СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано для откачки нефти и других жидкостей из скважин.

Известны скважинные штанговые насосы, содержащие шток плунжера, цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, проходной полый плунжер, снабженный нагнетательным клапаном и соединенный посредством штока плунжера с колонной штанг (Справочник по эксплуатации нефтяных месторождений. Часть 1. М., Недра, 1964, стр. 214-227). В зависимости от условий эксплуатации в указанных насосах применяют плунжеры различных конструкций, обеспечивающие удовлетворительные показатели герметичности и надежности работы насоса.

В настоящее время наиболее широко применяются плунжеры с щелевым уплотнением, имеющие длину 1200 мм и ширину зазора около 100 микрон. При этих параметрах насосы имеют наилучшие показатели надежности. Однако экономичная высота подъема жидкости из скважин этими насосами не превышает величины 1000 м. Для подъема жидкости на высоту более 1000 м необходимо уменьшать ширину щели и увеличивать длину плунжера, чтобы обеспечить удовлетворительную герметичность. Однако при этом снижается надежность работы насосов. Наиболее часто отказы в работе насосов происходят по следующим причинам:
- износ уплотняющих поверхностей плунжера и цилиндра, сопровождающийся интенсивным нелинейным возрастанием утечек жидкости;
заклинивание плунжера в цилиндре, вызванное попаданием в зазор песка и других механических частиц.

Особенно быстро изнашиваются и заклинивают насосы, имеющие даже незначительные искривления оси цилиндра, которые неизбежно возникают как в процессе изготовления, так и эксплуатации насосов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является скважинный штанговый насос, предлагаемый в описании к изобретению по патенту RU 2162966 С1, 23.10.1999. Авторы предлагают использовать в насосе плунжер (поршень), уплотненный в цилиндре упруго поджатыми по оси уплотнительными кольцами с концентричными цилиндрическими поверхностями и притертыми торцами. На цилиндрический корпус плунжера надета упругая обойма с выполненными на ее наружной поверхности эксцентричными кольцевыми выступами (буртами). Каждое уплотнительное кольцо на упругой обойме установлено на кольцевом выступе (бурте) с эксцентриситетом относительно оси цилиндра. Упругое поджатие в осевом направлении уплотнительных колец и упругой муфты обеспечивается прижимным кольцом сверху и гильзой на упругом основании снизу. При сборке насоса плунжер вставляют в цилиндр, смещая уплотнительные кольца в сторону уменьшения их эксцентриситета за счет упругой деформации буртов упругой обоймы. Указанная деформация должна обеспечить прижатие колец к стенке цилиндра не только в начальный момент, но и в течение межремонтного периода работы насоса в скважине, не позволяя сечению щелевого канала и, соответственно, утечкам увеличиваться при износе трущихся поверхностей.

Однако, когда насос находится в скважине под воздействием давления столба жидкости, а также возникающих в процессе откачки перепадов давления на плунжере, упругая обойма деформируется в радиальном и осевом направлениях, изменяет первоначальную форму и приобретает жесткость, что приводит к чрезмерному возрастанию усилий прижатия к цилиндру на одних уплотнительных кольцах и их отсутствию на других. Следствием этого являются увеличение сил трения при движении плунжера в цилиндре, ускоренный износ взаимно трущихся поверхностей плунжера и цилиндра, снижение уровня герметичности насоса.

Кроме того, упругая обойма ухудшает отвод тепла, выделяющегося при трении, от уплотнительных колец. При работе насоса температура нагрева колец может стать значительной и вызвать разрушение упругой обоймы, особенно при увеличении сил трения или в условиях высокой температуры откачиваемой жидкости.

Следует также отметить, что наличие упругой обоймы, установленной на боковой поверхности плунжера, конструктивно уменьшает сечение проходного канала в полости плунжера. Следствием является увеличение гидравлических сопротивлений при ходе плунжера вниз с негативным влиянием на показатели надежности работы колонны штанг и наземного привода.

