СКВАЖИННЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС Российский патент 2015 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к области добычи пластовых жидких сред, в частности к скважинным штанговым плунжерным насосам для подъема пластовой жидкости из скважин, предпочтительно высоковязких пластовых жидкостей с большим содержанием газа и механических примесей.

Проблема достижения высокой производительности скважинного штангового плунжерного насоса при откачке из скважин высоковязких пластовых жидкостей с большим содержанием газа и загрязняющих механических примесей является весьма актуальной, и ее решение связано, в основном, с обеспечением наименьшего износа взаимодействующих поверхностей цилиндра и размещенного в нем плунжера, с минимизацией зазоров между ними для наилучшего центрирования плунжера и с обеспечением наименьшего износа уплотняющих устройств, взаимодействующих с плунжером и используемых для исключения доступа откачиваемой жидкости к указанным контактирующим поверхностям.

Известен скважинный штанговый насос (WO 95/01508), содержащий цилиндрический корпус со всасывающим клапаном в его нижней части, переходник в его верхней части для соединения насоса с насосно-компрессорными трубами, полый плунжер с нагнетательным клапаном в его нижней части, неподвижные уплотнения, расположенные на расстоянии между собой и последовательно поочередно взаимодействующие каждое с боковой поверхностью полого плунжера при его возвратно-поступательном перемещении внутри цилиндрического корпуса. При этом в качестве уплотнений используют механические уплотнения, содержащие корпус, соединенный резьбой или с переходником, или с корпусом, в котором размещены O-образные кольца из эластомера, установленные в выточках уплотнительных эксцентричных колец, сжатых направляющими втулками с собственным уплотнением в виде O-образных колец.

Однако центрирование плунжера путем взаимодействия его боковой поверхности с множеством металлических корпусов механических уплотнений, содержащих эксцентричные кольца с разбросом наружных диаметров, приводит к многочисленным ударным нагрузкам на плунжер при его возвратно-поступательном перемещении в цилиндре, к износу поверхности плунжера, к увеличению зазоров между плунжером и корпусами уплотнений, при этом содержание в откачиваемой жидкости механических включений значительно ускоряет эти процессы.

Известно, что для предотвращения значительного износа поверхности плунжера при эксплуатации штанговых насосов в средах со значительным содержанием механических примесей, например частиц грунта, а также для улучшения условий эксплуатации эластичных элементов уплотнений в качестве уплотнений используются комплексы механических и гидравлических устройств.

Известен штанговый дифференциальный насос (WO 2012/036591), содержащий цилиндр с всасывающим клапаном в его нижней части и двухступенчатым полым плунжером, состоящим из двух частей с различными диаметрами наружной поверхности, с нагнетательным клапаном в нижней части плунжера, при этом насос содержит уплотнительное устройство, выполненное в виде замкнутой полости, заполненной смазывающей жидкостью, например минеральным маслом, и образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами на внутренней стенке цилиндра в его средней части, снабженными соответственно верхним и нижним уплотнительными кольцами, взаимодействующими с боковыми цилиндрическими поверхностями плунжера на участках разного диаметра, и область перехода диаметров плунжера расположена в указанной герметичной замкнутой полости. Причем на верхнем и нижнем торцах плунжера могут быть установлены центраторы из износостойкого материала, например стеклонаполненного полиакриламида, а на кольцевых выступах, соприкасающихся с цилиндрической поверхностью плунжера, могут быть выполнены маслоотводные канавки. Для защиты верхней части плунжера от воздействия откачиваемой жидкости объем цилиндра выше верхнего уплотнения заполнен тяжелой буферной жидкостью, например ртутью, раствором бромида цинка-бромида калия или другой жидкостью, или гелем, имеющим удельный вес выше, чем у откачиваемой и смазывающей жидкостей, и при этом буферная жидкость не должна смешиваться с откачиваемой и со смазывающей жидкостью. При работе насоса откачиваемая жидкость из нижней части цилиндра через внутреннюю полость плунжера поступает в полость цилиндра над уровнем тяжелой буферной жидкости. Нижнее уплотнительное кольцо применено для предотвращения попадания откачиваемой жидкости в указанную замкнутую полость и утечки из нее смазывающей жидкости. Наружная поверхность плунжера, омываемая буферной жидкостью, должна быть покрыта материалом, не смачиваемым буферной жидкостью.

