RU2669723C1

RU2669723C1 - Oil well pump

Info

Publication number: RU2669723C1
Application number: RU2018100968A
Authority: RU
Inventors: Пётр Олегович Александров; Александр Михайлович Рутковский
Original assignee: Пётр Олегович Александров; Александр Михайлович Рутковский
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-10-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of hydraulic engineering, in particular to downhole sucker rod pumps intended for the production of fluids from wells, and can be used in the oil and gas industry. Compression split rings 1 center the plunger in the cylinder and create a hydraulic seal. Each ring 1 has no dependence on the neighboring ring and is located in its annular groove formed when assembling the end seals on the cylinder, with a gap allowing free compression of ring 1. At the force of pressing ring 1 against the walls of the cylinder being compressed, an effort is created, determined only by the elasticity of the material of the ring. End stops 2 are made smaller in diameter than the diameter of the cylinder to be sealed, that allows them to move freely with a large deviation from the straightness of the cylinder to be sealed.EFFECT: prevents the jamming of the pistons, reducing friction and increasing the time between failures of the plunger-cylinder pair, that ensures an effective sealing of the plunger-cylinder pair during a long period of well operation; besides it is simplified the design of the pump plunger and reduces the laboriousness of its manufacture.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к скважинным штанговым насосам, предназначенным для добычи жидкости из скважин, и может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли. Скважинный штанговый насос содержит цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый сборный плунжер состоящий из разрезных компрессионных колец и торцевых ограничителей колец.The invention relates to the field of hydraulic engineering, in particular to borehole sucker-rod pumps designed to produce fluid from wells, and can be used in the oil and gas industry. The downhole sucker rod pump comprises a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of a hollow assembly plunger consisting of split compression rings and end ring limiters.

Одной из важных причин выхода из строя скважинного штангового насоса является износ пары цилиндр-плунжер.One of the important reasons for the failure of a downhole sucker rod pump is the wear of a cylinder-plunger pair.

Известен скважинный штанговый насос, включающий плунжер, представляющий собой трубу с наружной рабочей поверхностью, имеющей износостойкое хромовое покрытие или нанесенный износостойкий порошок, а также выполненные на части наружной поверхности плунжера кольцевые канавки, см. каталог «Скважинные штанговые насосы для добычи нефти», М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988, стр. 31.A well-known sucker-rod pump, comprising a plunger, which is a pipe with an external working surface having a wear-resistant chrome coating or applied wear-resistant powder, as well as ring grooves made on the part of the outer surface of the plunger, see the catalog "Well sucker rod pumps for oil production", M. , TSINTIHIMNEFTEMASH, 1988, p. 31.

При прохождении откачиваемой жидкости наружная поверхность плунжера выполняет функцию обеспечения герметичности пары плунжер-цилиндр, кольцевые канавки выполняют функцию аккумулирования части находящихся в откачиваемой жидкости механических примесей. Недостатком данного устройства является то, что кольцевые канавки быстро заполняются примесями и создают на некоторой части плунжера поверхность с высокой твердостью, что приводит к ужесточению процесса изнашивания цилиндра насоса.With the passage of the pumped liquid, the outer surface of the plunger performs the function of ensuring the tightness of the plunger-cylinder pair, the annular grooves perform the function of accumulating a part of the mechanical impurities in the pumped liquid. The disadvantage of this device is that the annular grooves are quickly filled with impurities and create a surface with high hardness on some part of the plunger, which leads to a toughening of the wear process of the pump cylinder.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, расположенный в цилиндре подвижно полый плунжер с выполненными на его боковой поверхности кольцевыми канавками, в которых расположены неразрезные упругие кольца с V-образными выступами на боковых поверхностях, контактирующие с поверхностью цилиндра, см. авторское свидетельство СССР №1610073. При движении полого плунжера вверх под давлением столба откачиваемой жидкости, находящейся над плунжером, упругие уплотнительные кольца раскрываются за счет разжатия V-образного выступа. Недостатком данного устройства является недостаточное уплотнение зазоров между боковыми поверхностями канавок на плунжере и торцами уплотнительных колец, также в зоне V-образного выступа, что приводит к утечке откачиваемой жидкости и снижению производительности насоса.A well-known sucker-rod pump containing a cylinder, a movable hollow plunger located in the cylinder with annular grooves made on its lateral surface, in which continuous elastic rings with V-shaped protrusions are located on the lateral surfaces in contact with the cylinder surface, see USSR copyright certificate No. 1610073 . When the hollow plunger moves upward under the pressure of a column of pumped liquid located above the plunger, the elastic sealing rings open due to the expansion of the V-shaped protrusion. The disadvantage of this device is the lack of sealing of the gaps between the side surfaces of the grooves on the plunger and the ends of the o-rings, also in the area of the V-shaped protrusion, which leads to leakage of the pumped liquid and a decrease in pump performance.

