СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС ДЛЯ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ Российский патент 2012 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, используемым для поднятия высоковязкой нефти на поверхность.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном, полый плунжер с нагнетательным клапаном, размещенный в цилиндре и разделяющий его полость на всасывающую и нагнетательную полости, и отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера, при этом часть всасывающей полости цилиндра образована его внутренней поверхностью, охватывающей нижний конец плунжера и имеющей диаметр, превышающий диаметр наружной поверхности плунжера, а отверстия для периодического сообщения всасывающей полости цилиндра с полостью плунжера выполнены в стенке нижнего конца плунжера (патент RU №2340792, МПК F04B 47/00, опубл. 10.12.2008).

Однако наличие на нижнем конце цилиндра внутренней полости, имеющей больший диаметр, чем у плунжера данного насоса, значительно увеличивает металлоемкость конструкции, следовательно, повышает стоимость изделия и снижает коэффициент полезного действия (КПД) установки, так как при нахождении бокового отверстия плунжера в зоне расширения цилиндра во время рабочего хода работа по поднятию жидкости не осуществляется. При работе с сильногазированными жидкостями (например, летучей нефтью или газоконденсатом) происходит резкое падение пластового давления, что нежелательно для освоения пласта. Кроме того, при необходимости обслуживания и/или ремонта насоса необходимо поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами, что требует дополнительных затрат на обслуживание при работе с высоковязкими нефтями, содержащими парафины, асфальтены и смолы. А работа клапанов только под действием собственного веса и потока жидкости с высоковязкими нефтями приводит к их быстрому выходу из строя (всплытию клапанов и залипанию в верхнем - открытом положении).

Наиболее близким аналогом является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр с седлом, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной и подплунжерной камер и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, выполненный в виде цанги, установленной в колонне труб (патент RU №1588024, МПК F04B 47/02, опубл. 27.03.1996).

Однако размещение всасывающего клапана известного насоса на боковой поверхности цилиндра с малыми в поперечном сечении пропускными каналами из-за ограниченного внутренним диаметром скважины расстояния от наружной стенки цилиндра приводит к быстрой кольматации при работе с высоковязкими нефтями, содержащими парафины, асфальтены и смолы, после чего необходимо для обслуживания и/или ремонта насоса поднимать на поверхность плунжер и цилиндр с клапанами, что требует дополнительных затрат на спускоподъемные операции. Кроме того, нагнетательный и всасывающий клапаны работают только под действием собственного веса и потока жидкости, что при работе с высоковязкими нефтями приводит к быстрому их выходу из строя (всплытию клапанов и залипанию в верхнем - открытом положении). Также известный насос не может быть использован в скважинах со сложным, в том числе с наклонным и/или горизонтально-наклонным профилем из-за наличия шарикового самодействующего всасывающего клапана и не отцентрированного нагнетательного клапана, так как самодействующие клапаны в таких условиях работают ненадежно, а штанги располагаются с отклонением от центра цилиндра, что приведет к невозможности герметичного закрытия нагнетательного кольцевого клапана.

Задачей настоящего изобретения является создание надежного в работе и простого в обслуживании насоса с высоким КПД и расширенными технологическими возможностями.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является возможность подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми принудительно закрывающимися и открывающимися клапанами и ограничителем хода, а также работы с высоковязкими нефтями и в скважинах со сложным профилем.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в скважинном штанговом насосе для добычи высоковязкой нефти, содержащем цилиндр с седлом, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и подпружиненный ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, согласно изобретению плунжер выполнен полым, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, в цилиндре выполнена кольцевая выборка под ограничитель хода, подпружиненный наружу и выполненный заодно целое с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода.

На фиг.1 изображен предлагаемый скважинный штанговый насос с цанговым ограничителем, расположенным сверху нагнетательного клапана.

На фиг.2 - скважинный штанговый насос с цанговым ограничителем, расположенным снизу нагнетательного клапана.

На фиг.3 - скважинный штанговый насос с пружинным ограничителем хода нагнетательного клапана.

Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти содержит цилиндр 1 (фиг.1) с седлом 2, связанный верхней частью муфтой 3 с колонной насосно-компрессорных труб 4, полый плунжер 5, размещенный в цилиндре 1 с образованием надплунжерной камеры 6 и соединенный с колонной штанг 7, имеющей упор 8, нагнетательный клапан 9, подвижно расположенный на колонне штанг 7 между упором 8 и плунжером 5 и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера 5, всасывающий клапан 10, сообщающий надплунжерную камеру 6 с внутрискважинным пространством 11, и подпружиненный ограничитель 12 хода вверх нагнетательного клапана 9. Всасывающий клапан 10 оснащен толкателем 13, жестко соединенным с колонной штанг 7 и вставленным внутрь плунжера 5 с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом 14 толкателя 13, а снизу - всасывающим клапаном 10, перекрывающим полость 15 плунжера 5 при перемещении вверх. В цилиндре 1 выполнена кольцевая выборка 16 под ограничитель 12 хода, который подпружинен пружиной 17 наружу и выполнен заодно целое с нагнетательным клапаном 9. Ограничитель 12 хода может быть расположен сверху нагнетательного клапана 9 (фиг.1) или снизу (фиг.2). В этом случае роль пружины 17 играет цанга. Также ограничитель 12 хода может быть непосредственно вмонтирован в нагнетательный клапан 9 (фиг.3) и поджат наружу пружиной сжатия 17. Кроме того, нагнетательный клапан 9 изнутри снабжен тормозом 18, взаимодействующим с колонной штанг 7 с усилием, не превосходящим усилие сжатия пружины 17 ограничителя 12 хода. Тормоз 18 может быть изготовлен любой известной конструкции, например в виде показанных условно и надетых совместно с нагнетательным клапаном 9 с натягом на колонну штанг 7: набора фрикционных накладок (медных сегментов), пружинных (разрезных) колец, эластичных (резиновых или полиуретановых) колец и/или магнитных наборных сегментов, зафиксированных и поджатых контрирующим винтом 19. Несанкционированные перетоки жидкости через нагнетательный клапан 9 исключаются при помощи его уплотнительных колец 20.

Описываемый насос работает следующим образом.

В скважину (не показана) на колонне труб 4 спускают цилиндр 1 с седлом 2 в необходимый интервал установки. Затем в колонну труб 2 на колонне штанг 7 спускают плунжер 5 с толкателем 13, клапаном 10 и клапаном 9 с ограничителем 12 его хода до входа плунжера 5 в цилиндр 1 и попадания ограничителя 12 хода (фиг.1, 2 и 3) нагнетательного клапана 9 в кольцевую выборку 16 под действием веса колонны штанг 7 и при помощи упора 8, опирающегося сверху на нагнетательный клапан 9, для сжатия пружины 17. Спуск колонны штанг 7 осуществляют до взаимодействия нагнетательного клапана 9 с седлом 2 цилиндра 1, что отмечается на индикаторе веса (не показан) на устье скважины снижением веса колонны штанг 7. После чего на устье скважины колонну штанг 7 присоединяют к приводу (например, станок-качалка или цепной привод - не показан), который придает колонне штанг 7 возвратно-поступательное движение, передающееся через толкатель 13 на плунжер 5. При перемещении колонны штанг 7 вверх относительно цилиндра 1 всасывающий клапан 8 перекрывает полость 15 плунжера 5 и тянет его вверх за колонной штанг 7. В результате в надплунжерной камере 6 создается избыточное давление по отношению к столбу высоковязкой нефти, находящемуся в колонне труб 4. Нагнетательный клапан 9 под действием перепада давлений и тормоза 18 открывается - поднимается над седлом 2 цилиндра 1, и высоковязкая нефть из надплунжерной камеры 6 поступает в колонну труб 4. Во время своего подъема нагнетательный клапан 9 упирается ограничителем 12 хода в верхний край 21 кольцевой выборки 16 и останавливается, преодолевая усилие тормоза 18, в то время как колонна штанг 7 перемещается вверх. При перемещении колонны штанг 7 вниз относительно цилиндра 1 нагнетательный клапан 9 под действием тормоза 12 вместе с колонной штанг 7 принудительно опускается к седлу 2 цилиндра 1 и закрывается, перекрывая сообщение между колонной труб 4 и надплунжерной камерой 6 и дополнительно прижимаясь к седлу 2 при помощи столба высоковязкой нефти в колонне труб 4. Одновременно всасывающий клапан 10 перемещается вниз вместе с толкателем 11 и плунжером 3. Затем под действием создаваемого разрежения в надплунжерной камере 6 плунжер 5 останавливается, а всасывающий клапан 10 с колонной штанг 7 перемещается вниз и принудительно открывает полость 15 плунжера 5, сообщая надплунжерную камеру 6 с внутрискважинным пространством 11. После чего наружный выступ 14 толкателя 13 упирается в плунжер 5 (например, через упор-центратор 22) и перемещает его с колонной штанг 7 вниз относительно цилиндра 1. Высоковязкая нефть через полость 15 плунжера 5 снизу цилиндра 1 перетекает в надплунжерную камеру 6, заполняя ее. Далее возвратно-поступательное перемещение колонны штанг 7 продолжается. В результате высоковязкая нефть по колонне труб 4 поднимается на поверхность (не показана). Поджатый пружиной 17 наружу центрирует расположение клапана 9 относительно цилиндра 1, исключая неплотное его закрытие при работе насоса в скважинах со сложным профилем (например, наличие искривленных, наклонных и/или наклонно-горизонтальных участков), когда штанги 7 могут располагаться при работе несоосно с цилиндром 1.

