Скважинная насосная установка с гидравлическим приводом плунжера
Скважинная насосная установка с гидравлическим приводом плунжера, представленная принципиальной схемой, содержит колонну насосно-компрессорных труб, муфту перекрестного течения, две плунжерные пары разного диаметра, соединенные между собой полым штоком. К муфте перекрестного течения параллельно верхнему цилиндру насоса подсоединен кожух для создания канала высокого давления жидкости.
Верхняя плунжерная пара совместно с клапанами всасывания и нагнетания представляет скважинный насос. Нижняя плунжерная пара играет роль щелевого уплотнения. Силовая часть установки представлена насосом с предохранительным клапаном, помещенным в емкости, распределителем потока жидкости, сливной и напорной линиями.
Силовой насос является приводом скважинного насоса через подаваемую рабочую жидкость, осуществляя его действие через столб жидкости в внутритрубном пространстве насосно-компрессорных труб.
Новизной в конструкции является наличие разрядного отверстия и управляющего клапана, который циклически сообщает и разобщает область высокого давления жидкости с затрубным низким давлением, причем действие управляющего клапана конструктивно связано с движением плунжеров, технологически обусловленным работой золотникового клапана, действующего от изменения давления в нагнетательной линии.
Технологический эффект заключается в уменьшении металлоемкости установки, повышении объемного коэффициента полезного действия и надежности в работе.
Скважинная насосная установка относится к области нефтяного машиностроения и предназначена для эксплуатации наклонно-направленных скважин, преимущественно при добыче высоковязкой нефти.
Целью разработки полезной модели является отказ от дополнительного груза, имеющих место в аналоге и прототипе, для обеспечения возвратного движения плунжеров и связанное с этим уменьшение давления нагнетания рабочего насоса, способствующего повышению коэффициента полезного действия и надежности насосной установки.
Поставленная цель достигается тем, что нагнетательный канал снабжен золотниковым клапаном, действие которого обусловлено циклическими упругими деформациями подъемной и нагнетательной колонн; кожух снабжен разрядным отверстием и управляющим клапаном, который циклически открывает и закрывает разрядное отверстие, сообщающее область высокого давления жидкости с затрубным низким давлением; действие управляющего клапана конструктивно связано с движением плунжеров, технологически обусловленным работой золотникового клапана.
Известна скважинная гидроштанговая установка [1], состоящая из погружного агрегата, установленного в подъемных трубах и включающая два цилиндра разных диаметров и два плунжера, связанных полым штоком и установленных в цилиндрах с образованием межплунжерного пространства в полости подъемных труб. Привод плунжеров вверх и вниз от давления жидкости, создаваемого силовым насосом, расположенным на поверхности земли около устья скважины и подключенным к кольцевому пространству
двух колонн насосно-компрессорных труб, вниз - комбинированный, от гидравлического нагружения и от веса груза.
Недостатком данной установки является колебания столба жидкости в скважине, способствующие образованию нефтяной эмульсии в подъемной колонне, и низкий объемный к.п.д. ввиду использования гидравлического нагружения и дополнительного груза для обеспечения хода плунжеров вниз.
Прототипом предлагаемой полезной модели служит гидроштанговая скважинная насосная установка [2], содержащая колонну насосно-компрессорных труб, муфту перекрестного течения с присоединенным к ней насосным цилиндром и кожухом. К кожуху последовательно присоединен насосный цилиндр, и пакер. В насосных цилиндрах размещены плунжеры, связанные между собой полым штоком. Нижний плунжер снабжен грузом, имеющим назначение обеспечивать движение плунжерного узла вниз. Верхний плунжер снабжен всасывающим клапаном, который расположен на его верхнем конце. Муфта перекрестного течения снабжена каналами для рабочей жидкости и нагнетательной для добываемой продукции, в которой помещен нагнетательный клапан, после которых продукция скважины по затрубному пространству поступает в выкидную линию системы сбора. Недостатком данной установки является необходимость создания больших давлений рабочей жидкости для обеспечения хода нагнетания насоса, обусловленное одновременным подъемом и добываемой продукции, и дополнительного груза, что приводит к снижению к.п.д. установки и надежность оборудования.