Однако применение емкости с буферной жидкостью практически не влияет на условия взаимодействия поверхности плунжера с уплотнениями, используемыми в качестве опоры плунжера на участках разного диаметра плунжера, что при износе уплотнительных колец, непосредственно контактирующих с откачиваемой жидкостью, со значительным содержанием механических примесей, приведет к увеличению зазоров и появлению поперечных и ударных нагрузок на плунжер.

Кроме того, известен скважинный штанговый насос (RU, 2369775, С1), который содержит цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части, размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер с одинаковым диаметром наружной поверхности, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, при этом уплотнительное устройство выполнено в виде замкнутой полости, заполненной маслом и образованной боковой поверхностью плунжера и кольцевыми выступами, выполненными на внутренней поверхности цилиндра, расположенными в средней части цилиндра и снабженными уплотнительными кольцами, взаимодействующими с боковой цилиндрической поверхностью плунжера. При этом замкнутая полость сообщена посредством канала с масляным баком, установленным выше цилиндра, а длина плунжера равна или больше суммы длин замкнутой полости и максимального хода плунжера.

Однако в процессе длительной эксплуатации описанных выше насосов (WO 2012/036591; RU, 2369775, С1) при наличии механических примесей и газов в пластовой жидкости уплотнительные кольца, непосредственно контактирующие с откачиваемой жидкостью, будут подвергаться интенсивному механическому износу, что приведет к потере герметичности полости, заполненной маслом, и всего насоса в целом. Кроме того, выполнение опоры плунжера на эластичные уплотнительные кольца увеличивает степень износа как уплотнительных колец, так и поверхностей плунжера и цилиндра в местах установки уплотнительных колец, что приведет к увеличению зазора между поверхностями плунжер-цилиндр, возрастанию люфта плунжера и поперечных ударных нагрузок на плунжер и уплотнения, к снижению работоспособности насоса. Наличие дополнительных продольных маслоподводящих трубных элементов приводит к увеличению поперечного габарита насоса или к уменьшению полезных объемов насоса, а также к формированию дополнительных «паразитных» зазоров между плунжером и цилиндром и накоплению сжимаемых попутных газов в зазорах.

Целью создания настоящего изобретения является создание насоса для длительной эксплуатации в скважинах, предпочтительно в нефтяных скважинах на пластовых жидкостях с большим содержанием газа и механических примесей, а также на пластовых жидкостях, обладающих высокой вязкостью, а также повышение надежности работы насоса при различных напорах и объемах откачиваемой жидкости и повышение технологичности работ по эксплуатации скважин за счет повышения удобства монтажа и демонтажа скважинного насоса, насосно-компрессорных труб и колонны штанг станка-качалки и значительного увеличения межремонтного периода.

При создании изобретения была поставлена задача минимизации зазоров в паре плунжер-цилиндр и уменьшения износа поверхностей за счет уменьшения трения за счет предотвращения попадания механических примесей откачиваемой жидкости в зазор между ними, улучшения смазки контактирующих поверхностей плунжера и уплотнений, а также задача формирования двух опор плунжера, обеспечивающих осевое перемещение плунжера с наименьшими ударными и изгибающими нагрузками за счет использования прочных опор, не подвергающихся деформации в поперечном направлении, и оптимизации зазоров между боковой поверхностью плунжера и цилиндром.

Кроме того, была поставлена задача обеспечения возможности закрепления плунжера в нижнем положении при монтаже и демонтаже, спуске и поднятии насоса, с выполнением минимума манипуляций с насосом за счет выполнения верхней части плунжера и верхней части цилиндра содержащими средства соединения насоса со штангами станка-качалки и с насосно-компрессорными трубами, одновременно приспособленные и для фиксации плунжера от продольных перемещений и вращения в его нижнем положении.

Поставленная задача была решена созданием скважинного штангового насоса с приводом от станка-качалки, содержащего:

- цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части;

- размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер с одинаковым диаметром наружной поверхности, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан;

- уплотнительное устройство, размещенное между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью плунжера, содержащее верхнее и нижнее уплотнения на расстоянии одно от другого и замкнутую полость между ними, заполненную смазывающей средой низкой вязкости, отличающегося тем, что:

- цилиндр выполнен разъемным и включает соединенные герметично между собой полый верхний цилиндр гидрозащиты и полый нижний рабочий цилиндр;

- всасывающий клапан размещен в переходнике, соединенном с нижней частью рабочего цилиндра;

