ШТАНГОВЫЙ НАСОС С УПРАВЛЯЕМЫМИ КЛАПАНАМИ ДЛЯ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ Российский патент 2003 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано дня добычи высоковязкой нефти.

Известны глубинные штанговые насосы, всасывающий и нагнетательные клапаны которых закрываются под действием силы тяжести запорных элементов, например шариков (см. с. 239-240, Муравьев В.М. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. М., "Недра", 1978, с.448).

При добыче вязкой нефти такими насосами шарики клапанов вследствие высокой вязкости нефти не могут своевременно садиться на седла под действием силы тяжести при изменении направления движения плунжера, что приводит к возрастанию утечек в клапанах и снижает коэффициент подачи насоса.

Кроме того, при добыче высоковязких нефтей для снижения вязкости нефти часто производится закачка в пласт теплоносителя, например пара, что приводит к попаданию значительных количеств его в насос, образованию пробок пара или газа в цилиндре и может блокировать работу насоса, что снижает надежность его работы.

Известен глубинный штанговый насос (патент RU 2172866, F 04 В 47/00, опубл. бюл. 24 за 27.08.2001 г.), содержащий цилиндр, плунжер с нагнетательным шток-клапаном и штангой. В нижней части цилиндра размещен всасывающий клапан, прикрепленный посредством пружин к опоре и расположенный на седле. В верхней части цилиндра размещен дополнительный нагнетательный клапан на седле с уплотнительным кольцом. Штанга снабжена толкателем, взаимодействующим с плунжером посредством выемки.

Недостатком насоса является то, что тарелка всасывающего клапана, расположенного в цилиндре насоса, перекрывает значительную часть площади сечения цилиндра, и высоковязкая жидкость поступает в насос через кольцевое пространство, образованное тарелкой и цилиндром. Это создает сопротивление при заполнении цилиндра насоса вязкой нефтью при ходе плунжера вверх, что снижает коэффициент наполнения насоса. Кроме того, всасывающий и дополнительный нагнетательный клапаны закрываются под действием силы тяжести запорных элементов (кольца и тарелки), что при добыче высоковязкой нефти происходит с запаздыванием и снижает коэффициент подачи насоса. В большей степени это проявляется при эксплуатации наклонно-направленных скважин, поскольку чем больше угол наклона насоса, тем сложнее обеспечить закрытие клапанов действием силы тяжести запорных элементов, что сужает область применения насоса.

Задачей изобретения является увеличение эффективности работы устройства за счет уменьшения сопротивления потоку жидкости во всасывающем клапане и увеличения коэффициента наполнения насоса при добыче высоковязкой нефти и расширение области применения насоса в наклонно направленных скважинах за счет принудительного управления (открытия - закрытия) и нагнетательным и всасывающим клапанами.

Поставленная задача решается штанговым насосом с управляемыми клапанами для добычи высоковязкой нефти, содержащим цилиндр, всасывающий клапан, плунжер и нагнетательный шток-клапан с толкателем.

Новым является то, что цилиндр поджат сверху пружиной, снабжен центрирующим устройством и выполнен с возможностью осевого перемещения внутри кожуха, который жестко соединен с колонной труб, при этом всасывающий клапан состоит из седла цилиндра и запорного элемента с проходными каналами кожуха, причем между цилиндром и кожухом установлен герметизирующий узел.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом устройстве, то есть о соответствии заявляемого решения критерию "технический уровень" и "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен штанговый насос при ходе плунжера вверх, на фиг.2 изображен штанговый насос при ходе плунжера вниз.

Штанговый насос (см. фиг.1) состоит из цилиндра 1, всасывающего клапана 2, плунжера 3 и нагнетательного шток-клапана 4 с толкателем 5. Цилиндр 1 размещен в кожухе 6, который жестко соединен с колонной труб 7. Цилиндр 1 поджат сверху пружиной 8 и имеет центрирующее устройство 9. Всасывающий клапан 2 состоит из седла 10 цилиндра 1 и запорного элемента 11 с проходными каналами 12 кожуха 6. Цилиндр 1 размещен в кожухе 6 с возможностью осевого перемещения. Нагнетательный шток-клапан 4 соединен с колонной штанг 13. Между цилиндром 1 и кожухом 6 установлен герметизирующий узел 14.

Штанговый насос работает следующим образом.

Штанговый насос помещают на заданную глубину в скважину ( не показана) и сообщают возвратно-поступательные движения колонне штанг 13.

