ГЛУБИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 2001 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к нефтепромысловому оборудованию, и может быть использовано при добыче нефти из глубоких скважин.

Известен глубинный штанговый насос, включающий цилиндр, плунжер, штангу, всасывающий и нагнетательный клапаны, при этом цилиндр имеет сквозные каналы под крайним верхним положением плунжера для выпуска газа и пены (патент РФ N 2100650, кл. F 04 B 47/00, опубл. 27.12.97). Однако при работе такого насоса возникают дополнительные динамические нагрузки, что приводит к лишним затратам энергии. Кроме того, в случае перекачки таким насосом нефтеводяной смеси при прохождении ее через сквозные узкие каналы в цилиндре образуется устойчивая вязкая эмульсия, которая ухудшает условия работы насоса и движения жидкости в насосно-компрессорной трубе.

Известен штанговый глубинный насос, содержащий цилиндр, полый плунжер из упругопластичного материала, шток-клапан, выполняющий функцию нагнетательного клапана и установленный с возможностью осевого перемещения и всасывающий клапан. На верхнем конце шток-клапана размещена переводная втулка с входными окнами (патент РФ N 2140570, кл. F 04 B 47/00, опубл. 27.10.99). Насос экономичен и прост в изготовлении, конструкция плунжера обеспечивает его надежное уплотнение за счет расширения в момент нагнетания жидкости. Однако известный насос также испытывает большие динамические нагрузки, что объясняется тем, что нагнетательный клапан совмещен с подвижным плунжером и при движении плунжера вниз столб жидкости следует за движением плунжера, в результате чего плунжер и штанга, находясь под воздействием больших динамических нагрузок, быстро изнашиваются, что снижает надежность работы насоса. Кроме того, всасывающий клапан известного насоса (не указанный на чертеже) как обычно выполнен шаровым с узким проходным сечением, а его открытие происходит при значительном перепаде давления, что способствует диспергированию нефтеводяной смеси с образованием устойчивой эмульсии и с дополнительным выделением растворенного газа и образованием пены.

Таким образом, возникла задача повысить эффективность и надежность работы глубинного штангового насоса с наименьшими затратами при этом.

Технический результат, ведущий к решению поставленной задачи - это уменьшение динамических нагрузок при работе насоса, снижение диспергирования нефтеводяной смеси, снижение выделения растворенного газа и образования пены.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном глубинном штанговом насосе, включающем цилиндр, самоуплотняющийся полый плунжер с нагнетательным клапаном, выполненным в виде штока-клапана с возможностью осевого перемещения, и всасывающий клапан в нижней части цилиндра согласно изобретению, в верхней части цилиндра размещен дополнительный нагнетательный клапан, а всасывающий клапан выполнен полнопроходным и нормально открытым, при этом шток-клапан снабжен толкателем, установленным с возможностью взаимодействия с плунжером. Целесообразно вышеупомянутые нагнетательный и всасывающий клапаны выполнить тарельчатыми.

Выполнение всасывающего клапана полнопроходным и нормально открытым решает проблему снижения диспергировании смеси нефти и воды при прохождении через всасывающий клапан, снижение перепада давления жидкости на всасывающем клапане, что приводит к устранению выделения газа в рабочем объеме цилиндра, более полному заполнению жидкостью рабочего объема цилиндра, повышению коэффициента полезного действия насоса. Нормально открытый клапан означает, что при неподвижном плунжере клапан остается открытым.

Размещение нагнетательного клапана на цилиндре насоса обеспечивает неподвижное состояние по высоте столба жидкости выше нагнетательного клапана, т. е. устраняет воздействие массы этого столба жидкости на плунжер после закрытия нагнетательного клапана. При этом плунжер насоса работает в более благоприятных условиях отсутствия инерционных сил движения столба жидкости вверх и вниз при работе насоса. Это приводит к более плавной работе привода насоса, экономии энергии на привод насоса.

Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом выявляет следующие отличительные признаки: наличие дополнительного нагнетательного клапана, размещенного на цилиндре, выполнение всасывающего клапана полнопроходным и нормально открытым, а также новая форма выполнения штока - с толкателем, установленным с возможностью взаимодействия с плунжером. Дополнительные признаки - выполненные вышеупомянутых клапанов тарельчатыми.

Указанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии критерию изобретения "новизна".

Поиск по отличительным признакам выявил скважинный штанговый насос с нагнетательным клапаном, размещенным на цилиндре (Рекламный проспект, Москва, ВНИИОЭНГ, 1982 г.).

Такая конструкция насоса снижает инерционные нагрузки на колонну штанг от столба жидкости в насосно-компрессорных трубах. Однако конструкция узла клапана оказалась сложный, обводной канал клапана выступает за габариты насосно-компрессорной трубы, проходное сечение канала клапана имеет малый размер, при нагнетании жидкости через этот канал происходит дросселирование и дополнительное диспергирование нефтеводяной смеси.

По отличительному признаку "всасывающий полнопроходной клапан" было выявлено техническое решение по авт. свид. N 1596129 (кл. F 04 B 47/00, опубл. 30.09.90) - скважинный штанговый насос, в котором для снижения перепада давления на всасывающем клапане предусмотрен узел воздействия на шар клапана. Однако такое решение не устраняет эффект дросселирования, в результате чего происходит образование эмульсии и выделение растворенного газа из нефти при происхождении нефтеводяной смеси через узкий канал всасывающего клапана.

