RU109235U1 - Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти - Google Patents

Abstract

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 с верхней и нижней насадками меньшего внутреннего диаметра, чем внутренний диаметр плунжера, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, расположенным внутри плунжера и выполненным с возможностью взаимодействия с нижней насадкой при перемещении вниз, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, в цилиндре ниже седла выполнено кольцевое расширение под ограничитель хода, выполненного в виде подпружиненной наружу цанги и снизу жестко соединенным с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода.

Description

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 скважинным штанговым насосом 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.

Новым является то, что плунжер выполнен полым с верхней и нижней насадками меньшего внутреннего диаметра, чем внутренний диаметр плунжера, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, расположенным внутри плунжера и выполненным с возможностью взаимодействия с нижней насадкой при перемещении вниз, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, в цилиндре ниже седла выполнено кольцевое расширение под ограничитель хода, выполненного в виде подпружиненной наружу цанги и снизу жестко соединенным с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода.

На фиг.1 изображена верхняя часть предлагаемого скважинного штангового насоса.

На фиг.2 изображена нижняя часть предлагаемого скважинного штангового насоса.

Скважинный штанговый насос для добычи высоковязкой нефти, содержащий цилиндр 1 (фиг.2) с седлом 2 (фиг.1), связанный верхней частью через муфты 3 с колонной насосно-компрессорных труб 4 (НКТ), плунжер 5 (фиг.2), размещенный в цилиндре 1 с образованием надплунжерной камеры 6 и соединенный с колонной штанг 7 (фиг.1), имеющей полированный шток 8 и упор 9 (например: выполненный в виде муфты), нагнетательный клапан 10, подвижно расположенный на полированном штоке 8 колонны штанг 7 между упором 9 и плунжером 5 (фиг.2) и выполненный кольцевым, с диаметром D1 (фиг.1), превышающим диаметр D (фиг.2) плунжера 5, всасывающий клапан 11, сообщающий надплунжерную камеру 6 с внутрискважинным пространством 12, и подпружиненный ограничитель хода 13 (фиг.1) вверх нагнетательного клапана 10. Плунжер 5 (фиг.2) выполнен полым с верхней 14 и нижней 15 насадками меньшего внутреннего диаметра соответственно d1 и d2, чем внутренний диаметр d плунжера 5. Всасывающий клапан 11 оснащен толкателем 16, жестко соединенным муфтой 17 с полированным штоком 8 колонны штанг 7 и вставленным внутрь плунжера 5 с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя 18, расположенным внутри плунжера 5 и выполненным с возможностью взаимодействия с нижней насадкой 15 при перемещении вниз, а снизу - всасывающим клапаном 11, перекрывающим полость плунжера 5 при перемещении вверх. В цилиндре 1 (фиг.1) ниже седла 2 выполнено кольцевое расширение 19 (например: в виде патрубка 20 большего внутреннего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндра 1, см фиг.2) под ограничитель хода 13 (фиг.1), выполненного в виде подпружиненной наружу цанги и снизу жестко соединенным с нагнетательным клапаном 10, изнутри снабженным тормозом 21, взаимодействующим с полированным штоком 8 колонны штанг 7 с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода 13. Тормоз 21 может быть изготовлен любой известной конструкции, например, в виде показанных условно и надетых совместно с нагнетательным клапаном 9 с натягом на полированный шток: набора фрикционных накладок 22 (медных сегментов), поджатых эластичным кольцом 23, пружинных (разрезных) колец, эластичных (резиновых или полиуретановых) колец и/или магнитных наборных сегментов, зафиксированных и поджатых контрирующим винтом 24, который выполняет роль дополнительного груза. Несанкционированные перетоки жидкости через нагнетательный клапан 7 исключаются при помощи полированного штока 8 и уплотнительных колец 25 и 26.

Описываемый насос работает следующим образом.

