Патент на изобретение №2273767

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к дифференциальным штанговым насосам, и может быть использовано для откачки из скважин высоковязких жидкостей. Дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично с помощью механического уплотнения пропущен монолитный шток, при этом ниже всасывающего клапана установлен приемный фильтр в виде перфорированной цилиндрической трубы, монолитный шток проходит внутрь приемного фильтра вдоль его оси и на его нижней части установлен поршень с механическим уплотнением относительно внутренней стенки приемного фильтра, а перфорация цилиндрической трубы выполнена в виде конусных отверстий или продольных щелей, расширяющихся в направлении от оси фильтра. В результате достигается повышение надежности и эффективности работы дифференциальных штанговых насосов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к дифференциальным штанговым насосам, и может быть использовано для откачки из скважин высоковязких жидкостей.

Известна скважинная штанговая насосная установка для добычи высоковязкой нефти, содержащая наземный привод, подвешенный в полости скважины на колонне насосно-компрессорных труб штанговый насос со всасывающим и нагнетательным клапанами, в цилиндре которого размещен соединенный с колонной насосных штанг полый плунжер, связанный с направляющим шкивом и грузом, установленными под плунжером; межтрубное пространство скважины снабжено стабилизирующими башмаками, установленными по всей длине насосно-компрессорных труб, за пределами которых размещена колонна насосных штанг, выполненная гибкой и центрируемая относительно межтрубного пространства стабилизирующими башмаками, верхний конец которой закреплен на наземном приводе, а нижний – на наружной поверхности насосно-компрессорных труб (см. патент RU 2059884, кл. F 04 В 47/00, 10.05.1996).

Недостатками известного решения являются сравнительно невысокая эффективность и надежность работы скважинной насосной установки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный штанговый насос, содержащий связанный с колонной насосных труб (НКТ) корпус, выполненный в виде цилиндра, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью плунжера, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично пропущен монолитный шток (см. патент на полезную модель RU №39366, кл. F 04 В 47/00, 27.07.2004).

Данный дифференциальный штанговый насос показал хорошие результаты при добыче высоковязкой нефти, а также нефти с большим содержанием песка, механических включений, парафина и смолистых веществ. Однако для очистки приемного фильтра, в случае его засорения, необходимо проводить промывку путем подачи жидкости через НКТ. Для этого необходимо остановить насос, поднять колонну штанг с помощью подъемника на определенную высоту так, чтобы поршень вышел из цилиндра, а шток из своего уплотнения (5-7 метров), и прокачать через насос и фильтр чистую жидкость. Это трудоемкая операция требует остановки работы насоса, что ведет к потере добычи нефти.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности и эффективности работы дифференциальных штанговых насосов.

Указанная задача решается за счет того, что дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично с помощью механического уплотнения пропущен монолитный шток, при этом ниже всасывающего клапана установлен приемный фильтр в виде перфорированной цилиндрической трубы, монолитный шток проходит внутрь приемного фильтра вдоль его оси и на его нижней части установлен поршень с механическим уплотнением относительно внутренней стенки приемного фильтра, а перфорация цилиндрической трубы выполнена в виде конусных отверстий или продольных щелей, расширяющихся в направлении от оси фильтра.

Образующая приемный фильтр перфорированная цилиндрическая труба имеет внутренний диаметр больше, чем диаметр верхней ступени плунжера насоса.

В ходе исследования работы дифференциального штангового насоса было выявлено, что при его работе обеспечено гарантированное движение колонны штанг вниз за счет дополнительной гидравлической нагрузки на верхнюю ступень плунжера и шток, штанги не испытывают знакопеременных нагрузок, что увеличивает их работоспособность и долговечность, значительно снижены потери хода верхней ступени плунжера за счет уменьшения деформаций колонны штанг (они не скручиваются в спираль). Однако особо большое влияние на условия всасывания оказывает вязкость и загрязненность откачиваемой из скважины жидкой среды. Из-за большой вязкости пластовой жидкости значительно возрастают гидравлические потери в фильтре и в приемном клапане, что приводит к выделению газа из жидкости, снижению подачи насоса и появлению ударов во время работы. Фильтры постепенно засоряются, что приводит к полной остановки насоса. Для того, чтобы фильтр работал достаточно долгое время, высверливают большое количество отверстий, суммарное проходное сечение которых в десятки и сотни раз больше, чем необходимое проходное сечение отверстия в седле приемного клапана. Промывки фильтров не всегда приводят к желаемому результату. Приходится использовать различные типы самоочищающихся фильтров, например сетчатые и щелевые. Однако они не надежны в работе и имеют высокую стоимость.

