КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ ШТАНГОВОГО НАСОСА Российский патент 2004 года по МПК F04B47/00 F04B53/10 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в установках глубинных штанговых насосов.

Известна конструкция штангового насоса [1, с. 82-84], взятая авторами в качестве прототипа, в которой применен один всасывающий и один нагнетательный клапан.

Однако при работе штанговых насосов и различных габаритах всасывающего и нагнетательного клапанов (шар, седло) ресурсы работы последних отличаются друг от друга, то есть всасывающий клапан изнашивается, как показывает практика, в два раза быстрее, чем нагнетательный, что в целом снижает ресурс работы всего штангового насоса.

Известна конструкция штангового насоса [1, с. 77-81], в которой применены сдвоенные всасывающие и нагнетательные клапаны, с целью увеличения ресурса работы насоса.

Однако механизм работы всасывающих клапанов в режиме открытия-закрытия не способствует увеличению ресурса работы, поскольку при нагнетании жидкости и посадке, примем условно, верхнего и нижнего клапанов на седла, имеет место неравномерный режим работы. А именно, между нижним и верхним клапанами существует разделение гидростатического перепада давлений со снижением удельных нагрузок на контакте шар-седло и с сохранением эрозионного износа клапанных пар при протекании пластовой жидкости через щель между шарами и седлами. Тем самым в работе участвуют два клапана, что незначительно увеличивает ресурс их работы [2, с. 14], [3, с. 137-139].

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- повышение надежности работы клапанного узла штангового насоса и увеличение его рабочего ресурса;

- нахождение нижнего клапана под равным внешним и внутренним давлением исключает его эрозионный износ как в режиме всасывания, так и в режиме нагнетания, а также снижает ударные нагрузки при посадке шара на седло.

Технический результат достигается при помощи известного устройства, содержащего полый корпус, который связывает между собой клетки верхнего и нижнего шаровых клапанов, оснащенных седлами и шарами. Внутри корпуса выполнена цилиндрическая расточка, в которой помещен кольцевой поршень с полым штоком, установленным с возможностью образования кольцевой камеры. С кольцевым поршнем телескопически соединена подпружиненная втулка, снабженная тарированным срезным элементом, выполненным в виде головки, соединенной с втулкой пластинами. Втулка с головкой подпружинены относительно корпуса. Кольцевая камера, образованная между полым корпусом и полым штоком, гидравлически связана дросселирующим каналом в полом штоке с его осевым каналом и дросселирующим каналом в теле корпуса с его наружной поверхностью. Камера, образованная втулкой и корпусом над кольцевым поршнем, постоянно гидравлически связана с внутренней полостью устройства радиальными каналами. Кольцевые зазоры между полым корпусом и кольцевым поршнем, а также между полым штоком и полым корпусом, перекрыты уплотнительными кольцами.

Конструкция клапанного узла штангового насоса поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 - общий вид устройства в разрезе, в положении посадки шаров на седла;

на фиг.2 - общий вид устройства при подаче (всасывании) пластовой жидкости;

на фиг.3 - промежуточное положение при кратковременном увеличении утечки;

на фиг.4 - взаимное положение деталей устройства при переключении на режим работы нижним клапаном.

Заявляемое устройство состоит из полого корпуса 1, установленного между клеткой 2 верхнего клапана, включающего седло 3 и шар 4, и клеткой 5 нижнего клапана с седлом 6 и шаром 7. Внутри полого корпуса 1 установлен кольцевой поршень 8 с полым штоком 9, образующим с ним кольцевую камеру 10, которая гидравлически связана дросселирующим каналом 11 с осевым каналом 12 полого штока 9, и дросселирующим каналом 13 в полом корпусе 1 с его внешней поверхностью. В кольцевом поршне 8 телескопически установлена подпружиненная относительно полого корпуса 1 втулка 14 с головкой 15, связанные между собой тарированным срезным элементом 16. Между втулкой 14 и полым корпусом 1 образована камера 17, гидравлически связанная радиальными отверстиями 18 с внутренней полостью устройства. Кольцевые зазоры между полым корпусом 1 кольцевым поршнем 8 и полым штоком 9 перекрыты уплотнительными кольцами 19 и 20.

Работа клапанного узла.

Клапанный узел в сборе, как показано на фиг. 1, устанавливается на нижнем конце корпуса штангового насоса и опускается в скважину на заданную глубину. При движении плунжера насоса (на чертеже не показан) вверх происходит отрыв шаров 4 и 7 от седел 3 и 6 с образованием кольцевых зазоров, через которые происходит всасывание (подача) пластовой жидкости внутрь цилиндра насоса (фиг. 2). При этом втулка 14 и кольцевой поршень 8 с полым штоком 9 удерживается пружиной в крайнем верхнем положении относительно полого корпуса 1.