Благодаря принудительному закрытию и открытию клапанов 9 и 10 возможность их выхода из строя (негерметичного закрывания или неоткрывания из-за всплытия и/или залипания) снижается до трех раз (что было выявлено при стендовых испытаниях).

При необходимости проведения ремонтных работ (до 95% случаев из-за выхода из строя клапанов 9, 10 и/или пружины 17 ограничителя 12 хода) или при плановом обслуживании насоса из скважины извлекают на колоне штанг 7 плунжер 5 с толкателем 13 и клапанами 9 и 10, преодолевая усилие пружины 17 ограничителя 12 хода для выхода его из кольцевой выборки 16 при помощи наружного выступа 14, упирающегося в клапан 9 снизу. При этом поднятие цилиндра 1 с колонной труб 4 не обязательно, что убыстряет, упрощает и удешевляет ремонтные работы и/или плановое обслуживание скважинного насоса.

Таким образом, предлагаемый скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти надежен в работе из-за принудительно закрывающихся и открывающихся нагнетательного и всасывающего клапанов, прост в обслуживании за счет возможности подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми клапанами и ограничителем хода и может быть использован при работе в скважинах со сложным профилем.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным штанговым насосам, используемым для поднятия высоковязкой нефти на поверхность при работе в скважинах со сложным профилем. Насос содержит цилиндр с седлом, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб. Плунжер размещен в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор. Нагнетательный клапан подвижно расположен на колонне штанг между упором и плунжером и выполнен кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера. Всасывающий клапан сообщает надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством. Содержит подпружиненный ограничитель хода вверх нагнетательного клапана. Плунжер выполнен полым. Всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх. В цилиндре выполнена кольцевая выборка под ограничитель хода, который подпружинен наружу и выполнен заодно целое с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода. Повышается надежность в работе. Упрощается обслуживание за счет возможности подъема при ремонте и/или обслуживании только плунжера со всеми клапанами и ограничителем хода. 3 ил.

Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти, содержащий цилиндр с седлом, связанный верхней частью с колонной насосно-компрессорных труб, плунжер, размещенный в цилиндре с образованием надплунжерной камеры и соединенный с колонной штанг, имеющей упор, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером и выполненный кольцевым, с диаметром, превышающим диаметр плунжера, всасывающий клапан, сообщающий надплунжерную камеру с внутрискважинным пространством, и подпружиненный ограничитель хода вверх нагнетательного клапана, отличающийся тем, что плунжер выполнен полым, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, в цилиндре выполнена кольцевая выборка под ограничитель хода, подпружиненный наружу и выполненный за одно целое с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода.