RU2140571C1

RU2140571C1 - Oil-well sucker-rod pump

Info

Publication number: RU2140571C1
Application number: RU98122657A
Authority: RU
Inventors: В.А. Шуринов; С.И. Пыхов; А.М. Козловский; А.В. Беззубов
Original assignee: Открытое акционерное общество "УралЛУКтрубмаш"
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: oil industry. SUBSTANCE: device has cylinder, plunger with branch pipe communicating with outer surface of plunger. Rod is coupled with plunger by means of piston pump through its cylinder, piston and rod. Suction space of piston pump has filter-moisture separator, and delivery space is connected with branch pipe. EFFECT: increased service life of pump owing to improved lubrication of plunger pair. 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности, к конструкциям штанговых насосов для добычи нефти из скважин. The invention relates to oil production, in particular, to designs of sucker rod pumps for oil production from wells.

Известен скважинный штанговый насос, в котором на плунжере или цилиндре выполнены кольцевые канавки для сбора песка при откачке нефтесодержащих смесей из скважин с пескопроявлениями (а.с. СССР N 587268, F 04 B 7/00, БИ N 1, 1978). A well-known sucker-rod pump, in which annular grooves are made on the plunger or cylinder for collecting sand when pumping oil-containing mixtures from wells with sand occurrences (AS USSR N 587268, F 04 B 7/00, BI N 1, 1978).

Известен также скважинный штанговый насос, в котором плунжер имеет острую верхнюю кромку, и на нем установлено инжекционное устройство в виде сопла, смесительной камеры и диффузора (а.с. СССР N 675203, F 04 B 47/00, БИ N 27, 1979), что позволяет уменьшить вероятность попадания песка в зазор плунжер-цилиндр и тем самым повышает долговечность насоса. A well sucker-rod pump is also known, in which the plunger has a sharp upper edge, and an injection device in the form of a nozzle, a mixing chamber and a diffuser is installed on it (A.S. USSR N 675203, F 04 B 47/00, BI N 27, 1979) , which reduces the likelihood of sand falling into the gap of the plunger-cylinder and thereby increases the durability of the pump.

Недостатком указанных технических решений является то, что они не устраняют попадание песка в зазор цилиндр-плунжер, что приводит к повышенному износу трущейся пары, снижает ресурс насоса и является причиной заклинивания плунжерной пары. The disadvantage of these technical solutions is that they do not eliminate the ingress of sand into the gap of the cylinder-plunger, which leads to increased wear of the rubbing pair, reduces the resource of the pump and is the cause of jamming of the plunger pair.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, полый плунжер с вращателем потока жидкости, всасывающий и нагнетательный клапаны, при этом нижний конец полого плунжера снабжен соединенной с ним трубкой, а вращатель потока жидкости выполнен в виде шнека, неподвижно установленного в трубке, которая со стороны ее соединения с плунжером имеет патрубок, сообщенный с полостью трубки и наружной поверхностью плунжера (А.с. СССР N 909298, F 04 B 47/00, Б.И. N 8, 1982). The closest technical solution, selected as a prototype, is a borehole sucker rod pump containing a cylinder, a hollow plunger with a fluid flow rotator, suction and discharge valves, while the lower end of the hollow plunger is equipped with a pipe connected to it, and the fluid flow rotator is made in the form of a screw fixedly installed in the tube, which on the side of its connection with the plunger has a nozzle in communication with the tube cavity and the outer surface of the plunger (A.S. USSR N 909298, F 04 B 47/00, B.I. N 8, 1982).

Данная конструкция плунжерной пары позволяет улучшить условия смазки трущейся пары плунжер-цилиндр за счет принудительной подачи в ее зазор по патрубку относительно очищенной и обезвоженной вращателем потока нефти. This design of the plunger pair makes it possible to improve the lubrication conditions of the rubbing pair of the plunger-cylinder due to the forced supply of oil that is relatively clean and dehydrated by the rotator into its gap through the nozzle.