- нагнетательный клапан размещен в муфте, соединенной с нижней частью плунжера и снабженной клеткой, имеющей внутреннюю полость и сквозные каналы в стенках клетки, обеспечивающие сообщение внутренней полости рабочего цилиндра над нагнетательным клапаном с внутренней полостью плунжера;

- плунжер в верхней части снабжен хвостовиком, имеющим каналы для вывода откачиваемой жидкости из внутренней полости плунжера в нижнюю трубу колонны труб, средство для разъемного соединения плунжера с колонной штанг станка-качалки и направляющие штифты, выступающие над наружной поверхностью хвостовика;

- указанный хвостовик размещен во внутренней полости переводника, соединенного разъемно с верхней частью цилиндра гидрозащиты и снабженного наружной проточкой, приспособленной для захвата насоса элеватором, средством для разъемного соединения периферии переводника с нижней трубой колонны труб и средством временной фиксации плунжера от продольного перемещения и вращения в его нижнем нерабочем положении при спуске насоса, при монтаже и демонтаже штанг, выполненным в виде двух байонетных замков в стенках переводника, имеющих продольные пазы для перемещения в них указанных штифтов хвостовика при возвратно-поступательном перемещении плунжера в цилиндре и сообщенные с продольными пазами поперечные пазы, приспособленные для размещения в них указанных штифтов при спуске насоса, при монтаже и демонтаже штанг;

- уплотнительное устройство размещено в цилиндре гидрозащиты и содержит верхнее и нижнее уплотнения, каждое из которых включает цилиндрическую втулку, снабженную наружным уплотнением, взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра, и установленные в зеркальном расположении во внутренних полостях указанной цилиндрической втулки внешний и внутренний каскады уплотнений, взаимодействующих с боковой поверхностью плунжера и содержащих внешний и внутренний грязесъемники, размещенные со стороны соответствующих внешнего и внутреннего торцов указанной цилиндрической втулки, и верхнее и нижнее штоковые уплотнения, размещенные под указанными грязесъемниками; и при этом:

- замкнутая полость сформирована боковой поверхностью плунжера, внутренней поверхностью цилиндра гидрозащиты и внутренними торцевыми поверхностями верхнего и нижнего уплотнений;

- в верхней и нижней части указанной замкнутой полости уплотнительного устройства, в непосредственном контакте с одним из указанных внутренних торцевых поверхностей верхнего и нижнего уплотнений размещены соответственно верхний и нижний подшипники скольжения;

- на наружной поверхности нижней части плунжера закреплен центрирующий башмак, имеющий на периферии каналы, обеспечивающие свободное перемещение откачиваемой жидкости между зазором, образованным боковой поверхностью плунжера и внутренней поверхностью рабочего цилиндра под нижним уплотнением, и полостью рабочего цилиндра;

- в стенке рабочего цилиндра и в противолежащей стенке цилиндра гидрозащиты под нижним уплотнением выполнено сквозное отверстие для отвода из указанного зазора газа, вытесненного из откачиваемой жидкости. При этом согласно изобретению возможно, чтобы подшипники скольжения были выполнены в виде втулок из антифрикционного материала, на внутренней поверхности которых организованы каналы для прохождения масла к поверхностям трения плунжера и подшипника.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы соединения указанных элементов насоса между собой были выполнены с помощью резьбы, а направление указанных поперечных пазов байонетных замков переводника было противоположным направлению резьбы соединения хвостовика с плунжером.

В дальнейшем изобретение поясняется примерами выполнения скважинного штангового насоса согласно изобретению и прилагаемыми чертежами Фиг. 1 и Фиг. 1а, на которых представлен продольный разрез скважинного штангового насоса согласно изобретению в одном из наилучших вариантов его выполнения. При этом приведенный вариант не является исчерпывающим, не ограничивает возможности изобретения и не выходит за рамки формулы изобретения.

Скважинный штанговый насос согласно изобретению, в одном из вариантов его выполнения представленный на Фиг. 1 и Фиг. 1а, содержит цилиндр 1 насоса, выполненный разъемным из герметично соединенных между собой полого верхнего цилиндра 2 гидрозащиты и полого нижнего рабочего цилиндра 3, внутри которых размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и вращения вокруг своей продольной оси полый цилиндрический плунжер 4, имеющий одинаковый диаметр наружной поверхности.