При ходе колонны штанг 13 (см. фиг.1) вверх начинается перемещение соединенного с колонной штанг шток-клапана 4 относительно плунжера 3. После закрытия нагнетательного шток-клапана 4 начинается перемещение вверх плунжера 3. При ходе плунжера 3 вверх под действием значительных сил гидродинамического трения, возникающих в плунжерной паре при откачке высоковязкой нефти /Габриэлов Л. В. Новые технические средства для добычи высоковязкой нефти. Обзорная информация. Серия "Машины и нефтяное оборудования". М., ВНИИОЭНГ, 1985, Выпуск 1 (49), с.6/, цилиндр 1 с седлом 10 также поднимается вверх. Происходит открытие всасывающего клапана 2, поскольку запорный элемент 11 установлен на кожухе 6, который жестко соединен с колонной труб 7. Подъем цилиндра 1 осуществляется на высоту, обеспечивающую максимальное проходное сечение канала всасывающего клапана 2 и ограничивается длиной кожуха 6. При этом пружина 8, установленная в верхней части цилиндра 1, сжимается. Все время перемещения плунжера 3 вверх цилиндр 1 остается (за счет действия значительных гидродинамических сил трения в плунжерной паре) в приподнятом положении, пружина 8 сжатой, а всасывающий клапан 2 открытым. При ходе плунжера 3 вверх происходит нагнетание жидкости из цилиндра 1 в полость колонны труб 7 и заполнение цилиндра 1 через открытый всасывающий клапан 2 скважинной жидкостью, поступающей в цилиндр 1 через проходные каналы 12 запорного элемента 11. При этом герметизирующий узел 14 исключает несанкционированные перетоки нефти при осевом перемещении цилиндра 1 относительно кожуха 6.

Затем начинается ход колонны штанг 12 вниз (см. фиг.2). При этом плунжер 3 с цилиндром 1, висящие на колонне штанг 13, начинают перемещаться относительно кожуха 6 вниз. Перемещение цилиндра 1 вниз относительно кожуха 6 обеспечивается действием силы тяжести цилиндра 1 и силы сжатой пружины 8. Действия этих сил достаточно для преодоления сил трения в центрирующем устройстве 9, герметизирующем узле 14 и для предотвращения открытия нагнетательного шток-клапана 4 до того момента, пока седло 10 цилиндра 1 не войдет во взаимодействие с запорным элементом 11 кожуха 6, то есть до закрытия всасывающего клапана 2. Центрирующее устройство 9 исключает радиальные перемещения цилиндра 1 относительно кожуха 6, вследствие чего исключается возможность некачественного закрытия всасывающего клапана 2. После этого начинается перемещение шток-клапана 4 относительно плунжера 3 и его открытие. Затем толкатель 5 начинает перемещать плунжер 3 с открытым нагнетательным шток-клапаном 4 относительно цилиндра 1. Возникающие при этом силы гидродинамического трения в плунжерной паре увеличивают усилие поджатая седла 10 к запорному элементу 11, что повышает надежность работы всасывающего клапана 2.

Далее циклы повторяются.

Расположение всасывающего клапана в кожухе позволяет выполнить его с проходным каналом, площадь сечения которого не меньше площади сечения цилиндра насоса, что способствует увеличению коэффициента наполнения насоса, а принудительное управление всасывающим клапаном позволяет применять штанговый насос для откачки из скважины жидкости с вязкостью, при которой клапаны других конструкций, в которых запорные элементы клапанов перемещаются под действием силы тяжести, неработоспособны, что повышает надежность работы штангового насоса и расширяет область применения за счет возможности использования его в наклонно направленных скважинах.

Устройство предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для добычи высоковязкой нефти. В штанговом насосе с управляемыми клапанами для добычи высоковязкой нефти, содержащем цилиндр, всасывающий клапан, плунжер и нагнетательный шток-клапан с толкателем, цилиндр размещен с возможностью осевого перемещения внутри кожуха. Кожух жестко соединен с колонной труб. Цилиндр поджат сверху пружиной и снабжен центрирующим устройством. Всасывающий клапан состоит из седла цилиндра и запорного элемента с проходными каналами кожуха. Между цилиндром и кожухом установлен герметизирующий узел. Повышается эффективность работы устройства за счет уменьшения сопротивления потоку жидкости во всасывающем клапане и увеличения коэффициента наполнения штангового насоса при добыче высоковязкой нефти и расширяет область его применения в наклонно направленных скважинах за счет принудительного управления и нагнетательным и всасывающим клапанами. 2 ил.

Штанговый насос с управляемыми клапанами для добычи высоковязкой нефти, содержащий цилиндр, всасывающий клапан, плунжер, нагнетательный шток-клапан с толкателем, отличающийся тем, что цилиндр, поджатый пружиной сверху, снабжен центрирующим устройством и выполнен с возможностью осевого перемещения внутри кожуха, который жестко соединен с колонной труб, при этом всасывающий клапан состоит из седла цилиндра и запорного элемента с проходными каналами кожуха, причем между цилиндром и кожухом установлен герметизирующий узел.