Недостатком конструкции является недостаточная низкая степень очистки нефтесодержащей смеси шнековым вращателем потока от мелких абразивных частиц, что не обеспечивает ее достаточной смазывающей способности. Кроме того, подача смазывающей жидкости через патрубок без приложения повышенного давления не обеспечивает поступления в зазор трущейся пары достаточного количества очищенной смазочной жидкости и лишь несколько улучшает условия смазки, не исключая заклинивания из-за попадания в зазор абразивного материала. The design drawback is the insufficient low degree of purification of the oil-containing mixture by the screw rotator of the stream from small abrasive particles, which does not provide its sufficient lubricity. In addition, the supply of lubricating fluid through the pipe without the application of increased pressure does not ensure that a sufficient amount of purified lubricating fluid enters the gap of the friction pair and only slightly improves the lubrication conditions, not excluding jamming due to abrasive material entering the gap.

Таким образом, известное техническое решение обеспечивает очистку лишь незначительной части поступающей на смазку плунжерной пары жидкости и не препятствует попаданию в зазор фракций песка и воды, что приводит к повышенному износу и заклиниваниям. Thus, the known technical solution provides the cleaning of only a small part of the fluid entering the lubricant of the plunger pair and does not prevent sand and water fractions from entering the gap, which leads to increased wear and jamming.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении срока службы штангового насоса за счет улучшения условий смазки плунжерной пары. The technical problem solved by the invention is to increase the service life of the sucker rod pump by improving the lubrication conditions of the plunger pair.

Поставленная задача решается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, плунжер со штангой, снабженный патрубком, сообщенным с наружной поверхностью плунжера, согласно изобретению, штанга связана с плунжером при помощи поршневого насоса посредством его цилиндра, поршня и штока, при этом всасывающая полость поршневого насоса снабжена фильтром - влагоотделителем, а нагнетательная полость соединена с патрубком. The problem is solved due to the fact that in the downhole sucker rod pump containing a cylinder, a plunger with a rod provided with a pipe connected to the outer surface of the plunger, according to the invention, the rod is connected to the plunger by means of a piston pump through its cylinder, piston and rod, while the suction cavity of the piston pump is equipped with a filter - a water separator, and the discharge cavity is connected to the nozzle.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема предлагаемого насоса, а на фиг. 2 показан вариант выполнения манжетного плунжера. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of the proposed pump, and in FIG. 2 shows an embodiment of a cuff plunger.

Скважинный штанговый насос содержит (фиг. 1) цилиндр 1, плунжер 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, приемный фильтр 5, штангу 6, цилиндр 7, поршень 8 и шток 9 поршневого насоса, клапан 10 поршневого насоса, дроссельный канал 11, патрубок 12, фильтр тонкой очистки и влагоотделитель 13 поршневого насоса и замок насоса 14. The downhole sucker rod pump contains (Fig. 1) a cylinder 1, a plunger 2, a suction 3 and a discharge 4 valves, a intake filter 5, a rod 6, a cylinder 7, a piston 8 and a piston pump rod 9, a piston pump valve 10, a throttle channel 11, a pipe 12, a fine filter and a water separator 13 of the piston pump and a pump lock 14.

При выполнении плунжера 2, например, манжетным (фиг. 2), он содержит уплотнительные манжеты 15 и отводы 16 патрубка 12. When performing the plunger 2, for example, cuff (Fig. 2), it contains sealing cuffs 15 and bends 16 of the pipe 12.