Известен также глубинный нефтяной насос, содержащий цилиндр с подвижно размещенным в нем полым плунжером с цилиндрическими канавками, в которых установлены разрезные уплотнительные элементы из эластичного материала, см. авторское свидетельство СССР №577314. Для компенсации износа уплотнительные кольца выполнены с шипами на верхней торцевой и внутренней цилиндрической поверхностях, прилегающих к стенкам канавки плунжера. Недостатками данного устройства являются утечка жидкости в зазоре между наружной боковой поверхностью колец и уплотняемой поверхностью цилиндра и накопление абразивных частиц в канавке под кольцом, что приводит к попаданию частиц в зазор и абразивному износу цилиндра и уплотнительных колец, что резко сокращает срок эксплуатации насоса в целом.Also known is a deep oil pump containing a cylinder with a hollow plunger movably placed in it with cylindrical grooves in which split sealing elements made of elastic material are installed, see USSR author's certificate No. 577314. To compensate for wear, the sealing rings are made with spikes on the upper end and inner cylindrical surfaces adjacent to the walls of the plunger groove. The disadvantages of this device are fluid leakage in the gap between the outer lateral surface of the rings and the sealing surface of the cylinder and the accumulation of abrasive particles in the groove under the ring, which leads to particles entering the gap and abrasive wear of the cylinder and o-rings, which drastically reduces the life of the pump as a whole.

Известен также скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре подвижно полый плунжер и уплотнительный узел, включающий чередующиеся запорные кольца объемной конфигурации и уплотнительные элементы в виде манжет объемной конфигурации, выполненных из упругопластичного деформируемого давлением нагнетания материала, см. патент РФ №2106530. Уплотнительный элемент имеет в сечении равнобокую трапецию, меньшее основание которой обращено в сторону зазора в паре цилиндр-плунжер и предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а большее основание гидравлически сообщено через радиальный канал со сквозной полостью плунжера.Also known is a well sucker-rod pump containing a cylinder, a movably hollow plunger installed in the cylinder and a sealing assembly including alternating locking rings of volumetric configuration and sealing elements in the form of volumetric cuffs made of elastoplastic deformable by pressure material injection, see RF patent No. 2106530. The sealing element has an equilateral trapezoid in cross section, the smaller base of which faces the gap in the cylinder-plunger pair and is designed to contact the working surface of the pump cylinder, and the larger base is hydraulically communicated through the radial channel with the through cavity of the plunger.

Недостатками данного насоса являются сложность конструкции, что приводит к большим трудозатратам при его изготовлении, и ограничение его применения в скважинах с большим содержанием абразивных частиц, так как зазор между эластичными уплотнительными элементами и уплотняющей поверхностью цилиндра не защищен от попадания туда абразивных частиц из откачиваемой жидкости.The disadvantages of this pump are the complexity of the design, which leads to great labor costs in its manufacture, and the limitation of its use in wells with a high content of abrasive particles, since the gap between the elastic sealing elements and the sealing surface of the cylinder is not protected from the ingress of abrasive particles from the pumped liquid.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, см. патент РФ №2213261. В данном устройстве плунжер выполнен в виде стержня с радиальными каналами, при этом уплотнительные элементы выполнены в виде неразрезных колец из упругопластичного деформируемого материала с сечением в виде равнобокой трапеции. Недостатками данного известного насоса являются, во-первых, сложность конструкции, во-вторых, выполнение уплотнительных элементов из упругопластичного деформируемого материала, которое недолговечно при эксплуатации.A well-known sucker-rod pump containing a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of a plunger with a discharge valve, and a sealing device located between the cylinder and the plunger, see RF patent No. 22213261. In this device, the plunger is made in the form of a rod with radial channels, while the sealing elements are made in the form of continuous rings of elastoplastic deformable material with a section in the form of an isosceles trapezoid. The disadvantages of this known pump are, firstly, the complexity of the design, and secondly, the implementation of the sealing elements from an elastoplastic deformable material, which is short-lived during operation.

Как показывает практика, использование таких материалов в качестве уплотнений оправдано только свойством резины принимать форму ответной части уплотняемого соединения. Для создания герметичного соединения с использованием резинотехнических изделий необходимо изготовление жестких приспособлений для этих элементов, создающих каркас, ограничивающий изменение формы резины во всех направлениях, кроме уплотняемого соединения.As practice shows, the use of such materials as seals is justified only by the property of the rubber to take the form of the mating portion of the joint being sealed. To create a sealed connection using rubber products, it is necessary to manufacture rigid devices for these elements, which create a frame that limits the change in the shape of rubber in all directions except for the sealable connection.