В скважину 27 (показана условно) на колонне труб 3 спускают цилиндр 1 (фиг.2) с седлом 2, патрубком 20 (соединенным с цилиндром 1, например, муфтой 28) в необходимый интервал установки. Затем в колонну труб 4 (фиг.1) на колонне штанг 7 спускают плунжер 5 (фиг.2) с толкателем 16, клапаном 11 и клапаном 10 с ограничителем 13 его хода до входа плунжера 5 в цилиндр 1 и попадания ограничителя 13 хода (фиг.1) нагнетательного клапана 10 в кольцевое расширение 19 патрубка 20 под действием веса колонны штанг 7 и при помощи упора 9, опирающегося сверху на нагнетательный клапан 10, для сжатия цанги 13 ограничителя хода. Спуск колонны штанг 7 осуществляют до взаимодействия нагнетательного клапана 10 с седлом 2 цилиндра 1 (фиг.2), что отмечается на индикаторе веса (на фиг.1 не показан) на устье скважины снижением веса колонны штанг 7 (фиг.1). После чего на устье скважины колонну штанг 7 присоединяют к приводу (например, станок-качалка или цепной привод - не показан), который придает колонне штанг 7 с полированным штоком 8 возвратно-поступательное движение, передающееся через толкатель 16 на плунжер 5. При перемещении колонны штанг 7 вверх относительно цилиндра 1 всасывающий клапан 11 перекрывает полость 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 10 (фиг.1) под действием перепада давлений и тормоза 21 открывается - поднимается над седлом 2 цилиндра 1 (фиг.2), и высоковязкая нефть из надплунжерной камеры 6 (фиг.1) через радиальные каналы 29 ограничителя 13 хода поступает в колонну труб 4. Во время своего подъема нагнетательный клапан 10 упирается ограничителем 13 хода в верхний край 29 кольцевого расширения 19 и останавливается, преодолевая усилие тормоза 21, в то время как колонна штанг 7 перемещается вверх. При перемещении колонны штанг 7 вниз относительно цилиндра 1 (фиг.2) нагнетательный клапан 10 (фиг.1) под действием тормоза 21 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 11 (фиг.2) перемещается вниз вместе с толкателем 16 и плунжером 3. Затем под действием создаваемого разряжения в надплунжерной камере 6 плунжер 5 останавливается, а всасывающий клапан 11 с колонной штанг 7 перемещается вниз и принудительно открывает полость плунжера 5, сообщая надплунжерную камеру 6 с внутрискважинным пространством 12. После чего наружный выступ 18 толкателя 16 упирается в нижнюю насадку 15 плунжера 5 и перемещает его с колонной штанг 7 (фиг.1) вниз относительно цилиндра 1 (фиг.2). Высоковязкая нефть через полость плунжера 5 снизу цилиндра 1 перетекает в надплунжерную камеру 6 (например: по продольным выборкам 30 толкателя 16), заполняя ее. Далее возвратно-поступательное перемещение колонны штанг 7 (фиг.1) продолжается. В результате высоковязкая нефть по колонне труб 4 поднимается на поверхность (не показана). Цанга 13 ограничителя хода центрирует расположение клапана 10 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 10 и 11 (фиг.2) возможность их выхода из строя (не герметичного закрывания или не открывания 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 (фиг.1), 10 (фиг.2) и/или цанги 13 (фиг.1) ограничителя хода) или при плановом обслуживании насоса из скважины извлекают на колоне штанг 7 плунжер 5 (фиг.2) с толкателем 16 и клапанами 11 и 10 (фиг.1), преодолевая усилие сжатия цанги 13 ограничителя хода для выхода его из кольцевого расширения 19 при помощи муфты 17 (фиг.2), упирающегося в клапан 10 (фиг.1) 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.

Из-за того, что плунжер 5 (фиг.2) сверху и снизу оснащен съемными соответственно верхней 14 и нижней 15 насадками меньшего соответствующего внутреннего диаметра d1 и d2, чем внутренний диаметр d плунжера 5, по которым производится центрирование и скольжение при возвратно поступательном перемещении толкателя 16 в плунжере 4, то при перекачке высоковязкой нефти, уменьшились сила трения и время закрытия и открытия клапана 11, это привело к повышению КПД насоса.

Плунжер 5 (фиг.2) оснащен верхней 14 и нижней 15 съемными насадками (например: на резьбе), а толкатель 16 - съемным клапаном 11 (соединенными, например, резьбой), которые при выходе из строя быстро меняются и просты в изготовлении сделало боле простым обслуживание предлагаемого 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.

Claims (1)

1. 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 с верхней и нижней насадками меньшего внутреннего диаметра, чем внутренний диаметр плунжера, всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанг и вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения, ограниченного сверху наружным выступом толкателя, расположенным внутри плунжера и выполненным с возможностью взаимодействия с нижней насадкой при перемещении вниз, а снизу - всасывающим клапаном, перекрывающим полость плунжера при перемещении вверх, в цилиндре ниже седла выполнено кольцевое расширение под ограничитель хода, выполненного в виде подпружиненной наружу цанги и снизу жестко соединенным с нагнетательным клапаном, изнутри снабженным тормозом, взаимодействующим с колонной штанг с усилием, не превосходящим усилие сжатия ограничителя хода.