Насос работает следующим образом. Под воздействием усилия, передаваемого от качалки насоса через штангу 6, плунжер 2 перемещается снизу-вверх и сверху-вниз в канале цилиндра 1 и, взаимодействуя с клапанами 3 и 4, осуществляет откачку нефтесодержащей жидкости через приемный фильтр 5. Конец штанги 6 жестко соединен с цилиндром 7 поршневого насоса, поршень 8 которого посредством полого штока 9 жестко связан с плунжером 2 штангового насоса. Полость штока 9 соединена с патрубком 12, сообщенным с кольцевой проточкой на наружной поверхности плунжера. Всасывающая полость поршневого насоса через фильтр тонкой очистки и влагоотделитель 13 соединена с надплунжерным пространством. При движении штанги 6 штангового насоса "вниз" поршень 8 поршневого насоса перемещается вверх и жидкость через канал 11 и клапан 10 перетекает под поршень, при этом плунжер также перемещается "вниз" и занимает крайнее нижнее положение. При движении штанги 6 вверх клапан 10 закрывается, давление под поршнем 8 повышается и очищенная от воды и абразивных частиц жидкость под давлением через канал в штоке 9 и патрубок 12 подается через кольцевую проточку на наружную поверхность плунжера 2. Одновременно новая порция жидкости засасывается в надпоршневую полость поршневого насоса, предварительно пройдя влагоотделитель и фильтр тонкой очистки 13. Рабочее сечение цилиндра поршневого насоса выбирается на 10 - 30% меньше рабочего сечения цилиндра штангового насоса, что обеспечивает избыточное давление в нагнетательном патрубке 12 по сравнению с давлением в надплунжерной зоне. Поэтому поток очищенной смазочной жидкости истекает по зазору плунжер-цилиндр по короткому пути вверх в надплунжерную зону высокого давления и по длинному пути вниз - в подплунжерную зону пониженного давления. Тем самым исключается попадание частиц песка из перекачиваемой жидкости в зазор трущейся пары цилиндр-плунжер. При рабочих давлениях штангового насоса 8,0 - 15,0 МПа и более избыточное давление составляет 1,0 - 3,0 мПа, что достаточно для обеспечения надежной смазки и недопущения попадания неочищенной перекачиваемой среды в зазор цилиндр-плунжер. Величина рабочего хода поршневого насоса, равная 3 - 10% хода плунжера выбрана из следующих соображений:
- дополнительный ход штанги на перемещение поршня насоса не должен существенно сказываться на режиме перемещения плунжера штангового насоса, что выполняется при рабочем ходе поршня, не превышающем 10% хода плунжера;
- вытесняемый поршневым насосом объем жидкости должен быть достаточным для смазки плунжера в течение всего рабочего хода плунжера.The pump operates as follows. Under the influence of the force transmitted from the pump rocker through the rod 6, the plunger 2 moves from bottom to top and top to bottom in the channel of the cylinder 1 and, interacting with valves 3 and 4, pumps the oily liquid through the intake filter 5. The end of the rod 6 is rigidly connected to a cylinder 7 of a piston pump, a piston 8 of which, by means of a hollow rod 9, is rigidly connected to a plunger 2 of a rod pump. The cavity of the rod 9 is connected to the pipe 12, in communication with the annular groove on the outer surface of the plunger. The suction cavity of the piston pump through the fine filter and dehumidifier 13 is connected to the plunger space. When the rod 6 of the sucker rod pump moves “down”, the piston of the piston pump 8 moves up and the fluid flows through the channel 11 and the valve 10 flows under the piston, while the plunger also moves “down” and takes its lowest position. When the rod 6 moves upward, the valve 10 closes, the pressure under the piston 8 rises, and the liquid purified from water and abrasive particles is pressurized through the channel in the rod 9 and the nozzle 12 through an annular groove to the outer surface of the plunger 2. At the same time, a new portion of the liquid is sucked into the over-piston cavity piston pump, having previously passed the water separator and fine filter 13. The working section of the cylinder of the piston pump is selected 10 - 30% less than the working section of the cylinder of the sucker pump, which provides The exact pressure in the discharge pipe 12 compared with the pressure in the above-plunger area. Therefore, the flow of purified lubricating fluid flows through the clearance of the plunger-cylinder in a short way up to the plunger high pressure zone and along a long way down to the plunger low pressure zone. This eliminates the ingress of sand particles from the pumped liquid into the gap of the rubbing cylinder-plunger pair. At operating pressures of the sucker rod pump of 8.0 - 15.0 MPa and more, the overpressure is 1.0 - 3.0 MPa, which is sufficient to ensure reliable lubrication and to prevent untreated pumped medium from entering the cylinder-plunger gap. The magnitude of the stroke of the piston pump, equal to 3 - 10% of the stroke of the plunger is selected from the following considerations:
- the additional stroke of the rod on the movement of the piston of the pump should not significantly affect the mode of movement of the plunger of the rod pump, which is performed when the stroke of the piston does not exceed 10% of the stroke of the plunger;
- the volume of fluid displaced by the piston pump must be sufficient to lubricate the plunger during the entire stroke of the plunger.