Закрепление на насосе приемного фильтра в виде перфорированной цилиндрической трубы, размещение монолитного штока внутри приемного фильтра вдоль его оси и установка на монолитном штоке поршня с механическим уплотнением относительно внутренней стенки приемного фильтра, а также выполнение перфорации цилиндрической трубы в виде конусных отверстий или продольных щелей, расширяющихся в направлении от оси фильтра, позволяет решить поставленную задачу. При этом дифференциальный плунжер и поршень выполняют с использованием механических уплотнений по патенту РФ №2037077.

В зависимости от условий в скважине (содержание газа в жидкости, вязкость жидкости и др.) образующая приемный фильтр перфорированная цилиндрическая труба выполняется с внутренним диаметром, большим, чем внутренний диаметр верхней ступени плунжера насоса. Таким образом, внутренняя полость фильтра имеет больший объем, чем рабочий объем насоса. При работе насоса поршень, расположенный на монолитном штоке, своим механическим уплотнением счищает с внутренней поверхности фильтра прилипшие и застрявшие в отверстиях перфорации и засоряющие фильтр механические примеси, а при ходе поршня в направлении к всасывающему клапану механические примеси вытесняются из фильтра в затрубное пространство скважины потоком жидкости, находящейся в избытке в перфорированной трубе. Важное значение для организации самоочистки приемного фильтра имеет соотношение размеров приемного фильтра и диаметра верхней ступени плунжера. Избыток жидкости в приемном фильтре используется для его промывки при каждом ходе поршня на монолитном штоке в сторону всасывающего клапана. Кроме того, за счет избыточной жидкости увеличивается коэффициент наполнения цилиндра насоса. При такте всасывания в таком насосе значительно снижаются потери давления в клапане и, следовательно, не происходит выделение газа из жидкости. Фильтр одновременно выполняет роль подпорного насоса.

На чертеже представлен продольный разрез дифференциального штангового насоса.

Дифференциальный штанговый насос содержит связанный с колонной насосных труб цилиндр 1, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг 2 дифференциальный плунжер 3, причем верхняя ступень 4 плунжера 3 большего диаметра с механическим уплотнением 5 имеет сквозной канал 6 и снабжена нагнетательным клапаном 7, а нижняя ступень плунжера 3 меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока 8, при этом кольцевое пространство 9, заключенное между стенками цилиндра 1 и поверхностью штока 8, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном 10, выполненным в виде соосной с цилиндром 1 тарелки 11 с отверстием 12, через которое герметично с помощью механического уплотнения 13 пропущен монолитный шток 8. Ниже всасывающего клапана 10 установлен приемный фильтр 14 в виде перфорированной цилиндрической трубы. Монолитный шток 8 проходит внутрь приемного фильтра 14 вдоль его оси и на его нижней части установлен поршень 15 с механическим уплотнением 16 относительно внутренней стенки приемного фильтра 14, а перфорация цилиндрической трубы выполнена в виде конусных отверстий 17 или продольных щелей, расширяющихся в направлении от оси фильтра.

Образующая приемный фильтр 14 перфорированная цилиндрическая труба имеет внутренний диаметр, предпочтительно, на 10-50% и больше, чем диаметр верхней ступени 4 плунжера насоса.

Дифференциальный штанговый насос работает следующим образом.

При ходе дифференциального плунжера 3 вниз нагнетательный клапан 7 открывается и перепускает жидкость из рабочей камеры в сквозной канал 6 и далее в НКТ.

В это же время шток 8 передвигает вниз поршень 15 с механическим уплотнением 16, установленным на его нижнем конце. При этом кольца механического уплотнения 16 счищают с внутренней стороны перфорированной трубы приемного фильтра 14 все прилипшие и застрявшие в отверстиях 17 частички и очищают фильтр. Частички оседают вниз и собираются в бункере 18 или вытесняются вместе с жидкостью из приемного фильтра 14 наружу в затрубное пространство.