В цилиндре 2 гидрозащиты в зазоре между боковой поверхностью плунжера 4 и внутренней стенкой цилиндра 2 гидрозащиты установлено уплотнительное устройство 5 гидрозащиты (Фиг. 1, 1а), содержащее размещенные на расстоянии одно от другого верхнее 6 и нижнее 7 уплотнения, каждое из которых включает цилиндрическую втулку 8, снабженную наружным уплотнением 9, взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра 2 гидрозащиты, и установленные в зеркальном расположении во внутренних полостях указанной цилиндрической втулки 8 внешний 10 и внутренний 11 каскады уплотнений, взаимодействующих с боковой поверхностью плунжера 4 и содержащих внешний 12 и внутренний 13 грязесъемники, размещенные со стороны торцов 14 и 15 указанной цилиндрической втулки 8, и внутренние штоковые уплотнения 16 и 17, размещенные под указанными грязесъемниками 12 и 13 соответственно.

Между уплотнениями 6 и 7 расположена замкнутая полость 18 (Фиг. 1, 1а), сформированная боковой поверхностью плунжера 4, внутренней поверхностью цилиндра 2 гидрозащиты и торцевыми поверхностями 14 цилиндрической втулки 8 уплотнений 6 и 7. Замкнутая полость 18 через отверстие 19 заполнена смазывающей средой 20 низкой вязкости, например минеральным маслом, и заглушена пробкой 21.

Предотвращение попадания содержащихся в откачиваемой среде механических включений и других примесей за счет захвата их грязесъемниками 12 и 13 и штоковыми уплотнениями 16 и 17 обеспечивают защиту смазывающей жидкости от загрязнений и поддержание герметичности указанной замкнутой полости.

В верхней и нижней части указанной замкнутой полости 18, в непосредственном контакте с внутренним каскадом 11 уплотнений размещены соответственно верхний 22 и нижний 23 подшипники скольжения (Фиг. 1, 1а), которые могут быть выполнены, например, в виде втулок из антифрикционного материала, на внутренней поверхности которых организованы каналы для прохождения масла к трущимся поверхностям плунжера и подшипника.

Нижняя часть рабочего цилиндра 3 (Фиг. 1a) соединена герметично через муфту 24 с резьбовым переходником 24а, в котором размещен всасывающий клапан 25.

Нагнетательный клапан 26 (Фиг. 1a) размещен в муфте 27, соединенной с нижней частью плунжера 4 и снабженной клеткой 28 (Фиг. 1a), имеющей внутреннюю полость 29 и сквозные каналы 30 для свободного перемещения откачиваемой жидкости из полости рабочего цилиндра 3 во внутреннюю полость плунжера 4.

В качестве всасывающего клапана 25 и нагнетательного клапана 26 могут быть использованы любые приемлемые клапанные устройства, предпочтительно клапанные пары «седло-шарик» по стандарту API.

На наружной поверхности нижней части плунжера 4 над муфтой 27 закреплен центрирующий башмак 31 (Фиг. 1a), имеющий на периферии каналы 32, обеспечивающие под нижним уплотнением 7 свободное перемещение откачиваемой жидкости между зазором 33, образованным боковой поверхностью плунжера 4 и внутренней поверхностью рабочего цилиндра 3, и внутренней полостью рабочего цилиндра 3 под нагнетательным клапаном 26 (Фиг. 1a). Применение указанного башмака 31 позволяет исключить возможность резонансных радиальных перемещений плунжера 4 при значительной длине плунжера 4 и предохранить элементы уплотнений от этих воздействий.

При этом под нижним уплотнением 7, например, в области соединения рабочего цилиндра 3 с цилиндром 2 гидрозащиты, предпочтительно, как показано на Фиг. 1а - в стенке рабочего цилиндра 3 и в стенке цилиндра 2 гидрозащиты, выполнено сквозное отверстие 34 для отвода из указанного зазора 33 газа, выделяющегося из откачиваемой жидкости.

Плунжер 4 в верхней части снабжен хвостовиком 35 (Фиг. 1), имеющим каналы 36 и 36а для вывода откачиваемой жидкости из внутренней полости плунжера 4 в трубу 37 колонны насосно-компрессорных труб, средство 38 для разъемного соединения, например резьбой, плунжера 4 с нижней муфтой 39 колонны 40 штанг, которая впоследствии соединяется канатной подвеской с головкой балансира станка-качалки любого типа (не показан). Кроме того, хвостовик 35 снабжен направляющими штифтами 41, выступающими над наружной поверхностью хвостовика 35.