Обычные утечки жидкости через зазор плунжер-цилиндр при первой, второй группах посадки не превышают 1 - 5% от объема перекачиваемого продукта, поэтому выбранный диапазон рабочего хода, равный 3 - 10% хода плунжера, обеспечивает компенсацию утечки смазочной жидкости в течение рабочего хода плунжера. Typical fluid leaks through the clearance of the plunger-cylinder during the first and second landing groups do not exceed 1 - 5% of the pumped product volume, therefore, the selected stroke range of 3 - 10% of the plunger stroke compensates for the leakage of lubricant during the plunger stroke.

При выполнении плунжера 2 (фиг. 2) с манжетными уплотнениями 15 патрубок 12 выполнен с тремя отводами 16, подающими очищенную смазку в кольцевые канавки перед уплотнениями и между ними. Тем самым обеспечивается работа уплотнительных манжет в среде, не содержащей абразивных частиц, что резко повышает ресурс работы манжет, а следовательно, и насоса в целом. When performing the plunger 2 (Fig. 2) with lip seals 15, the nozzle 12 is made with three outlets 16, which supply purified lubricant to the annular grooves in front of the seals and between them. This ensures the operation of the sealing cuffs in an environment that does not contain abrasive particles, which dramatically increases the service life of the cuffs, and therefore the pump as a whole.

Использование предлагаемого технического решения приводит к существенному улучшению условий смазки трущейся пары цилиндр-плунжер за счет подачи в ее зазор под избыточным давлением 1,0 - 3,0 мПа части очищенной от частиц песка, газа и влаги перекачиваемой жидкости, выполняющей функцию смазки. Тем самым исключается абразивный износ, увеличивается срок службы трущейся пары, расширяется область применения манжетных плунжеров и резко повышается их стойкость, снижаются требования к твердости и износоустойчивости трущейся пары, тем самым упрощается и удешевляется технология изготовления плунжерных пар. The use of the proposed technical solution leads to a significant improvement in the lubrication conditions of the rubbing cylinder-plunger pair due to the supply of 1.0 - 3.0 MPa of the pumped liquid, which is free from particles of sand, gas and moisture, to the gap under pressure, acting as a lubricant. This eliminates abrasive wear, extends the service life of the rubbing pair, expands the scope of application of cuff plungers and sharply increases their resistance, reduces the requirements for hardness and wear resistance of the friction pair, thereby simplifying and cheapening the technology of manufacturing plunger couples.

Очевидно, что приведенная в описании конструкция поршневого насоса, служащего для подачи очищенной смазки к поверхностям трения плунжер - цилиндр, может быть выполнена и по известной двухтактной схеме, в которой смазочная жидкость подается под давлением как при движении плунжера вверх, так и при его движении вниз. It is obvious that the design of the piston pump described in the description, which serves to supply the cleaned lubricant to the plunger-cylinder friction surfaces, can be performed according to the well-known push-pull scheme, in which the lubricant is supplied under pressure both when the plunger moves up and when it moves down .