Одновременно через очищенные от грязи отверстия 17, которые оказались над поршнем 15, жидкость из затрубного пространства поступает во внутреннюю полость приемного фильтра 14. Гидравлическое сопротивление при поступлении жидкости через отверстия в приемный фильтр 14 преодолевается за счет столба жидкости в затрубном пространстве (подпора) и не влияет на процесс всасывания насоса. В конце хода вниз давление внутри и снаружи приемного фильтра 14 выравнивается. Газ при этом не выделяется. Наоборот, перед тактом всасывания жидкость по инерции будет стремиться поступать внутрь приемного фильтра 14, то есть создавать дополнительный подпор.

При ходе поршня 15 вместе с дифференциальным плунжером 3 вверх нагнетательный клапан 7 закрывается и открывается всасывающий клапан 10. Начинается процесс всасывания. По сравнению с обычными насосами заполнение рабочей камеры этого насоса происходит более эффективно ввиду следующих причин:

– силы трения в механическом уплотнении 13 облегчают подъем тарелки 11 клапана 10 и снижают гидравлические потери в клапане;

– ввиду того, что площадь сечения рабочей камеры насоса меньше площади поперечного сечения приемного фильтра 14, поршень 15 будет выталкивать из приемного фильтра 14 жидкость частично в рабочую камеру насоса и частично наружу в затрубное пространство. Сопротивление во всасывающем клапане 10 преодолевается не за счет столба жидкости в затрубном пространстве, а за счет подпора, создаваемого от передвижения поршня 15 вверх, который приводится в действие верхним приводом. При этом рабочая камера насоса лучше заполняется жидкостью и одновременно очищается фильтр, механически и гидравлически.

Поршень 15 может быть дополнительно оборудован щеткой для лучшего очищения отверстий от грязи.

В результате достигается:

1) надежная работа насоса на вязких и загрязненных жидкостях ввиду принудительной и непрерывной очистки фильтра;

2) улучшение условий заполнения рабочей камеры насоса. Возможна работа насоса на скважинах с большим содержанием газа в нефти. Насосы могут работать при малом подпоре (заглублении под динамический уровень), и, следовательно, экономятся дорогостоящие трубы НКТ. За счет депрессии может быть увеличен дебит скважин и др.

В зависимости от рабочих условий (содержания газа, песка, механических примесей, вязкости и т.д.) для каждого типоразмера насоса можно подобрать соответствующие диаметры перфорированных труб с тем, чтобы обеспечить наиболее эффективный режим откачки нефти.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтяной и других отраслях промышленности, где требуется откачка из скважины различных жидких сред, в том числе высоковязкой нефти.

Формула изобретения

1. Дифференциальный штанговый насос, содержащий связанный с колонной насосных труб цилиндр, в котором установлен связанный с колонной насосных штанг дифференциальный плунжер, причем верхняя ступень плунжера большего диаметра с механическим уплотнением имеет сквозной канал и снабжена нагнетательным клапаном, а нижняя ступень плунжера меньшего диаметра выполнена в виде монолитного штока, при этом кольцевое пространство, заключенное между стенками цилиндра и поверхностью штока, образует рабочую камеру насоса со всасывающим клапаном, выполненным в виде соосной с цилиндром тарелки с отверстием, через которое герметично с помощью механического уплотнения пропущен монолитный шток, отличающийся тем, что ниже всасывающего клапана установлен приемный фильтр в виде перфорированной цилиндрической трубы, монолитный шток проходит внутрь приемного фильтра вдоль его оси и на его нижней части установлен поршень с механическим уплотнением относительно внутренней стенки приемного фильтра, а перфорация цилиндрической трубы выполнена в виде конусных отверстий или продольных щелей, расширяющихся в направлении от оси фильтра.

2. Дифференциальный штанговый насос по п.1, отличающийся тем, что образующая приемный фильтр перфорированная цилиндрическая труба имеет внутренний диаметр, больший диаметра верхней ступени плунжера насоса.

РИСУНКИ