Компоновка скважинной насосной установки с гидравлическим приводом плунжера, которая нами предлагается в качестве полезной модели, содержит колонну насосно-компрессорных труб 1, муфту перекрестного течения 2, подсоединенные к ней параллельно насосный цилиндр 3 и кожух 4. К кожуху присоединен нижний насосный цилиндр 5. В насосных цилиндрах размещены плунжеры 6 и 7, соединенные между собой полым штоком 8. Верхний плунжер снабжен всасывающим клапаном 9, который
расположен на его верхнем конце. Муфта перекрестного течения снабжена каналами для рабочей жидкости 10 и нагнетательным каналом 11 для добываемой продукции, в котором помещен нагнетательный клапан 12. Продукция скважины, нагнетаемая плунжером 6, проходя по нагнетательному каналу 11 и межтрубному пространству колонн 1 и 18, поступает в выкидную линию 13 системы сбора. Для осуществления хода всасывания насоса (ход плунжеров вниз) кожух снабжен управляющим клапаном 14, действие которого конструктивно обусловлено движением плунжеров, и который через переливной канал 15 и разрядное отверстие 16 циклически сообщает область высокого давления с затрубным низким давлением и осуществляет стравливание давления. Причем открытие отверстия происходит после перекрытия канала 10 в муфте перекрестного течения золотниковым клапаном 17, присоединенным к нагнетательной колонне 18 и посаженным со скользящей посадкой в цилиндре 19. Перекрытие канала 10 связано с сокращением длины подъемной колонны 1 и удлинением нагнетательной колонны после переключения распределителем потока рабочей жидкости 23 с нагнетательной 24 в сливную линию 25.
Гидравлический привод установки представлен силовым насосом 20 с предохранительным клапаном 21, помещенным в емкости 22, распределителем потока жидкости 23, напорной 24 и сливной 25 линиями.
Установка работает следующим образом. Силовой насос 20 под избыточным давлением подает рабочую жидкость в нагнетательную колонну 18, которая, проходя через канал 10 в кольцевое пространство между насосным цилиндром 3 и кожухом 4, действует снизу вверх на кольцевое сечение плунжера 6, представляющую разность площадей сечения плунжеров 6 и 7 по наружному диаметру. По достижению достаточного усилия плунжеры начинают двигаться вверх, при котором происходит нагнетание добываемой продукции в межтрубное пространство, далее - в выкидную линию 13 системы сбора. Перед тем, как достичь своего верхнего положения, плунжер 7 верхним концом приподнимает управляющий клапан
14, который приводит к открытию разрядного отверстия 16, сообщив область высокого давления с затрубным пространством, где давление жидкости, несомненно, ниже. Происходит разрядка давления, действующего на кольцевое сечение верхнего плунжера, что обеспечивает условия для хода плунжеров вниз.
Подача силового насоса 20 переключается на другие скважины. Распределитель 23, гидродинамически связанный с нагнетательной линией, сообщает напорную линию со сливной. При этом происходит разрядка давления в нагнетательной колонне до статического давления столба жидкости. В варианте группового гидравлического привода скважинного насоса (фигура 2) силовой насос рабочую жидкость непрерывно подает только в ресивер, давление которой используется для привода скважинных насосов, используя переключатель.
