СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 2008 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к технике для добычи высоковязкой нефти.

Известен скважинный штанговый насос для откачки высоковязкой нефти (а.с. СССР №1588910 от 19.10.1987 г., Е21В 47/02), содержащий неподвижный укороченный цилиндр, спущенный на насосно-компрессорных трубах (НКТ), подвижный цилиндр и неподвижный плунжер, установленный в подвижном цилиндре, связанном с колонной насосных штанг. Неподвижный плунжер и неподвижный цилиндр связаны между собой посредством зацепления замка в замковой опоре, установленной в нижней части колонны НКТ над неподвижным укороченным цилиндром. Всасывающий и нагнетательный клапаны расположены в нижней части насоса, соответственно в подвижном цилиндре и неподвижном плунжере. Неподвижный укороченный цилиндр снабжен дополнительным всасывающим клапаном и образует с основным подвижным цилиндром дополнительную рабочую пару.

Недостатком известной конструкции является ограничение диапазона использования насоса, а именно: гидравлического утяжеления низа колонны штанг, согласно представленной в описании схеме насоса, недостаточно для компенсации гидродинамического сопротивления жидкости как по колонне НКТ, так и в клапанных парах, даже с увеличенным проходным сечением при добыче высоковязкой нефти, как, например, нефть пермокарбоновой залежи Усинского нефтяного месторождения с вязкостью в пластовых условиях 680-780 мПа·с. При такой вязкости добываемой нефти возрастают гидродинамические сопротивления во всасывающем клапане подвижного цилиндра и в колонне НКТ, что приводит к зависанию колонны штанг и, как результат, происходит обрыв штанговой колонны.

Наиболее близким по технической сущности, принятым авторами за прототип, является скважинный штанговый насос (патент РФ 1588024 от 25.03.1983 г., Е21В 47/02), содержащий неподвижный цилиндр, связанный с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, шток, соединенный с колонной насосных штанг, разрядную камеру, периодически сообщающуюся через разрядный клапан с затрубным пространством, приемную камеру, всасывающий и нагнетательный клапаны. Предотвращение зависания штанговой колонны при ходе вниз обеспечивается за счет силы, действующей на плунжер насоса и направленной вниз за счет снижения давления в разрядной камере ниже давления на приеме насоса.

Недостатком данной конструкции является снижение производительности насоса за счет уменьшения полезного объема приемной камеры на объем штока плунжера, размещенного в приемной камере. Кроме того, сужается диапазон использования насоса. В скважинах, осложненных выносом механических примесей, высоким газосодержанием скважинной жидкости, или в скважинах с низким пластовым давлением и высокой обводненностью, использование соответственно поднасосного фильтра, газосеператора или хвостовика приводит к существенному увеличению наружного диаметра насоса, усложнению конструкции и процессу монтажно-демонтажных работ на скважине, так как всасывающий клапан расположен сбоку. Это ограничивает его использование в скважинах с наиболее распространенным диаметром эксплуатационной колонны (менее 168 мм).

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы насоса за счет увеличения его производительности и расширения диапазона использования насоса.

Поставленная задача достигается конструктивным исполнением насоса. Скважинный штанговый насос содержит неподвижный цилиндр, подвижный цилиндр и неподвижный плунжер, при этом неподвижный цилиндр связан с колонной НКТ. В верхней части подвижного цилиндра установлен нагнетательный клапан, корпус которого соединен со штоком. На штоке смонтирован центратор и автосцепное устройство с возможностью соединения щтока с колонной штанг. Внутри подвижного цилиндра установлен неподвижный полый плунжер, соединенный в нижней части с полым приемным патрубком, выполненным с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру плунжера и наружным диаметром, меньшим наружного диаметра плунжера. Приемный полый патрубок и неподвижный цилиндр в нижней части соединены между собой с помощью корпуса разрядного клапана и образуют кольцевую разрядную камеру. Разрядный клапан периодически обеспечивает сообщение разрядной камеры с затрубным пространством. В верхней части полого плунжера установлен всасывающий клапан.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- насос снабжен дополнительным подвижным цилиндром, установленным между неподвижным цилиндром и плунжером;

- плунжер выполнен полым и неподвижным;

- плунжер соединен в нижней части с приемным полым патрубком, выполненным с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру плунжера, и наружным диаметром, меньшим наружного диаметра плунжера с образованием между неподвижным цилиндром и приемным полым патрубком кольцевой разрядной камеры, в которой установлен разрядный клапан;

- корпус разрядного клапана соединен с неподвижным цилиндром и приемным полым патрубком плунжера;

- в верхней части плунжера установлен всасывающий клапан;

- в верхней части подвижного цилиндра установлен нагнетательный клапан;

- корпус нагнетательного клапана соединен со штоком;

- на штоке смонтирован центратор и автосцепное устройство с возможностью соединения штока с колонной насосных штанг.

Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение поставленной задачи. Конструктивное исполнение насоса позволяет увеличить объем рабочей приемной камеры и, как результат, увеличить производительность насоса. Заявляемая конструкция также позволяет значительно расширить диапазон использования насоса. При изменении вязкости добываемой нефти конструкция насоса позволяет при одном и том же диаметре плунжера и цилиндров, только за счет изменения наружного диаметра приемного патрубка (использование сменного патрубка), изменить объем разрядной камеры и, как результат, изменить в ней давление разрежения, что приведет к изменению величины силы, направленной вниз. Таким образом, в зависимости от вязкости добываемой жидкости можно изменять величину силы, направленной вниз, для компенсации зависания штанговой колонны при ходе подвижного цилиндра вниз и, как результат, изменять нагрузку на головку балансира станка-качалки, то есть конструкция позволяет шире использовать возможности насоса в зависимости от вязкости добываемой жидкости. Кроме того, конструктивное исполнение насоса позволяет при необходимости изменить его подачу в сторону уменьшения, не ухудшая условий наполнения приемной камеры за счет возможности обеспечения минимального мертвого пространства как в приемной, так и разрядной камерах. Конструкция насоса также обеспечивает возможность использования его в скважинах с осложненными условиями: при наличии мехпримесей, высокого газосодержания или в скважинах с низким пластовым давлением и высокой обводненностью может быть использован соответственно поднасосный фильтр, газосепаратор серийного производства или хвостовик без увеличения диаметра насоса и, как результат, использовать насос в скважинах с наиболее распространенными диаметрами эксплуатационных колонн (140-168 мм). Таким образом, диапазон использования заявляемого насоса значительно шире, чем у прототипа.

Заявленная совокупность существенных признаков не известна нам из уровня техники. Изобретение может быть изготовлено в заводских условиях и использовано при добыче высоковязкой нефти.

Сущность заявляемого технического решения поясняется схемами. На фиг.1 представлен продольный разрез скважинного штангового насоса при крайнем нижнем положении подвижного цилиндра. На фиг.2 представлен продольный разрез скважинного штангового насоса при крайнем верхнем положении подвижного цилиндра.

Скважинный штанговый насос содержит неподвижный цилиндр 1, связанный в верхней части с насосно-компрессорными трубами (НКТ) 2. Внутри неподвижного цилиндра 1 установлен подвижный цилиндр 3, в верхней части которого размещен нагнетательный клапан 4, корпус которого соединен со штоком 5. На штоке 5 смонтирован центратор 6, а над ним - автосцепное устройство 7. Шток выполнен с возможностью соединения с помощью автосцепного устройства 7 с колонной штанг 8. Внутри подвижного цилиндра 3 установлен неподвижный полый плунжер 9, соединенный в нижней части с приемным полым патрубком 10, выполненным с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру плунжера, и наружным диаметром, меньшим наружного диаметра плунжера, при этом между неподвижным цилиндром 1 и приемным патрубком 10 образована кольцевая разрядная камера 11. Приемный полый патрубок может быть сменным. В зависимости от наружного диаметра приемного патрубка 10 подбирают объем кольцевой разрядной камеры 11. Высота разрядной камеры равна или меньше длины полого приемного патрубка 10. Приемный патрубок 10 и неподвижный цилиндр 1 соединены в нижней части с корпусом разрядного клапана 12. В верхней части неподвижного плунжера 9 установлен всасывающий клапан 13. Полость подвижного цилиндра между всасывающим клапаном 13 и нагнетательным клапаном 4 образует приемную камеру 14. Всасывающий и нагнетательный клапаны расположены соосно, что позволяет использовать клапанные пары «седло-шарик» с увеличенным проходным сечением без увеличения диаметра насоса.

Насос монтируют и спускают в скважину в следующей последовательности.

- Полый плунжер 9 со всасывающим клапаном 13 соединяют в нижней части с приемным полым патрубком 10, к которому крепят корпус разрядного клапана 12.

- Собранный плунжер вставляют в подвижный цилиндр 3.

- Сборку подвижного цилиндра 3 и неподвижного плунжера 9 вставляют в неподвижный цилиндр 1, который соединяют с корпусом разрядного клапана 12. При этом свободное пространство между неподвижным цилиндром 1 и приемным полым патрубком 10 образует разрядную камеру 11.

- Корпус нагнетательного клапана 4, соединенного с подвижным цилиндром 3, соединяют со штоком 5, на конце которого смонтировано автосцепное устройство 7 и центратор 6.

- Собранный насос с неподвижным цилиндром 1, сборным плунжером и подвижным цилиндром 3 соединяют с колонной НКТ 2 и спускают на заданную глубину.

- Спускают штанговую колонну 8 с центратором до соединения со штоком 5 насоса с помощью автосцепного устройства 7.

- Подбирают длину штанговой колонны 8 с помощью укороченных штанг для обеспечения минимального мертвого пространства в приемной и разрядной камерах.

Работа насоса осуществляется следующим образом.