При этом указанный хвостовик 35 в нерабочем транспортировочном положении размещен во внутренней полости переводника 42 (Фиг. 1), соединенного, например резьбой, с верхней частью цилиндра 2 гидрозащиты и снабженного наружной проточкой 43 для захвата насоса элеватором, средством для разъемного соединения периферии переводника 42 с трубой 37 колонны насосно-компрессорных труб, выполненным, например, в виде резьбовой муфты 44, и средством временной фиксации плунжера 4 от продольного перемещения и вращения в его нижнем нерабочем положении при спуске насоса в скважину и при монтаже и демонтаже колонны штанг, выполненным в стенке переводника 42 в виде двух диаметрально расположенных байонетных замков, имеющих продольный паз 45 для перемещения в нем указанного направляющего штифта 41 хвостовика 35 при возвратно-поступательном перемещении плунжера 4 и сообщенный с продольным пазом 45 поперечный паз 46 для размещения в нем указанного направляющего штифта 41 при повороте плунжера 4 вокруг его продольной оси и тем самым для фиксации плунжера 4 перед проведением монтажа и демонтажа колонны 40 штанг и перед спуском насоса в скважину.

При этом, как показано на Фиг. 1, 1а, соединения конструктивных элементов насоса, неподвижных между собой, герметично уплотнены, например, эластичными резиновыми кольцами круглого сечения 47.

Кроме того, направление поперечных пазов 46 должно быть противоположным направлению резьбы, соединяющей плунжер 4 с хвостовиком 35.

Специалистам в области машиностроения понятно, что сборка насоса производится в соответствии с конструктивной схемой насоса, не представляет каких-либо технологических трудностей и не требует специального оборудования.

При монтаже собранного насоса над скважиной к насосу присоединяют первую трубу 37 колонны насосно-компрессорных труб путем резьбового соединения ее с переводником 42, соединяют хвостовик 35 с нижней муфтой 39 колонны 40 штанг с помощью разъемного соединения, например резьбового, устанавливая при этом направляющие штифты 41 напротив продольных пазов 45 байонетных замков переводника 42.

Перед спуском смонтированного скважинного штангового насоса согласно изобретению в скважину производят временную фиксацию плунжера 4 от продольных перемещений и вращения вокруг своей продольной оси путем перемещения хвостовика 35 с плунжером 4 в их нижнее нерабочее транспортировочное положение, при этом размещают направляющие штифты 41 в продольных пазах 45, а затем поворачивают хвостовик 35 и соединенный с ним плунжер 4, фиксируя направляющие штифты 41 в поперечных пазах 46.

После погружения насоса в скважину под динамический уровень пластовой жидкости и соединения колонны штанг с муфтой 39, установленной на хвостовике 35, при вращательном движении по часовой стрелке (в сторону затягивания указанных выше резьбовых соединений) направляющие штифты 41 выходят из поперечных пазов 46, но остаются в продольных пазах 45 байонетных замков переводника 42, освобождая плунжер 4 для свободного возвратно-поступательного перемещения, которое обеспечивается движением вверх-вниз колонны 40 штанг, соединенных с головкой балансира станка-качалки любого типа. Выводя плунжер 4 из нижнего транспортировочного положения, определяют нижнюю рабочую точку, соответствующую нижней мертвой точке головки балансира станка-качалки, а поднятием плунжера 4 вверх на 100…150 мм выводят направляющие штифты 41 хвостовика 35 из пазов 45 и 46 байонетных замков с целью исключения возможности ударов при ходе вниз в случае растяжения колонны 40 штанг при эксплуатации.

При поднятии насоса из скважины колонну 40 штанг полностью отпускают, при этом направляющие штифты 41 на хвостовике 35 находятся в продольном пазу. При повороте колонны 40 штанг вокруг продольной оси в направлении отвинчивания резьбы (против часовой стрелки или влево) направляющие штифты 41 сами заходят в поперечные пазы 46 и блокируют плунжер 4.

Скважинный штанговый насос согласно изобретению работает следующим образом.