Известен скважинный штанговый насос по патенту РФ №2460902, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, который характеризуется тем, что уплотнительное устройство включает набор разрезных колец, установленных на корпусе плунжера и ограниченных от осевого смещения, при этом плунжер содержит гильзы с поршнями, предназначенные для восприятия силы давления столба жидкости в полости плунжера и передаче усилия на разрезные кольца, ограниченные сверху регулировочной гайкой, момент затяжки которой определяет силу реакции разрезных колец на стенки цилиндра.A well-known sucker-rod pump according to RF patent No. 2460902, comprising a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of a hollow plunger with a discharge valve, and a sealing device located between the cylinder and the plunger, which is characterized in that the sealing device includes a set split rings mounted on the plunger body and limited from axial displacement, while the plunger contains sleeves with pistons designed to absorb pressure column of liquid in the cavity of the plunger and the force transmission on the split ring, bounded above the adjusting nut, the torque reaction force which determines the split rings on the cylinder wall.

Данное техническое решение, как наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению, принято в качестве его прототипа.This technical solution, as the closest in technical essence and the achieved result to the claimed solution, was adopted as its prototype.

Недостатком прототипа является:The disadvantage of the prototype is:

1. Прямая зависимость уплотнения устройства от работы поршней расположенных в плунжере. При увеличенном содержании механических примесей в скважинной жидкости присутствует момент заклинивания поршней для передачи усилия на разрезные кольца1. The direct dependence of the seal of the device on the operation of the pistons located in the plunger. With an increased content of mechanical impurities in the borehole fluid there is a moment of jamming of the pistons to transfer force to the split rings

2. На кольца постоянно действует сила давления для разжатия, что увеличивает силу трения, а так же износ пары цилиндр-плунжер.2. The pressure is constantly acting on the rings to expand, which increases the friction force, as well as the wear of the cylinder-plunger pair.

Задачей изобретения является повышение надежности работы скважинного насоса за счет предотвращения заклинивания поршней, снижение трения и увеличение наработки на отказ пары плунжер-цилиндр.The objective of the invention is to increase the reliability of the borehole pump by preventing jamming of the pistons, reducing friction and increasing the mean time between failures of the plunger-cylinder pair.

Согласно изобретению скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнение, размещенное между цилиндром и плунжером, который характеризуется тем, что уплотнение выполнено в виде совокупности компрессионных разрезных колец и торцевых ограничителей, количество которых выбирают в зависимости от принимаемого уплотнением давления, при этом компрессионные разрезные кольца в несжатом состоянии выполнены с большим диаметром, чем номинальный диаметр цилиндра, и каждое компрессионное разрезное кольцо размещено в кольцевой канавке образующейся при сборке торцевых уплотнений на цилиндр с зазором, обеспечивающим свободное сжатие кольца, а торцевые ограничители выполнены с меньшим диаметром, чем диаметр уплотняемого цилиндра.According to the invention, a sucker rod pump comprising a cylinder with a suction valve, a hollow plunger with a discharge valve, and a seal located between the cylinder and the plunger, which is characterized in that the seal is made in the form of a combination of compression split rings and end limiters, the number of which is selected depending on the pressure received by the seal, while the compression split rings are uncompressed and formed with a larger diameter than the nominal diameter of the cylinder, and each split compression ring arranged in an annular groove formed in the assembly of the mechanical seal on the cylinder with a clearance to allow a free compression ring and the end stops are made with a smaller diameter than the diameter of the sealed cylinder.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в предотвращения заклинивания поршней, снижение трения и увеличение наработки на отказ пары плунжер-цилиндр, что обеспечивает в течение длительного периода эксплуатации скважин эффективное уплотнения пары плунжер-цилиндр. Кроме того обеспечивается упрощение конструкции плунжера насоса и снижение трудоемкости его изготовления.The claimed combination of essential features ensures the achievement of a technical result, which consists in preventing piston jamming, reducing friction and increasing the time between failures of the plunger-cylinder pair, which ensures effective sealing of the plunger-cylinder pair for a long period of well operation. In addition, the simplification of the design of the pump plunger and the reduction of the complexity of its manufacture.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез по уплотнению плунжерного скважинного штангового насоса, на фиг. 2 - узел А в увеличенном масштабе. На чертежах позициями обозначены: 1 - компрессионные разрезные кольца, 2 - торцевой ограничитель, 3 - цилиндр или канал для прохождения жидкости, 4 - контргайки.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a section through a seal of a plunger borehole sucker rod pump, FIG. 2 - node A on an enlarged scale. In the drawings, the positions indicated: 1 - compression split rings, 2 - end stop, 3 - cylinder or channel for the passage of fluid, 4 - locknuts.