Негативное влияние искривлений оси цилиндра на надежность работы насоса по сравнению с их влиянием на щелевые уплотнения может быть несколько снижено за счет упругой деформации обоймы, но остается существенным. С увеличением длины и жесткости плунжера это влияние усиливается.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков конструкции насоса и этим повысить надежность работы, снизить эксплуатационные затраты, расширить диапазон условий эффективного применения.

Технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе, содержащем шток плунжера, цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, проходной полый плунжер, уплотненный в цилиндре упруго поджатыми в осевом направлении уплотнительными кольцами, снабженный нагнетательным клапаном и соединенный с штоком плунжера, уплотнительные кольца выполнены с внутренним диаметром, определяемым по формуле
Двк=Дц-Днк+Дс+2•h,
где Дц - внутренний диаметр цилиндра насоса;
Днк - наружный диаметр уплотнительного кольца;
Дс - диаметр цилиндрической поверхности секции;
h - суммарная толщина слоев планируемого допустимого износа взаимно трущихся поверхностей уплотнительного кольца и цилиндра,
а на цилиндрической поверхности плунжера на уровне каждого уплотнительного кольца выполнены углубления, в которых зафиксированы пружинящие элементы, отжимающие соответствующее этому уровню уплотнительное кольцо в какую-то одну сторону к стенке цилиндра, причем углубления одного уровня расположены относительно углублений соседнего уровня на противоположных сторонах цилиндрической поверхности со смещением вдоль оси секции на расстояние, равное высоте уплотнительного кольца.

Плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре упруго поджатыми в осевом направлении уплотнительными кольцами, проходных полых секций, связанных со штоком плунжера и друг с другом посредством внутреннего кольцевого выступа в отверстии на торце штока плунжера или другой секции, взаимодействующего с вставленным в это отверстие с зазором верхним внешним кольцевым выступом другой, присоединяемой к ней секции, причем на верхнем внешнем кольцевом выступе секции, вставляемом в отверстие с внутренним кольцевым выступом в торце штока плунжера или секции, выполнена кольцевая проточка, в которой установлена упругая манжета, обеспечивающая герметизацию проточного канала плунжера и центрирование оси секции относительно оси штока плунжера или другой секции, а при сборке плунжера секции соединяются друг с другом так, чтобы угол между продольными секущими плоскостями, вдоль которых размещены углубления на их цилиндрических поверхностях, был равен углу 180/n градусов, где n - количество секций.

Торцевые поверхности уплотнительных колец и взаимодействующие с ними торцевые поверхности плунжера, обеспечивающие их поджим в осевом направлении, плоско отшлифованы и покрыты антифрикционным покрытием.

В качестве примера конкретного исполнения на фиг.1 и 2 изображен скважинный штанговый насос вставного типа с замком внизу. На фиг.1 показан общий вид насоса, а на фиг.2 - увеличенный вид плунжера насоса в разрезе.