Снижение давления в нагнетательной колонне приводит к упругому сокращению подъемной колонны труб 1 и к удлинению нагнетательной колонны 18, в результате чего нижний конец нагнетательной колонны перемещается навстречу к уплотнительному цилиндру, золотниковый клапан погружается в него и перекрывает канал 10. После стравливания давления из внутренней полости насосно-компрессорных труб плунжерный узел под действием собственного веса (при необходимости можно подвесить одну насосно-компрессорную трубу) начинает перемещаться вниз. При этом открывается всасывающий клапан 9 и закрывается нагнетательный клапан 12. В рабочую камеру насоса начинает поступать продукция скважины. Нижнее положение плунжерной группы заканчивается посадкой плунжера 6 на управляющий клапан 14 и закрытием отверстия 16. При возобновлении подачи насоса 20 в нагнетательную линию 24 цикл повторяются.
Технологический эффект заключается в уменьшении металлоемкости установки, увеличении объемного коэффициента полезного действия и надежности в работе, что достигается за счет устранения от колонны насосно-компрессорных труб в качестве груза для осуществления хода вниз.
Пример. Выбрать силовой насос по производительности и по напору, электродвигатель по мощности при следующих исходных данных: D=56 мм, d=44 мм, дебит скважины по жидкости Qc=50 м 3/сут, устьевое давление ру=1,0 МПа, гидростатическое давление столба рабочей жидкости р с=12 МПа, подъемная колонна из НКТ 73 мм, глубина спуска насоса L=1500 м. Гидравлическими потерями пренебрегаем.
Решение. 1. Кольцевое сечение верхнего плунжера, на которое действует давление рабочей жидкости
2. Подача силового насоса
3. Давление, создаваемое силовым насосом для подъема жидкости
3. Необходимая мощность электродвигателя при кпд 
=0,5
4. Упругое удлинение (и сокращение соответственно) подъемной колонны 
lпод и нагнетательной колонны lнаг
5. Суммарное удлинение составит l=lпод+lнаг=0,13+0,12=0,25 м.
Литература
1. Патент (SU) №2107188. Скважинная гидронасосная установка /Опубл. 20.03.1998.
2. Патент на полезную модель №59164. Гидроштанговая скважинная насосная установка. /Опубл. 10.12.2006. Бюл. №34.
Позиции
1 - колонна насосно-компрессорных труб;
2 - муфта перекрестного течения;
3 - цилиндр насосный верхний;
4 - кожух насосного агрегата;
5 - цилиндр насосный нижний;
6 - плунжер верхний;
7 - плунжер нижний;
8 - соединительный полый шток;
9 - всасывающий клапан;
10 - канал для рабочей жидкости;
11 - нагнетательный канал;
12 - нагнетательный клапан;
13 - выкидная линия в систему сбора;
14 - управляющий клапан;
15 - канал перливной;
16 - отверстие разрядное;
17 - клапан золотниковый;
18 - нагнетательная колонна;
19 - цилиндр уплотнительный;
20 - силовой насос;
21 - клапан предохранительный;
22 - емкость для рабочей жидкости;
23 - распределитель;
24 - напорная линия;
25 - сливная линия.
1. Скважинная насосная установка с гидравлическим приводом плунжера, включающая подъемную и нагнетательную колонны из насосно-компрессорных труб, двухступенчатый скважинный насос, подсоединенный к подъемной колонне труб посредством муфты перекрестного течения, имеющей каналы для добываемой продукции и для рабочей жидкости, кожух, образующий с верхним цилиндром канал для подачи рабочей жидкости на кольцевое сечение плунжеров, гидравлический привод, подключенный к нагнетательной линии насосной установки, отличающаяся тем, что нагнетательный канал снабжен золотниковым клапаном, действие которого обусловлено циклическими упругими деформациями подъемной и нагнетательной колонн.
2. Установка по п 1, отличающаяся тем, что кожух снабжен разрядным отверстием и управляющим клапаном, который циклически открывает и закрывает разрядное отверстие, сообщающее область высокого давления жидкости с затрубным низким давлением.
3. Установка по п 1, отличающаяся тем, что действие управляющего клапана конструктивно связано с движением плунжеров, технологически обусловленным работой золотникового клапана.