В качестве примера рассмотрим реализацию заявляемого технического решения на базе вставного штангового насоса НВ1Б-44, диаметр рабочего сечения которого равен 44 мм. Плунжер насоса имеет пять кольцевых проточек. Группа посадки насоса - первая при радиальном зазоре плунжерной пары 0,04 - 0,05 мм. Смазка по патрубку подается в верхнюю проточку на расстоянии 150 мм от торца плунжера. Для обеспечения устойчивого потока смазки в зазоре в направлении движения плунжера необходимое давление нагнетания смазочной жидкости принято на 30% выше давления в надплунжерной зоне. Отсюда, рабочая площадь штоковой полости поршня составляет
F_п = 0,7 F_н,
где F_н - рабочее сечение штангового насоса, мм².As an example, we consider the implementation of the claimed technical solution based on the plug-in sucker-rod pump НВ1Б-44, whose working diameter is 44 mm. The pump plunger has five annular grooves. The pump landing group is the first with a radial clearance of the plunger pair of 0.04 - 0.05 mm. Lubrication through the nozzle is fed into the upper groove at a distance of 150 mm from the end of the plunger. To ensure a steady flow of lubricant in the gap in the direction of movement of the plunger, the required discharge pressure of the lubricating fluid is taken to be 30% higher than the pressure in the superplunger zone. From here, the working area of the piston rod cavity is
F _p = 0.7 F _n ,
where F _n - working section of the sucker rod pump, mm ² .

Принимая сечение штока равным 30% сечения поршня, а диаметр штанги 20 мм, после вычислений получим рабочий диаметр поршневого насоса
D_н = 39 мм.Assuming the rod cross section to be 30% of the piston section and the rod diameter to 20 mm, after calculations we get the working diameter of the piston pump
D _n = 39 mm.

Пабочий ход поршневого насоса определим из условия объема истекающей через зазор плунжер-цилиндр смазочной жидкости. Как показывает практика, утечка жидкости через зазор цилиндр - плунжер, как правило, не превышает 1-2% от подачи насоса. Для компенсации утечек рабочий объем штоковой полости должен превышать величину суммарных утечек за один цикл. The working stroke of the piston pump is determined from the condition of the volume of the lubricant flowing out through the clearance of the plunger-cylinder. As practice shows, fluid leakage through the clearance of the cylinder - plunger, as a rule, does not exceed 1-2% of the pump flow. To compensate for leaks, the working volume of the rod cavity must exceed the total leakage per cycle.

Исходя из сказанного, получим

где S_o - рабочий ход плунжера, мм,
S_н - рабочий ход поршневого насоса, мм.Based on the foregoing, we obtain

where S _o - stroke of the plunger, mm,
S _n - stroke of the piston pump, mm

Для рассматриваемого случая при средней величине рабочего хода плунжера S_o = 1800, получим
S_н ≥ 51,4 мм.For the case under consideration, with an average value of the plunger stroke S _o = 1800, we obtain
S _n ≥ 51.4 mm.

Принимаем S_н = 100 мм. Очевидно, что дополнительный ход полированного штока, необходимый для обеспечения работы поршневого насоса, практически не оказывает влияния на условия работы станка-качалки.Take S _n = 100 mm. Obviously, the additional stroke of the polished rod, necessary to ensure the operation of the piston pump, practically does not affect the operating conditions of the pumping unit.

Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет существенно улучшить условия работы плунжерной пары штангового насоса, что особенно важно для скважин с повышенными пескопроявлениями, большим содержанием воды и газы, т.е. там, где применяют специальные насосы, предназначенные для работы в тяжелых условиях. Следует отметить, что использование предлагаемого насоса на практике не требует каких-либо изменений в устьевом оборудовании. Thus, the use of the proposed technical solution can significantly improve the working conditions of the plunger pair of the sucker rod pump, which is especially important for wells with high sand, high water and gas content, i.e. where special pumps are used, designed to operate in harsh conditions. It should be noted that the use of the proposed pump in practice does not require any changes in the wellhead equipment.

Claims

A downhole sucker rod pump comprising a cylinder, a plunger with a rod, provided with a nozzle in communication with the outer surface of the plunger, characterized in that the rod is connected to the plunger by means of a piston pump through its cylinder, piston and rod, while the suction surface of the piston pump is equipped with a filter-dehumidifier and the discharge cavity is connected to the pipe.