При принудительном перемещении плунжера 4 вверх нагнетательный клапан 26 (Фиг. 1a) под давлением пластовой жидкости, находящейся в трубах выше насоса, герметично закрыт. За счет разрежения при увеличении свободного объема внутри рабочего цилиндра 3 и за счет давления пластовой жидкости открывается всасывающий клапан 25, и откачиваемая жидкость поступает во внутреннюю полость рабочего цилиндра 3 под нагнетательным клапаном 26 в объеме, равном величине объему части плунжера 4, вышедшего из рабочего цилиндра 3, свободно заполняя через каналы 32 башмака 31 и зазор 33. При этом в верхней части зазора 33 начинает скапливаться вытесняемый из жидкости газ, который через сквозное отверстие 34 отводится в пластовую жидкость.

При принудительном перемещении плунжера 4 вниз, по мере повышения давления во внутренней полости рабочего цилиндра 3, под плунжером 4 и в его внутренней полости, нагнетательный клапан 26 открывается, откачиваемая жидкость заполняет внутреннюю полость плунжера 4 и через каналы 36 в хвостовике 35 отводится во внутреннюю полость трубы 37 колонны насосно-компрессорных труб. При этом всасывающий клапан 25 закрывается за счет повышения давления во внутренней полости рабочего цилиндра 3, превышающего давление пластовой жидкости, и за счет собственного веса клапана.

В процессе возвратно-поступательного перемещения плунжера 4 уплотнительное устройство 5 гидрозащиты не подвергается значительным динамическим нагрузкам в связи с центрированием плунжера 4 в опорах - подшипниках 22 и 23 скольжения, расположенных на расстоянии друг от друга, что способствует распределению нагрузок на плунжер 4, и дополнительно центрируется башмаком 31, который позволяет избежать вибрации и резонансных явлений на плунжере 4. Внешний 12 и внутренний 13 грязесъемники не подвергаются давлению, развиваемому насосом, и не допускают проникновения механических примесей к штоковому уплотнению. Штоковые уплотнения 16 и 17 воспринимают давление жидкости, развиваемое насосом, и герметично уплотняют плунжер 4. При этом штоковые уплотнения 16 внешних каскадов 10 верхнего 6 и нижнего 7 уплотнений препятствуют прохождению пластовой жидкости в замкнутую полость 18, а штоковые уплотнения 17 внутренних каскадов 11 верхнего 6 и нижнего 7 уплотнений препятствуют выведению смазывающей жидкости из замкнутой полости 18.

При этом установленные в замкнутой полости 18 подшипники 22 и 23 скольжения постоянно находятся в смазывающей жидкости, без доступа в нее загрязнений, что обеспечивает значительное снижение износа элементов скольжения в подшипниках, износа боковой поверхности плунжера 4 и обеспечивает надежное центрирование плунжера 4 в течение длительного времени эксплуатации. Применение для опоры плунжера 4 подшипников 22 и 23 скольжения, работающих в чистой смазывающей среде, обеспечивает возможность формирования оптимального зазора в пространстве между цилиндром 1 и плунжером 4, обеспечивающего нормальное перемещение плунжера в вязкой жидкости.

Как известно специалистам в области нефтедобычи и машиностроения, между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью плунжера существует зазор, который является дополнительным («паразитным») объемом, по мере его заполнения откачиваемой жидкостью влияющим на динамику изменения давления во внутренней полости рабочего цилиндра, что особенно проявляется при изменении полезного объема рабочего цилиндра между всасывающим и нагнетательным клапанами, которые при работе насоса на малой величине рабочего хода и при наличии значительного количества свободного газа в пластовой жидкости могут быть заполнены сжимаемым (в отличие от жидкости) под давлением газом, и подача на поверхность жидкости прекратится. Обычно в этих случаях применяют периодические промывки насоса и труб под давлением промывочной жидкостью между обсадной трубой скважины и колонной насосно-компрессорных труб.

В скважинном штанговом насосе согласно изобретению сформирован зазор 33 между внутренней поверхностью рабочего цилиндра 3 и плунжером 4, обеспечивающий накопление неплотной среды - газа и вытеснение его обратно в скважину через сквозное отверстие 34 под низким давлением, создаваемым плунжером 4. Жидкая среда, обладая достаточной плотностью и вязкостью, будет незначительно вытесняться через отверстие 34, минимально влияя на объемный коэффициент полезного действия насоса. Наличие указанного зазора 33 положительно влияет на возможность работы насоса на высоковязких пластовых жидкостях с большим содержанием механических примесей и газа. Наличие указанного зазора 33, заполненного вязкой откачиваемой жидкостью, позволяет обеспечить в рабочем цилиндре 3 сдвиг вязкой жидкости под весом колонны 40 штанг без их зависания, а также работу насоса с откачиваемыми жидкостями со значительным содержанием механических примесей, исключая задиры цилиндра и плунжера и заклинивание плунжера 4. Кроме того, наличие указанного зазора 33 позволяет установить башмак 31, выступающий над боковой поверхностью плунжера 4 и снабженный на периферии каналами для заполнения указанного зазора 33 свободно перетекающей откачиваемой жидкостью, что позволяет избежать вибраций и резонанса в объеме откачиваемой жидкости.