Наземный привод - станок качалка, посредством штанговой колонны 8 приводит в возвратно-поступательное движение подвижный цилиндр 3 с установленным в нем в верхней части нагнетательным клапаном 4. При ходе подвижного цилиндра 3 вверх (цикл всасывания) давление в надплунжерной зоне снижается и под давлением столба жидкости в затрубном пространстве открывается всасывающий клапан 13 и происходит заполнение надплунжерной зоны - приемной камеры 14 скважинной жидкостью. В разрядной камере 11, образуемой свободным пространством между неподвижными цилиндром 1 и приемным полым патрубком 10, давление снижается от давления на приеме насоса при крайнем нижнем положении подвижного цилиндра 3 (нижняя мертвая точка - Н.М.Т.) до давления разрежения, соответствующего термодинамическим условиям среды, находящейся в разрядной камере насоса при крайнем верхнем положении подвижного цилиндра 3 (верхняя мертвая точка - В.М.Т.). Давление разрежения определяется длиной хода подвижного цилиндра 3, величиной «мертвого» пространства в разрядной камере и величиной утечек в разрядную камеру 11.

При ходе подвижного цилиндра 3 вниз газожидкостная смесь в надплунжерной зоне - приемной камере 14 сжимается до давления, равного давлению на выкиде насоса в колонне НКТ 2, нагнетательный клапан 4 открывается и скважинная жидкость, поступившая из затрубного пространства в надплунжерную зону, нагнетается в лифтовую колонну НКТ 2. При этом всасывающий клапан 13 закрыт. Давление в разрядной камере 11 изменяется от давления разрежения при положении подвижного цилиндра в В.М.Т., до давления на приеме насоса при положении подвижного плунжера в Н.М.Т. Утечки жидкости, попавшей в разрядную камеру во время движения подвижного цилиндра 4 вверх, выдавливаются в затрубное пространство подвижным цилиндром при его ходе вниз через разрядный клапан 12. Далее цикл повторяется.

Глушение скважин, а также промывку насоса проводят по технологии, принятой для серийных штанговых насосов.

При демонтаже насоса осуществляют подъем подвижного цилиндра на штангах, а затем на колонне НКТ поднимают сборку неподвижного цилиндра с плунжером, при этом жидкость из НКТ будет сливаться через разрядный клапан 12 в скважину.

Предлагаемый скважинный штанговый насос может быть использован на скважинах пермокарбоновой залежи Усинского нефтяного месторождения с вязкостью нефти в пластовых условиях 680-780 мПа·с.

Таким образом, конструктивное исполнение насоса позволяет повысить эффективность его работы за счет увеличения производительности, а также расширения диапазона его использования, а именно: насос может быть использован при добыче высоковязкой нефти с осложненными условиями эксплуатации скважин, а также обеспечивает возможность изменения нагрузки на головку балансира станка-качалки за счет изменения растягивающей силы, действующей на штанговую колонну.

Устройство предназначено для использования в нефтяной промышленности для добычи высоковязкой нефти. Скважинный штанговый насос содержит неподвижный цилиндр, подвижный цилиндр и неподвижный плунжер. Неподвижный цилиндр связан с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ). В верхней части подвижного цилиндра установлен нагнетательный клапан, корпус которого соединен со штоком. На штоке смонтирован центратор и автосцепное устройство с возможностью соединения штока с колонной штанг. Внутри подвижного цилиндра установлен неподвижный полый плунжер, соединенный в нижней части с полым приемным патрубком, выполненным с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру плунжера, и наружным диаметром, меньшим наружного диаметра плунжера. Приемный полый патрубок и неподвижный цилиндр в нижней части соединены между собой с помощью корпуса разрядного клапана и образуют кольцевую разрядную камеру. Разрядный клапан периодически обеспечивает сообщение разрядной камеры с затрубным пространством. В верхней части полого плунжера установлен всасывающий клапан, расположенный соосно с нагнетательным клапаном. Обеспечивает повышение эффективности работы насоса за счет увеличения его производительности и расширения диапазона использования насоса. 2 ил.

Скважинный штанговый насос, содержащий неподвижный цилиндр, связанный с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, шток, соединенный с колонной насосных штанг, разрядную камеру, периодически сообщающуюся через разрядный клапан с затрубным пространством, приемную камеру, всасывающий и нагнетательный клапаны, отличающийся тем, что насос снабжен дополнительным подвижным цилиндром, установленным между неподвижным цилиндром и плунжером, при этом плунжер выполнен полым и соединен в нижней части с приемным полым патрубком, выполненным с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру плунжера, и наружным диаметром, меньшим наружного диаметра плунжера, с образованием между неподвижным цилиндром и приемным полым патрубком кольцевой разрядной камеры, в которой установлен разрядный клапан, корпус которого соединен с неподвижным цилиндром и приемным полым патрубком плунжера, причем в верхней части плунжера установлен всасывающий клапан, а в верхней части подвижного цилиндра размещен нагнетательный клапан, корпус которого соединен со штоком, на котором установлен центратор и автосцепное устройство с возможностью соединения штока с колонной насосных штанг.