При ходе плунжера вниз происходит посадка шара 4 на седло 3 и шара 7 на седло 6. Однако гидростатическое давление воспринимает только верхний клапан, поскольку внутренняя полость (осевой канал) 12 полого штока 9 гидравлически связана с полостью скважины дросселирующими каналами 11 и 13. Шар 7 опускается на седло 6 нижнего клапана под собственным весом. Избыточное давление над шаром 7 нижнего клапана стравливается за пределы устройства.

При износе шара 4 и седла 3 верхнего клапана происходит увеличение утечки откачиваемой пластовой жидкости от расчетной, на которую насчитаны дросселирующие каналы 11 и 13. В этом случае увеличивается перепад давления между полостями 17 и 10, который воспринимается кольцевым поршнем 8, что приводит к его перемещению вместе с втулкой 14 и полым штоком 9 с соответствующим сжатием пружины на определенную величину и восприятием растягивающей нагрузки тарированным срезным элементом 16, которая, при кратковременном изменении (увеличении) утечки в кольцевом зазоре между шаром 4 и седлом 3 верхнего клапана, еще не достаточна для его разрушения (фиг.3). Это возможно в случае, например, попадания мехпримесей на посадочную поверхность седла 3. При достаточно большом механическом износе сопрягаемых поверхностей седла 3 и шара 4 утечка достигает величины, при которой перепад давлений на дросселирующих каналах 11 и 13 становится еще больше, отчего кольцевой поршень 8 перемещает втулку 14 вниз. При расчетном усилии происходит разрушение тарированного срезного элемента 16 и совместное перемещение кольцевого поршня 8 с полым штоком 9 и втулкой 14 относительно полого корпуса 1 до контакта с торцом кольцевого выступа, а головка 15 остается на пружине и не препятствует работе всего узла (фиг.4). При этом происходит перекрытие гидравлической связи осевого канала 12 полого штока 9 через дросселирующий канал 13 в полом корпусе 1.

В этом случае в работу включается нижний клапан с восприятием полного гидростатического давления шаром 7. Верхний клапан выключен из работы и не препятствует работе нижнего клапана.

Источники информации

1. Бухаленко Е.И., Вершковой В.В., Джафаров Ш.Т.О. и др. Нефтепромысловое оборудование (справочник). М.: Недра, 1990, с. 77-81.

2. Писарик М.Н. Проблемы повышения эффективности добычи нефти на основе комплексного исследования гидравлики и работоспособности скважинных штанговых насосов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Ивано-Франковский институт нефти и газа. Ивано-Франковск, 1992, с. 14.

3. Абрамов Е.А., Колесниченко К.А., Маслов В.Т. Элементы гидропривода (справочник). Киев: Техника, 1969, с. 137-139.

Устройство предназначено для использования в области гидромашиностроения в установках глубинных штанговых насосов для повышения надежности работы и увеличения их рабочего ресурса. Устройство состоит из полого корпуса, установленного между клеткой верхнего клапана, с седлом и шаром, и клеткой нижнего клапана с седлом и шаром. Корпус содержит цилиндрическую расточку, в которой размещен кольцевой поршень с полым штоком, с образованием кольцевой камеры. Полый шток и корпус снабжены дросселирующими каналами, которые соединяют осевой канал полого штока, через кольцевую камеру, с наружной поверхностью корпуса. В кольцевом поршне телескопически установлена подпружиненная втулка с головкой и тарированным срезным элементом. Между втулкой и корпусом образована кольцевая камера, которая посредством радиальных отверстий сообщается с осевым каналом. Повышается надежность работы и увеличивается рабочий ресурс. 4 ил.

Клапанный узел штангового насоса, содержащий верхний и нижний шаровые клапана с седлами, установленные в клетках, отличающийся тем, что клетки верхнего и нижнего клапанов связаны друг с другом полым корпусом, дополнительно снабженным кольцевым поршнем со штоком, установленным в нем с возможностью образования кольцевой камеры, гидравлически связанной дросселирующими каналами с полостью между верхним и нижним шаровыми клапанами и внешней поверхностью корпуса, втулкой, подпружиненной относительно корпуса и установленной с возможностью образования телескопического соединения с кольцевым поршнем и снабженной тарированным срезным элементом.