Заявленный насос работает следующим образом.The claimed pump operates as follows.

Компрессионные разрезные кольца 1 центруют плунжер в цилиндре и создают гидравлическое уплотнение. Каждое кольцо 1 не имеет зависимости от соседнего и расположено в своей кольцевой канавке, образующейся при сборке торцевых уплотнений на цилиндр, с зазором позволяющим свободному сжатию кольца 1. На усилие прижатия кольца 1 к стенкам уплотняемого цилиндра создается усилие определяемое только упругостью материала кольца.Compression split rings 1 center the plunger in the cylinder and create a hydraulic seal. Each ring 1 is independent of the neighboring one and is located in its annular groove, which is formed during the assembly of mechanical seals on the cylinder, with a gap that allows free compression of the ring 1. The force determined by the pressure of the ring 1 against the walls of the cylinder being sealed is determined only by the elasticity of the ring material.

Торцевые ограничители 2 выполнены меньшим диаметром чем диаметр уплотняемого цилиндра, что позволяет им свободно перемещаться при большом отклонении от прямолинейности уплотняемого цилиндра.End stops 2 are made with a smaller diameter than the diameter of the cylinder being sealed, which allows them to move freely with a large deviation from the straightness of the cylinder being sealed.

Разница диаметра наружного торцевого уплотнения и диаметра цилиндра создают между соседними кольцами 1 дополнительное гидравлическое уплотнение, создаваемое перетоками жидкости.The difference in the diameter of the outer mechanical seal and the diameter of the cylinder creates between the adjacent rings 1 an additional hydraulic seal created by fluid flows.

Существенную роль в заявленном насосе играют сборные кольцевые канавки для колец 1. Известно что на цельных поршнях (плунжерах) в среднем радиальная толщина кольца (разница между внутренним и наружным диаметром) составляет 1/20 от диаметра уплотняемого цилиндра, иначе кольцо сломается от перенапряжения при одевании на плунжер, в то время как в заявленном устройстве показанном радиальную толщину колец 1 можно кратно увеличить в среднем до 1/10 от диаметра уплотняемого цилиндра. Это позволяет увеличить торцевые нагрузки на кольцо 1 при использовании плунжера в условиях высокого содержания мех примесей, а также уменьшить нагревания кольца 1 при трении о стенку уплотняемого цилиндра, т.к масса кольца будет больше.A significant role in the claimed pump is played by prefabricated annular grooves for rings 1. It is known that on solid pistons (plungers) the average radial thickness of the ring (the difference between the inner and outer diameters) is 1/20 of the diameter of the cylinder being sealed, otherwise the ring will break due to overvoltage when dressing on the plunger, while in the inventive device shown, the radial thickness of the rings 1 can be multiplied by an average of up to 1/10 of the diameter of the cylinder being sealed. This allows you to increase the end load on the ring 1 when using the plunger in conditions of high content of impurities, as well as reduce the heating of the ring 1 when rubbing against the wall of the cylinder being sealed, because the mass of the ring will be greater.

Сборка заявленного устройства происходит следующим образомThe assembly of the claimed device is as follows

На цилиндр или канал для прохождения жидкости 3 нанизывается торцевой ограничитель 2, на который нанизывается компрессионное кольцо 1. Сверху компрессионного кольца 1 нанизывается торцевой ограничитель 2 и закрепляется замком с предыдущим ограничителем. Вся конструкция закрепляется контргайками 4.An end stop 2 is strung on a cylinder or channel for the passage of fluid 3, on which a compression ring 1 is strung. An end stop 2 is strung on top of the compression ring 1 and secured with a lock with the previous stop. The whole structure is secured with locknuts 4.

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.The claimed device can be implemented using well-known equipment, technical and technological means.

Claims

A well sucker rod pump comprising a cylinder with a suction valve, a hollow plunger with a discharge valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement, and a seal located between the cylinder and the plunger, characterized in that the seal is made in the form of a set of compression split rings and end stops, number which are selected depending on the pressure received by the seal, while the compression split rings in an uncompressed state are made with a large diameter, h m nominal diameter of the cylinder, and each split compression ring arranged in an annular groove formed in the assembly of the mechanical seal on the cylinder with a clearance to allow a free compression ring and the end stops are made with a smaller diameter than the diameter of the sealed cylinder.