Насос состоит из нижнего замка 1, вставленного в узел замковой опоры 2 на конце колонны насосно-компрессорных труб 3. Над нижним замком 1 установлены всасывающий 4 и дополнительный нагнетательный 5 клапаны, прикрепленные к нижней части цилиндра 6 насоса. К верхней части цилиндра 6 прикреплена направляющая 9 штока плунжера 7 с проточными окнами 8. Шток плунжера 7 сверху присоединен к колонне штанг 10, а снизу посредством переходной муфты 11- к верхней секции плунжера насоса. Колонна штанг 10 своим верхним концом присоединяется к наземному приводу (на фигурах не показан). Секции плунжера насоса (их может быть 1шт. и несколько) соединяются со штоком плунжера 7 и между собой с возможностью смещения и отклонения своих осей посредством верхнего внешнего кольцевого выступа 14 секции и взаимодействующим с ним, внутренним кольцевым выступом 22, выполненным в отверстии на торце переходной муфты 11 штока плунжера 7 или другой секции, к которым данная секция присоединяется. На кольцевом выступе 14 секции выполнена кольцевая проточка 13, в которой установлена упругая манжета 12, обеспечивающая центрирование осей присоединяемых деталей, а также герметизацию их проточных каналов 21. Уплотнительные кольца 19 размещены на цилиндрической поверхности секции и упруго поджаты при сборке в осевом направлении кольцом-амортизатором 15 через прижимное кольцо 16 друг к другу и к нижнему внешнему выступу 20 секции. На цилиндрической поверхности секций на уровне каждого уплотнительного кольца 19 выполнены углубления 17, в которых зафиксированы пружинящие элементы 18, отжимающие соответствующее им уплотнительное кольцо 19 в какую-то одну сторону к стенке цилиндра 6, причем углубление 17 одного уровня расположены относительно соответствующего углубления 17 соседнего уровня на одной продольной секущей плоскости на противоположных сторонах цилиндрической поверхности со смещением вдоль оси секции на расстояние, равное высоте уплотнительного кольца 19. Проходной канал 21 нижней секции плунжера оборудован нагнетательным клапаном 23. Торцевые поверхности уплотнительных колец 19 и взаимодействующие с ними торцевые поверхности прижимного кольца 16 и нижнего кольцевого выступа 20 секции, обеспечивающие поджим уплотнительных колец 19 в осевом направлении, плоско отшлифованы и покрыты антифрикционным покрытием.

При работе в скважине насос погружен под уровень жидкости. Наземный привод сообщает колонне штанг 10, штоку плунжера 7 и присоединенным к нему секциям плунжера возвратно-поступательные движения в цилиндре 6 вверх-вниз. При ходе вверх всасывающий клапан 4 открыт, а дополнительный нагнетательный клапан 5 и нагнетательный клапан 23 закрыты. Газожидкостная смесь из скважины поступает в освобождаемое плунжером пространство цилиндра 6. При этом газожидкостная смесь, находящаяся над плунжером, вытесняется из цилиндра через проточные окна 8 направляющей 9 штока плунжера 7 вверх в колонну насосно-компрессорных труб 3 и далее поднимается вверх. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан 4 закрыт, а дополнительный нагнетательный клапан 5 и нагнетательный клапан 23 открыты. Часть газожидкостной смеси, находящейся в цилиндре под плунжером, вытесняется через дополнительный нагнетательный клапан 5 в кольцевое пространство между цилиндром 6 насоса и насосно-компрессорными трубами 3, а другая ее часть вытесняется через нагнетательный клапан 23 - в пространство над плунжером цилиндра 6 насоса и далее поднимается по насосно-компрессорным трубам 3 вверх. При этом через нагнетательный клапан 23 и проточный канал 21 плунжера будет преимущественно проходить газ, всплывающий вверх при всасывающем ходе плунжера, а через дополнительный нагнетательный клапан 5 будет преимущественно проходить жидкость, оседающая вниз.

Предложенная конструкция скважинного штангового насоса обладает следующими достоинствами:
Увеличиваются герметичность насоса, надежность и экономичность его работы благодаря использованию усовершенствованной конструкции уплотнения плунжера в цилиндре. По сравнению с прототипом, описанным в патенте RU 2162966 С1, 23.10.1999, предложенная конструкция уплотнения позволяет конструктивно увеличить площадь проходного сечения плунжера, повысить термостойкость конструкции, обеспечить более равномерное распределение осевых нагрузок на уплотнительные кольца и их подвижность в радиальном направлении. Конструкция позволяет также обеспечивать минимально необходимую расчетную силу прижатия уплотнительных колец к стенке цилиндра путем подбора конструкции и упругих свойств пружинящих элементов, при которых силы трения, нагрев уплотнительных колец и износ трущихся поверхностей будут минимизированы.

