Штанговый глубинный насос

 

Использование: в области нефтедобычи, в частности в штанговых глубинных насосах для откачки жидкостей с большим содержанием абразивных примесей из скважин значительной криволинейности. Сущность изобретения: штанговый глубинный насос содержит цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер с комплектами уплотнений из полимерных уплотнителей и металлических пружинных колец. На наружной поверхности плунжера выполнено углубление, образующее со стенкой цилиндра и с комплектами уплотнений кольцевую камеру для смазочного материала. Каждый комплект уплотнений состоит из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет с уплотнительными губками и двух металлических пружинных колец. Манжеты установлены на полках плунжера, ограничивающих углубление, причем более мягкие манжеты расположены со стороны кольцевой камеры. Поверхность уплотнительных губок, контактирующая с цилиндром, выполнена под углом 6-7^o к последнему. Металлические пружинные кольца установлены с возможностью предохранения манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости. 3 ил.

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к штанговым глубинным насосам, и может быть использовано для откачки жидкости из скважин значительной криволинейности и с большим содержанием абразивных частиц.

Известен скважинный штанговый насос (см. а.с. СССР N 1610073 от 30.11.90 по кл. F 04 B 47/02), содержащий цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер с уплонительными кольцами, установленными на его боковой поверхности.

Недостатком данного насоса является то, что абразивные частицы через щелевой зазор пары плунжер-цилиндр под давлением столба перекачиваемой жидкости внедряются в материал уплотнительных колец, чем создают дополнительную фрикцию, а это приводит к быстрому износу пары плунжер-цилиндр и тем самым к снижению долговечности насоса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является скважинный штанговый насос, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ N 2030635 от 10.03.95 по кл. F 04 B 47/00), содержащий цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер, имеющий на боковой поверхности полимерные уплотнители и металлические пружинные кольца, установленные в канавках на наружной поверхности уплотнителей.

Недостатком этого насоса является то, что через тепловой зазор пружинных колец мелкие абразивные частицы проникают в щелевой зазор пары плунжер-цилиндр, конструкция пружинных колец при этом не предусматривает выход абразивных частиц из щелевого зазора. Накапливание в этом зазоре абразивных частиц приводит к интенсивному износу пары плунжер-цилиндр, в результате увеличивается щелевой зазор, следовательно, увеличиваются перетечки жидкости, что отрицательно сказывается на производительности и долговечности насоса.

Кроме того, плунжер данного насоса трудоемкий в изготовлении.

Задачей изобретения является увеличение производительности и ресурса работы насоса за счет уменьшения износа пары плунжер-цилиндр, особенно при большом содержании абразивных примесей в откачиваемой жидкости и при значительной криволинейности скважин.

Поставленная задача достигается тем, что в штанговом глубинном насосе, содержащем цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер с комплектами уплотнений из полимерных уплотнителей и металлических пружинных колец, на наружной поверхности плунжера выполнено углубление, образующее со стенкой цилиндра и с комплектами уплотнений кольцевую камеру для смазочного материала, при этом каждый комплект уплотнений состоит по меньшей мере из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет с уплотнительными губками, установленных на полках плунжера, ограничивающих углубление, причем более мягкие манжет расположены ближе к кольцевой камере, а уплотнительные губки манжет направлены от торцов указанной камеры, и по меньшей мере из двух металлических пружинных колец, установленных с возможностью предохранения манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости.

Наличие в предлагаемом насосе кольцевой камеры, образованной углублением на наружной поверхности плунжера, стенкой цилиндра и комплектами уплотнений, заполняемой при установке плунжера в цилиндр смазочным материалом, позволяет производить с помощью уплотнений устойчивое смазывание стенки цилиндра при возвратно-поступательном движении плунжера, благодаря чему снимается контактное трение уплонительных комплектов о стенку цилиндра. При этом движение плунжера вниз за счет постоянной смазки стенки цилиндра происходит в режиме свободного падения, что позволяет исключить изгиб и искривление штанг и тем самым устранить лавильно-подъемные работы вследствие потери штанги.

Набор комплектов уплотнений из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет с уплотнительными губками и двух дублирующих друг друга металлических пружинных колец, а также их установка в определенной последовательности таким образом, что ближе к кольцевой камере установлены более чувствительные к остаточному давлению мягкие манжеты, затем более твердые манжеты, при этом уплотнительные губки манжет направлены от торцов кольцевой камеры, а затем установлены металлические пружинные кольца, предохраняющие манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости, позволяют обеспечить герметичность цилиндра, предотвратить проникновение абразивных частиц между плунжером и цилиндром и перетечки перекачиваемой жидкости при движении плунжера, что способствует уменьшению износа пары плунжер-цилиндр, увеличению производительности и соответственно увеличению ресурса работы насоса.

Кроме того, сравнительно малая длина плунжера /менее 500 мм/ по сравнению с известными позволяет использовать его в скважинах со значительной криволинейностью.

На фиг. 1 показан общий вид насоса; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 узел II на фиг. 1.