Описанные выше особенности конструкции скважинного штангового насоса согласно изобретению обеспечивают ему значительные преимущества по сравнению с известными скважинными штанговыми насосами при эксплуатации в скважинах с загрязненными и высоковязкими пластовыми жидкостями, включая высокую технологичность при сборке, монтаже, спуске в скважину, при удалении из скважины и демонтаже насоса, а также значительное увеличение межремонтного периода насоса за счет наличия в нем автономной смазывающей системы, функционирующей независимо от состава, вязкости и загрязненности пластовых сред и независимо от их объемов, за счет исключения значительных ударных и вибрационных нагрузок на элементы конструкции, а также включая возможность устойчивой работы в условиях различных напоров в пластах и различной производительности насоса и низкую энергоемкость за счет высокой экономичности при запуске и эксплуатации насоса.

Специалистам в области нефтедобычи и машиностроения должно быть понятно, что описанный выше вариант конструктивного выполнения насоса не является исчерпывающим и не ограничивает настоящего изобретения, и в скважинный штанговый насос согласно изобретению могут быть внесены улучшения и усовершенствования, не выходящие за рамки изобретения, например могут быть использованы другие способы соединений элементов конструкции, использованы другие виды уплотнений.

Скважинный штанговый насос согласно изобретению может быть изготовлен с помощью известных технологических приемов и известного оборудования, с использованием известных материалов, в различных вариантах конструктивного выполнения и может применяться для эксплуатации в скважинах с различными пластовыми жидкостями, включая и жидкости со значительным содержании в них механических примесей и загрязнений и газов.