Условие, по которому уплотнительные кольца выполняются с внутренним диаметром, определяемым по формуле
Двк=Дц-Днк+Дс+2•h,
позволяет подбирать уплотнительные кольца под конкретные условия эксплуатации насосов. До достижения взаимно трущимися поверхностями цилиндра и плунжера суммарной толщины слоев износа величины h уплотнительное кольцо своей внешней поверхностью будет упруго прижиматься к стенке цилиндра, не позволяя зазору и утечкам увеличиваться, а при достижении величины h прижмется своей внутренней поверхностью к цилиндрической поверхности секции и станет неподвижным. При дальнейшей эксплуатации насоса утечки жидкости будут возрастать. Создание необоснованного запаса упругого хода уплотнительного кольца увеличивает начальную площадь зазора между внутренней поверхностью уплотнительного кольца и цилиндрической поверхностью секции. Хотя пространство указанного зазора при нормальной работе уплотнения закрыто взаимодействующими торцевыми поверхностями уплотнительных колец 19, прижимного кольца 16 и нижнего кольцевого выступа 20 секции, при увеличении данного зазора увеличивается вероятность возникновения дополнительных утечек, вызванных, например, снижением герметичности торцевых поверхностей. При небольших величинах h указанные дополнительные утечки будут незначительны. Таким образом, выбирая уплотнительное кольцо с внутренним диаметром, рассчитанным исходя из минимально необходимой величины h, мы снижаем вероятность возникновения увеличенных утечек.

Вероятность возникновения дополнительных утечек еще более минимизируется, если торцевые поверхности уплотнительных колец и взаимодействующие с ними торцевые поверхности секции, обеспечивающие их поджим в осевом направлении, будут плоско отшлифованы и покрыты антифрикционным покрытием.

Используемые в конструкции упругие манжеты 12, установленные в кольцевой проточке 13 на верхнем внешнем кольцевом выступе 14 секции, обеспечивают герметизацию проходного канала 21 и центрирование осей соединяемых секций. Упругое центрирование осей секций не ограничивает смещения осей секций в пределах зазоров между соединяемыми деталями при прохождении участков искривления оси цилиндра, но способствует снижению контактного напряжения между трущимися поверхностями цилиндра и плунжера после прохождения этих участков. Условия работы манжет 14 не снижает качества выполнения ими предназначенных им функций под воздействием давления столба жидкости и перепада давления на плунжере.

Выполнение условия сборки плунжера насоса, при котором секции плунжера соединяются друг с другом с поворотом своих секущих плоскостей, в которых размещены углубления на цилиндрической поверхности, на угол 180/n градусов, где n - количество секций, позволяет избежать неравномерного изнашивания поверхности стенки цилиндра и еще более продлить срок его службы.

Гидродинамические расчеты показывают, что насос предлагаемой конструкции, содержащий несколько секций плунжера с общей длиной, равной длине плунжера стандартных насосов, будет иметь герметичность плунжера, примерно в 5 и более раз превышающую герметичность плунжера стандартного насоса, имеющего гладкое щелевое уплотнение. Кроме того, герметичность предлагаемого насоса длительно остается стабильной даже при постепенном износе трущихся поверхностей.

Использование в насосе дополнительного нагнетательного клапана, установленного в нижней части цилиндра, расширяет диапазон эффективного применения предлагаемого насоса при откачке вязких жидкостей, а также жидкостей с высоким газосодержанием. Следствием является снижение энергозатрат и повышение межремонтного периода работы скважины.