Анализ выявленных технических решений показал, что насосы по этим решениям неэффективны при перекачке нефтеводяных смесей из-за несовершенства их клапанных узлов: при прохождении смесей через клапаны образуется эмульсия, выделяется растворенный газ и образуется пена, так как оба технических решения содержат элементы конструкций, способствующие диспергированию нефтеводяных смесей, в то время как предлагаемые клапаны улучшают условия работы клапанов.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена схема глубинного штангового насоса, которая включает цилиндр 1, плунжер 2 из упругоэластичного материала, например фторопласта, с нагнетательным шток-клапаном 3 и штангой 4. В нижней части цилиндра размещен всасывающий клапан 5, прикрепленный посредством пружин 6 к опере 7 и расположенный на седле 8. В верхней части цилиндра 1 размещен дополнительный нагнетательный клапан 9 на седле 10 с уплотнительным кольцом 11. Штанга 4 снабжена толкателем 12, взаимодействующим с плунжером 2 посредством выемки 13.

Глубинный штанговый насос работает следующим образом.

Насос спускается в скважину на насосно-компрессорных трубах на глубину ниже динамического уровня жидкости. Всасывающий клапан насоса размещается в нижнем конце цилиндра 1 насоса, а дополнительный нагнетательный клапан - на верхнем конце цилиндра насоса. Плунжер насоса имеет ход от всасывающего клапана до нагнетательного клапана и наоборот. Место прохождения полированного участка штанги через седло 10 дополнительного нагнетательного клапана 9 уплотняется уплотнительным кольцом 11. Плунжер 2 в цилиндре 1 движется штангой 4, опираясь на шток-клапан 3 при движении вверх, а при движении вниз плунжер опирается на толкатель 12. Дополнительный нагнетательный клапан выполнен так, чтобы в седле 10 было максимально большое проходное сечение для жидкости, т. е. отверстия имеют максимальный диаметр и число, а закрывающий эти отверстия клапан 9 имеет минимальный вес, чтобы сопротивление при открытии клапана 9 было минимальным, при этом эффект диспергирования смеси нефть-вода будет также минимальным. Всасывающий клапан состоит из седла 8, тарелки клапана 5, которая подвешена на пружинах 6 с опорой 7. Такой клапана имеет максимальное проходное сечение (близок к полнопроходному), а тарелка 5 клапана садится на седло 8 только при появлении дополнительного усилия на тарелку при движении плунжера 2 вниз, т.е. такой клапан остается нормально открытым при движении плунжера вверх и неподвижном его состоянии. Это условие обеспечивает заполнение полости цилиндра насоса практически без потери давления. При этом устраняются возможности дополнительного выделения растворенного газа из нефти и диспергирования смеси нефть-вода.

Плунжер 2 из упругоэластичного материала со шток-клапаном 3 действует следующим образом. При движении плунжера с нижнего положения вверх шток-клапан 3, закрепленный на штанге 4, упирается в конусную поверхность плунжера, при этом область цилиндра 2, находящаяся выше шток-клапан 3, отсекается от области цилиндра 2 ниже шток-клапана 3, и жидкость, находящаяся выше шток-клапана 3, вытесняется через дополнительный нагнетательный клапан 9 в насосно-компрессорную трубу. После достижения верхней точки плунжером 2 штанга 4 начинает двигаться вниз, толкатель 12 цепляется за нижний край выемки 13 плунжера 2 и толкает его вниз. При этом за счет люфта в выемке 13 шток-клапан 3 опережает плунжер 2, открывая кольцевой канал для прохождения жидкости из нижней части в верхнюю часть плунжера. При движении вниз штанги 4 со шток-клапаном 3 и плунжером 2 тарелка 5 прижимается к седлу 8, т.е. всасывающий клапан закрывается, так как появляется сила, прижимающая тарелку 5 к седлу 8. Работа шток-клапана 3 при всасывании и нагнетании способствует более эффективной работе как всасывающего, так и дополнительного нагнетательного клапанов, повышает надежность работы насоса в целом.

Совместная работа трех клапанов устраняет условия, приводящие к преждевременному закрытию всасывающего и нагнетательного клапанов. Порция жидкости для нагнетания в насосно-компрессорную трубу отсекается шток-клапаном на плунжере, который открывается и закрывается в зависимости от хода штанги.

Таким образом, предлагаемый глубинный штанговый насос не испытывает динамические нагрузки от столба жидкости в насосно-компрессорной трубе, обеспечивается уменьшение образования мелкодисперсной эмульсии нефтеводяной смеси, дополнительного выделения растворенного газа, образования пены в насосе, при этом повышается эффективность и надежность работы насоса.

Глубинный штанговый насос может быть использован в нефтяной промышленности при добыче нефти. В верхней части цилиндра размещается дополнительный нагнетательный клапан. Всасывающий клапан выполнен полнопроходным и нормально открытым. Устраняются динамические нагрузки на плунжер и штангу, уменьшаются образование устойчивой эмульсии в насосе, дополнительное выделение растворенного газа и образование пены. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Глубинный штанговый насос, включающий цилиндр, самоуплотняющийся полый плунжер с нагнетательным клапаном, выполненным в виде штока-клапана с возможностью осевого перемещения, и всасывающий клапан в нижней части цилиндра, отличающийся тем, что в верхней части цилиндра размещен дополнительный нагнетательный клапан, а всасывающий клапан выполнен полнопроходным и нормально открытым, при этом шток-клапан снабжен толкателем, установленным с возможностью взаимодействия с плунжером. 2. Глубинный штанговый насос по п.1, отличающийся тем, что дополнительный нагнетательный и всасывающий клапаны выполнены тарельчатыми.