Изобретение относится к области добычи пластовых жидких сред. Скважинный насос имеет разъемный цилиндр (1), состоящий из полого верхнего цилиндра (2) гидрозащиты с уплотнительным устройством (5) и полого нижнего цилиндра (3) с всасывающим клапаном (25). Полый плунжер (4) имеет одинаковый диаметр наружной поверхности, снабжен в нижней части центрирующим башмаком (31), нагнетательным клапаном (26) и клеткой (28). Между боковой поверхностью плунжера (4), внутренней поверхностью рабочего цилиндра (3) под нижним уплотнением (7) и полостью рабочего цилиндра (3) образован зазор (33), сообщенный с внешней средой. Уплотнительное устройство (5) содержит верхнее и нижнее уплотнения (6, 7) на расстоянии между ними, в которых в цилиндрических втулках (8) размещены внешние и внутренние каскады (10, 11) уплотнений, грязесъемники (12, 13), верхнее и нижнее уплотнения (16, 17). Между уплотнениями (6, 7) образована замкнутая полость (18), заполненная смазывающей жидкостью, в которой размещены подшипники (22, 23) скольжения. Плунжер (4) снабжен хвостовиком (35), имеющим выступающие направляющие штифты (41) и каналы (36, 36а) для вывода откачиваемой жидкости. Хвостовик (35) размещен во внутренней полости переводника (42) и снабжен двумя замками, имеющими продольные пазы (46) и поперечные пазы (46) для размещения в них штифтов (41) хвостовика (35) для фиксации плунжера от продольного перемещения и вращения в его нижнем транспортировочном положении. Высокая технологичность при сборке, монтаже, спуске и удалении из скважины. Увеличен межремонтный период. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Скважинный штанговый насос с приводом от станка-качалки, содержащий:
- цилиндр с всасывающим клапаном в нижней части;
- размещенный в цилиндре полый цилиндрический плунжер с одинаковым диаметром наружной поверхности, в нижней части которого установлен нагнетательный клапан;
- уплотнительное устройство, размещенное между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью плунжера, содержащее верхнее и нижнее уплотнения на расстоянии одно от другого и замкнутую полость между ними, заполненную смазывающей средой низкой вязкости, отличающийся тем, что:
- цилиндр (1) выполнен разъемным и включает герметично соединенные полый верхний цилиндр (2) гидрозащиты и полый нижний рабочий цилиндр (3);
- всасывающий клапан (25) размещен в переходнике (24а), соединенном с нижней частью рабочего цилиндра (3);
- нагнетательный клапан (26) размещен в муфте (27), соединенной с нижней частью плунжера (4) и снабженной клеткой (28), имеющей внутреннюю полость (29) и сквозные каналы (30) в стенках клетки, обеспечивающие сообщение внутренней полости рабочего цилиндра (3) над нагнетательным клапаном (26) с внутренней полостью плунжера (4);
- плунжер (4) в верхней части снабжен хвостовиком (35), имеющим каналы (36, 36а) для вывода откачиваемой жидкости из внутренней полости плунжера (4) в трубу (37) колонны труб, средство (38) для разъемного соединения плунжера (4) с колонной (40) штанг станка-качалки и направляющие штифты (41), выступающие над наружной поверхностью хвостовика (35);
- указанный хвостовик (35) размещен во внутренней полости переводника (42), соединенного разъемно с верхней частью цилиндра (2) гидрозащиты и снабженного наружной проточкой (42), приспособленной для захвата насоса элеватором, средством (44) для разъемного соединения периферии переводника (42) с трубой (37) колонны труб и средством временной фиксации плунжера от продольного перемещения и вращения в его нижнем транспортировочном положении при спуске насоса, при монтаже и демонтаже штанг, выполненным в виде двух байонетных замков в стенках переводника (42), имеющих продольные пазы (46) для перемещения в них указанных направляющих штифтов (41) хвостовика (35) при возвратно-поступательном перемещении плунжера (4) в цилиндре (1) и сообщенные с продольными пазами (45) поперечные пазы (46), приспособленные для размещения в них указанных направляющих штифтов (41) при спуске насоса, при монтаже и демонтаже штанг;
- уплотнительное устройство (5) гидрозащиты размещено в цилиндре (2) гидрозащиты и содержит верхнее и нижнее уплотнения (6, 7), каждое из которых включает цилиндрическую втулку (8), снабженную наружным уплотнением (9), взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра (2) гидрозащиты, и установленные в зеркальном расположении во внутренних полостях указанной цилиндрической втулки (8) внешний и внутренний каскады (10, 11) уплотнений, взаимодействующих с боковой поверхностью плунжера (4) и содержащих внешний и внутренний грязесъемники (12, 13), размещенные со стороны соответствующих внешнего и внутреннего торцов (14, 15) указанной цилиндрической втулки (8), и верхнее и нижнее штоковые уплотнения (16, 17), размещенные под указанными грязесъемниками (12, 13); и при этом:
- замкнутая полость (18) сформирована боковой поверхностью плунжера (4), внутренней поверхностью цилиндра (2) гидрозащиты и внутренними торцевыми поверхностями верхнего и нижнего уплотнений (6, 7);
- в верхней и нижней части указанной замкнутой полости (18) уплотнительного устройства (5) гидрозащиты, в непосредственном контакте с одной из указанных внутренних торцевых поверхностей верхнего и нижнего уплотнений (6, 7) размещены соответственно верхний и нижний подшипники (22, 23) скольжения;
- на наружной поверхности нижней части плунжера над указанной муфтой (27) закреплен центрирующий башмак (31), имеющий на периферии каналы (32), обеспечивающие свободное перемещение откачиваемой жидкости между зазором (33), образованным боковой поверхностью плунжера (4) и внутренней поверхностью рабочего цилиндра (3) под нижним уплотнением (7), и полостью рабочего цилиндра (3);
- в стенке рабочего цилиндра (3) и в противолежащей стенке цилиндра (2) гидрозащиты под нижним уплотнением (7) выполнено сквозное отверстие (34) для отвода из указанного зазора (33) газа, вытесненного из откачиваемой жидкости.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что подшипники скольжения (22, 23) выполнены в виде втулок из антифрикционного материала, на внутренней поверхности которых организованы каналы для прохождения масла к поверхностям трения плунжера (4) и подшипника (22, 23).

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что соединения указанных элементов насоса между собой выполнены с помощью резьбы, а направление указанных поперечных пазов (46) байонетных замков переводника (42) противоположно направлению резьбы соединения хвостовика (35) с плунжером (4).