Насос предназначен для использования при откачке нефти и других жидкостей из скважин. Содержит шток плунжера, цилиндр, в котором установлены всасывающий и нагнетательный клапаны, а также направляющая штока плунжера с проточными окнами. Плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре упруго поджатыми в осевом направлении уплотнительными кольцами секций, связанных со штоком плунжера и друг с другом с возможностью свободного смещения и отклонения оси секции от оси штока плунжера и оси другой секции посредством внутреннего кольцевого выступа в отверстии на торце штока плунжера или другой секции, взаимодействующего с вставленным в это отверстие с зазором верхним внешним кольцевым выступом другой присоединяемой к ней секции. Уплотнительные кольца выполнены с внутренним диаметром, определяемым по формуле
Д_вк=Д_ц-Д_нк+Д_с+2•h,
где Д_ц - внутренний диаметр цилиндра насоса; Д_нк - наружный диаметр уплотнительного кольца; Д_с - диаметр цилиндрической поверхности секции; h - суммарная толщина слоев планируемого допустимого износа взаимно трущихся поверхностей уплотнительного кольца и цилиндра. На цилиндрической поверхности секции, на уровне каждого уплотнительного кольца, выполнены углубления, в которых зафиксированы пружинящие элементы, отжимающие соответствующее этому уровню уплотнительное кольцо в какую-то одну сторону к стенке цилиндра. Углубления одного уровня расположены относительно углублений соседнего уровня на противоположных сторонах цилиндрической поверхности со смещением вдоль оси секции на расстояние, равное высоте уплотнительного кольца. На верхнем внешнем кольцевом выступе секции, вставляемом в отверстие с внутренним кольцевым выступом в торце штока плунжера или секции, выполнена кольцевая проточка, в которой установлена упругая манжета, обеспечивающая герметизацию проточного канала секции и центрирование ее оси относительно оси штока плунжера или другой секции. Торцевые поверхности уплотнительных колец и взаимодействующие с ними торцевые поверхности секции, обеспечивающие их поджим в осевом направлении, плоско отшлифованы и покрыты антифрикционным покрытием. При сборке плунжера насоса секции плунжера соединяются друг с другом с поворотом своих секущих плоскостей, в которых размещены углубления на цилиндрической поверхности, на угол 180/n градусов, где n - количество секций. Повышается надежность, снижаются эксплуатационные затраты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скважинный штанговый насос, содержащий шток плунжера, цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, проходной полый плунжер, уплотненный в цилиндре упругоподжатыми в осевом направлении уплотнительными кольцами, снабженный нагнетательным клапаном и соединенный с штоком плунжера, отличающийся тем, что уплотнительные кольца выполнены с внутренним диаметром, определяемым по формуле
Д_вк=Д_ц-Д_нк+Д_с+2•h,
где Д_ц - внутренний диаметр цилиндра насоса;
Д_нк - наружный диаметр уплотнительного кольца;
Д_с - диаметр цилиндрической поверхности секции;
h - суммарная толщина слоев планируемого допустимого износа взаимно трущихся поверхностей уплотнительного кольца и цилиндра,
а на цилиндрической поверхности плунжера на уровне каждого уплотнительного кольца выполнены углубления, в которых зафиксированы пружинящие элементы, отжимающие соответствующее этому уровню уплотнительное кольцо в какую-то одну сторону к стенке цилиндра, причем углубления одного уровня расположены относительно углублений соседнего уровня на противоположных сторонах цилиндрической поверхности со смещением вдоль оси секции на расстояние, равное высоте уплотнительного кольца. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что плунжер выполнен в виде последовательно расположенных и уплотненных в цилиндре упругоподжатыми в осевом направлении уплотнительными кольцами, проходных полых секций, связанных со штоком плунжера и друг с другом посредством внутреннего кольцевого выступа в отверстии на торце штока плунжера или другой секции, взаимодействующего с вставленным в это отверстие с зазором верхним внешним кольцевым выступом другой, присоединяемой к ней секции, причем на верхнем внешнем кольцевом выступе секции, вставляемом в отверстие с внутренним кольцевым выступом в торце штока плунжера или секции, выполнена кольцевая проточка, в которой установлена упругая манжета, обеспечивающая герметизацию проходного канала плунжера и центрирование оси секции относительно оси штока плунжера или другой секции, а при сборке плунжера секции соединяются друг с другом так, чтобы угол между продольными секущими плоскостями, вдоль которых размещены углубления на их цилиндрических поверхностях, был равен углу 180/n градусов, где n - количество секций. 3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что торцевые поверхности уплотнительных колец и взаимодействующие с ними торцевые поверхности плунжера, обеспечивающие их поджим в осевом направлении, плоско отшлифованы и покрыты антифрикционным покрытием.