ПЛУНЖЕР ГЛУБИННОГО НАСОСА Российский патент 2003 года по МПК F04B53/14 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям плунжерных глубинных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин.

Известно, что к длинномерным цилиндрическим изделиям, работающим в осложненных условиях, предъявляются высокие требования по эксплуатационной надежности. Так, например, глубинные плунжерные насосы, используемые при нефтедобыче, подвергаются ряду неблагоприятных воздействий, а именно: работают в агрессивной среде, в пульсирующем режиме, подвержены оседанию между стенками цилиндра и плунжера асфальтеносмолопарафинистых отложений т.п. В результате снижается эксплуатационная надежность насоса. Так как основными деталями насоса являются цилиндр и плунжер, то усовершенствованию этих деталей и приданию им надежности при работе в осложненных условиях придается большое значение.

В настоящее время для работы в особо агрессивных условиях, а также для добычи нефти из глубоких скважин с большим дебитом нашли применение плунжерные насосы, цилиндры у которых выполнены тонкостенными, упрочненными, с антикоррозионным покрытием, а металлические плунжеры выполнены с гладкой или желобковой поверхностью (1). Металлические плунжеры в таких насосах выполняют уплотняющую функцию без дополнительных уплотняющих элементов за счет выбора минимальных зазоров между плунжером и цилиндром, величина зазора выбирается в зависимости от свойств откачиваемой среды.

Определяющим в выборе конструкции цилиндра и плунжера являются условия эксплуатации глубинного насоса. Использование металлического плунжера с гладкой поверхностью ограничено тем, что при большой длине цилиндра (порядка 4000 мм и более) практически невозможно обеспечить прямолинейность рабочих поверхностей цилиндра. А поскольку и плунжер имеет большую длину - порядка 1200 -1500 мм, и может иметь непрямолинейность своих рабочих поверхностей, то в процессе работы пары плунжер-цилиндр неизбежно будет происходить износ рабочих поверхностей в местах соприкосновения плунжера и цилиндра. Как следствие - заклинивание плунжера и выход из строя насоса.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является плунжер глубинного насоса с желобковой наружной поверхностью (2). На гладкой наружной поверхности металлической полой трубы выполнены кольцевые желобки, делящие трубу на ряд последовательных рабочих цилиндрических участков с рабочими боковыми поверхностями.

Данная конструкция позволяет снизить вероятность искривления плунжера большой длины, к тому же наличие желобков за счет скопления в них жидкости улучшает смазку плунжера в процессе работы, а при работе насоса в скважине с абразивосодержащими жидкостями песок скапливается в желобках плунжера.

Однако и эта конструкция плунжера не исключает заклинивание плунжера в длинномерном цилиндре насоса, причем соприкосновение рабочей поверхности цилиндра происходит с торцовыми кромками рабочих участков плунжера. И поскольку как цилиндр, так и плунжер выполнены из металла высокой твердости (порядка 800-900 HV), то износ этих поверхностей будет происходить с большой интенсивностью, интенсивность будет увеличиваться с увеличением кривизны цилиндра и плунжера, а также при наличии абразивосодержащих элементов в жидкости. А так как характер износа рабочих поверхностей цилиндра и плунжера неравномерный, то восстановлению они уже не подлежат.

К тому же неравномерный износ трущихся поверхностей может привести к увеличению рабочего зазора между плунжером и цилиндром, как следствие - насос не может работать в скважинах с жидкостью малой вязкости, так как такая жидкость будет перетекать через плунжер.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение эффективной работы плунжера глубинного насоса, установленного в длинномерном тонкостенном цилиндре, при работе насоса в скважине с абразивосодержащими жидкостями и/или жидкостями малой вязкости, а также в условиях искривления скважины за счет обеспечения плунжером профиля цилиндра при соблюдении минимального рабочего зазора между длинномерным цилиндром и длинномерным плунжером с одновременным исключением износа рабочих поверхностей цилиндра и обеспечения ремонтопригодности плунжера.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что в известном плунжере глубинного насоса, состоящем из металлической трубы, на внешней поверхности которой выполнены кольцевые желобки, делящие трубу на ряд последовательных рабочих цилиндрических участков с рабочими боковыми поверхностями, новым является то, что по каждому торцу рабочих цилиндрических участков выполнены кольцевые канавки, в которые жестко установлены сплошные кольцевые вставки из металла, твердость которого меньше твердости поверхностного покрытия рабочих поверхностей цилиндра насоса, причем внешний диаметр указанных вставок выполнен равным или превышающим внешний диаметр цилиндрического участка плунжера, но не более значения, соответствующего величине зазора группы посадки плунжера в цилиндре насоса.

Кольцевые вставки по торцам рабочих цилиндрических участков выполнены из цветного металла, например латуни, бронзы.

Благодаря тому, что в предложенном техническом решении плунжер выполнен в виде металлической трубы с желобками на наружной поверхности, которые делят длинную трубу на ряд последовательных цилиндрических участков, боковые поверхности которых являются рабочими, при этом диаметр цилиндрического рабочего участка плунжера выполнен таким, что его рабочие поверхности выполняют уплотняющую функцию, а закрепленные по торцам каждого рабочего участка сплошные металлические вставки из мягкого металла выполняют защитную, предохраняющую от износа поверхность цилиндра функцию, обеспечивается надежная работа плунжерного насоса, имеющего длинномерный тонкостенный цилиндр в сочетании с длинномерным плунжером, в условиях скважины с любой средой, с любым содержанием абразивных мехпримесей, с любыми возможными по причине искривления скважины искривлениями цилиндра любой длины. Желобки на трубе снимают жесткость, поэтому плунжер может повторить профиль цилиндра при его искривлении без заклинивания. Цилиндрические рабочие участки плунжера и наличие желобков в конце каждого участка обеспечивают прохождение песка по этой поверхности с последующим попаданием его в желобок, что обеспечивает надежную работу насоса с жидкостью с высоким содержанием абразивных примесей. Даже в случае повреждения какого-либо рабочего участка песком (увеличение зазора) песок будет скапливаться в желобках, и остальные рабочие участки плунжера будут работать эффективно.

Выполнение металлической трубы нежесткой позволило установить на плунжере наиболее вероятностные места соприкосновения рабочих поверхностей плунжера с цилиндром и выявить, что ими являются торцы на каждом цилиндрическом участке плунжера. С целью защиты цилиндра от истирания наиболее вероятностные опасные участки на плунжере предложено выполнить в виде сплошных кольцевых вставок из металла меньшей твердости, чем твердость защитного покрытия цилиндра, и тем самым исключить износ цилиндра, а в с случае истирания вставки больше нормы заменить только вставку на плунжере.

Выполнение диаметра предохраняющей цилиндр от истирания вставки на плунжере равным или превышающим диаметр рабочего участка плунжера не приводит к застреванию песка в этой зоне, так как песок концентрируется в желобках. А установление оптимального зазора в паре плунжер-цилиндр (при диаметре вставки, превышающем диаметр рабочего участка плунжера) позволяет эффективно откачивать из скважины жидкость малой вязкости без перелива ее через плунжер.

При этом выполнение кольцевых вставок из цветного металла повышает коррозионную стойкость плунжера, повышая тем самым надежность работы насоса в агрессивных средах.