Штанговый глубинный насос состоит из цилиндра 1 и составного плунжера, имеющего полую стяжку 2, к верхней части которой присоединен переводник 3, а к нижней нагнетательный клапан. Нагнетательный клапан включает в себя корпус 4, в котором установлены клетка 5, седло 6 и шарик 7, фиксируемые в корпусе 4 прижимом-гайкой 8. В переводнике 3 выполнены окна для выхода перекачиваемой жидкости из полости плунжера. На наружной поверхности стяжки 2 выполнено углубление, ограниченное сверху и снизу полками 9. Углубление на стяжке 2 со стенкой цилиндра 1 и с комплектами уплотнений образует кольцевую камеру 10, заполняемую при установке плунжера в цилиндр 1 смазочным материалом. Комплект уплотнений состоит из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет 11 с уплотнительными губками 12 и двух дублирующих друг друга металлических пружинных колец 13. Манжеты 11 установлены на полках 9 плунжера, при этом их уплотнительные губки 12 направлены от торцов кольцевой камеры 10. Для увеличения чувствительности губок 12 к остаточному давлению столба перекачиваемой жидкости манжеты 11, расположенные ближе к камере 10, выполнены из более мягкого материала, чем следующие. Для защиты от радиальных нагрузок на губки 12 манжет 11 предусмотрены фторопластовые кольца 14, установленные на полках 9 перед манжетами 11. Манжеты 11 фиксируются гайками 15, контактная поверхность уплотнительных губок 12 наклонена к стенке цилиндра 1 под углом в пределах 6 7^o. Под выходными окнами переводника 3, а также на гайках 15 и прижиме 8 выполнены канавки, в которые установлены металлические пружинные кольца 13, предназначенные для защиты манжет от воздействия внешнего давления столба перекачиваемой жидкости. Кроме того, кольца 13 обладают скребковым эффектом. На наружной поверхности пружинных колец 13 со стороны, обращенной к кольцевой камере 10, выполнены заходные фаски под углом 15.

Манжеты 11 выполнены из композиционного полимерного материала. Седло 8 нагнетательного клапана, а также седло всасывающего клапана (не показан) выполнены из того же материала, что и более твердые манжеты 11. Это позволяет устанавливать без предварительной притирки пары седло-шарик.

На переводнике 3 выполнена резьба для крепления плунжера и колонне штанг (не показаны).

Объем смазочной камеры 10 рассчитан на создание оптимальных условий работы насоса в течение всего срока службы.

Длина плунжера предлагаемого насоса в сборе составляет менее 500 мм.

Работа штангового насоса заключается в следующем.

При движении плунжера как вверх, так и вниз первоочередную и основную нагрузку несут металлические кольца 13, а полимерные манжеты 11 воспринимают остаточную нагрузку, особенно незначительна нагрузка на мягкие манжеты 11, расположенные ближе к камере 10.

При неподвижном плунжере уплотнительные губки 12 манжет 11 плотно прилегают к стенке цилиндра 1.

При прямом ходе губок 12 под воздействием давления столба жидкости губки 12 плотно прижимаются своей контактной поверхностью к стенке цилиндра 1, обеспечивая надежную герметичность камеры 10.

При обратном ходе губок 12 под воздействием смазочного материала, поступающего из камеры 10, снимается контактное трение уплотнительного комплекта. Контактное трение металлических колец 13 дополнительно снимается за счет заходных фасок на их наружной поверхности. Равномерное распределение смазки по стенке цилиндра 1 производится губками 12.

Абразивные частицы, попадающие на стенку цилиндра 1 из перекачиваемой жидкости, задерживаются комплектами уплотнений, в начале металлическими пружинными кольцами 13, затем манжетами 11. Манжеты 11 работают с сохранением клапанного эффекта. Они пропускают смазочный материал из камеры 10, который способствует выносу мельчайших абразивных частиц за пределы колец 13. Заходные фаски колец 13 также способствуют выносу абразивных частиц во внешнюю среду.

Комплекты уплотнений плунжера в данной компоновке гарантируют эффективность работы даже при высоких давлениях до 100 кг/см².

Благодаря тому, что плунжер предлагаемого насоса значительно короче стандартных, использование его в стандартных цилиндрах позволит увеличить рабочий ход плунжера с одновременным уменьшением количества ходов, тем самым снизить энергозатраты, либо уменьшить длину цилиндра, при том экономия на размерах цилиндра позволит окупить расходы на изготовление плунжера.

Кроме того, уменьшение количества ходов плунжера позволит уменьшить износ всей системы, включая плунжер, цилиндр, штанги и насосно-компрессорные трубы (НКТ), тем самым существенно сократить простои скважин.

Формула изобретения

Штанговый глубинный насос, содержащий цилиндр и подвижно расположенный в нем полый плунжер с комплектами уплотнений из полимерных уплотнителей и металлических пружинных колец, отличающийся тем, что на наружной поверхности плунжера выполнено углубление, образующее со стенкой цилиндра и с комплектами уплотнений кольцевую камеру для смазочного материала, при этом каждый комплект уплотнений состоит по меньшей мере из двух полимерных уплотнителей разной твердости в виде манжет с уплотнительными губками, установленных на полках плунжера, ограничивающих углубление, причем более мягкие манжеты расположены со стороны кольцевой камеры, а поверхность уплотнительных губок, контактирующая с цилиндром, выполнена под углом 6 9^o к последнему, и по меньшей мере из двух металлических пружинных колец, установленных с возможностью предохранения манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2