткие пружинистые шины. 13. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что на плунжере выполнены поперечные канавки с отверстиями, а на внешней поверхности в теле плунжера размещены поперечные кольца из разных по жесткости и эластичности материалов по сравнению с материалом, из которого изготовлен плунжер. 14. Штанговый глубинный насос по п.1, отличающийся тем, что на шток-клапане выполнены внутренние каналы, а наружный диаметр шток-клапана соответствует диаметру цилиндра, с выполненной канавкой "пескобрей" на боковой поверхности шток-клапана. 15. Штанговый глубинный насос по пп.1 и 4, отличающийся тем, что между слоями из упругоэластичных материалов плунжера выполнено гофрирование. 16. Штанговый глубинный насос по пп.1 и 4, отличающийся тем, что тело внешнего слоя плунжера выполнено из поперечных колец, изготовленных из упругоэластичных материалов, два торцевых кольца выполнены цельными, а остальные кольца - с продольными прорезями по телу, а прорези расположены противоположно относительно друг друга.