На чертеже изображена предлагаемая конструкция плунжера глубинного насоса. Плунжер выполнен в виде полой металлической трубы 1, на наружной поверхности которой выполнены кольцевые желобки 2, делящие трубу на ряд последовательных рабочих цилиндрических участков 3 с рабочими боковыми поверхностями 4. По каждому торцу рабочих цилиндрических участков 4 выполнены кольцевые канавки 5, в которые жестко, например, ковкой, установлены сплошные кольцевые вставки 6 из металла, твердость которого меньше твердости поверхностного покрытия рабочих поверхностей цилиндра насоса, например, из цветного металла: латуни или бронзы. При этом внешний диаметр указанных вставок 6 выполнен равным или превышающим внешний диаметр цилиндрического участка 3 плунжера, но не более значения, соответствующего величине зазора группы посадки плунжера в цилиндре насоса. Так, например, при 1-й группе посадки превышение внешнего диаметра кольцевой вставки 6 может составить 0,02 мм на сторону. Ширина кольцевой вставки 6 определяется величиной возможного искривления длинномерного цилиндра насоса и составляет порядка 3-5 мм.

При ходе плунжера в цилиндре насоса в случае искривления цилиндра происходит деформирование кольцевых вставок 6. Поскольку рабочие поверхности цилиндра выполнены из металла более высокой твердости, чем металл кольцевых вставок 6, то износа цилиндра не будет.

Насосы с плунжерами предлагаемой конструкции эффективно работают в скважинах с абразивосодержащими жидкостями и/или жидкостями малой вязкости. Применение такого плунжера глубинного насоса значительно увеличивает срок службы цилиндра насоса - не менее чем в 2 раза, увеличивает безремонтный период насоса также не менее чем в 2 раза. Плунжер предлагаемой конструкции можно легко ремонтировать в условиях мастерских любого НГДУ путем замены кольцевых вставок. Плунжеры предлагаемой конструкции можно применять и со стандартными цилиндрами, что делает конструкцию насоса более универсальной.

Литература
1. Ришмюллер Г. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Шеллер-Блекманн ГМБХ, Австрия, 1988, с. 31., рис. 19.

2. Ришмюллер Г. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Шеллер-Блекманн ГМБХ, Австрия, 1988, с. 32-33., рис. 19.

или:
1. Справочная книга по добыче нефти" под редакцией Ш.К. Гиматудинова, Москва, "Недра", 1974, с. 318, рис. VIII.30. а.

2. Справочная книга по добыче нефти" под редакцией Ш.К. Гиматудинова, Москва, "Недра", 1974, с. 318, рис. VIII.30. б, г.

Изобретение предназначено для использования в нефтяной промышленности при добыче нефти из нефтяных скважин глубинными штанговыми насосами. Плунжер состоит из металлической трубы. На внешней поверхности трубы выполнены кольцевые желобки, делящие трубу на ряд последовательных рабочих цилиндрических участков с рабочими боковыми поверхностями. По каждому торцу рабочих цилиндрических участков выполнены кольцевые канавки. В них жестко установлены сплошные кольцевые вставки из металла, твердость которого меньше твердости поверхностного покрытия рабочих поверхностей цилиндра насоса. Внешний диаметр указанных вставок выполнен равным или превышающим внешний диаметр цилиндрического участка плунжера, но не более значения, соответствующего величине зазора группы посадки плунжера в цилиндре насоса. Кольцевые вставки выполнены из цветного металла, например латуни, бронзы. Позволяет повысить надежность конструкции за счет исключения износа рабочих поверхностей цилиндра и обеспечения ремонтопригодности плунжера. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плунжер глубинного насоса, состоящий из металлической трубы, на внешней поверхности которой выполнены кольцевые желобки, делящие трубу на ряд последовательных рабочих цилиндрических участков с рабочими боковыми поверхностями, отличающийся тем, что по каждому торцу рабочих цилиндрических участков выполнены кольцевые канавки, в которые жестко установлены сплошные кольцевые вставки из металла, твердость которого меньше твердости поверхностного покрытия рабочих поверхностей цилиндра насоса, причем внешний диаметр указанных вставок выполнен равным или превышающим внешний диаметр цилиндрического участка плунжера, но не более значения, соответствующего величине зазора группы посадки плунжера в цилиндре насоса. 2. Плунжер по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые вставки выполнены из цветного металла, например латуни, бронзы.