Плунжер скважинного штангового насоса

Плунжер скважинного штангового насоса

Реферат

 

Сущность изобретения: в середине верхнего уплотняющего пояска корпуса плунжера выполнено внутреннее утолщение его стенки в виде конуса и цилиндра, имеющее сквозные пазы, совпадающие с пазами пояска. Стержень управления, являясь продолжением штанги в плунжере, прикреплен к корпусу с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз, имеет на нижней части наконечник сферической формы, переходящей в цилиндрическую. Внутри наконечника выполнены каналы, сообщающиеся с нагнетательной полостью. Его верхняя часть присоединена к первой штанге насоса. Длина продольного паза нижерасположенного уплотнительного пояска меньше длины продольного паза нижерасположенного уплотнительного пояска, меньше длины продольного паза вышерасположенного. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к штанговым насосам, а именно к их плунжерам, и может быть использовано при откачке пластовых жидкостей из скважины, преимущественно в длинноходовом режиме работы насоса.

Известна конструкция плунжера скважинного штангового насоса, содержащего полый корпус со сквозными пазами, герметизированными эластичным уплотнителем, и клапанные узлы [1] Плунжер состоит из двух секций с наклонными плоскими пластинами, при этом наклон пластины в каждой последующей секции выполнен в строну, противоположную наклону плоских пластин в предыдущей секции. При движении плунжера в цилиндре (насосно-компрессорная труба) на шероховатых местах плунжер получает некоторый поворот в одну сторону и такой же поворот в другую сторону.

Недостатком работы такого плунжера скважинного штангового насоса является то, что в начале хода плунжера не создается давление жидкости в плунжере, которое затем должно деформировать стенку плунжера, если зазор между плунжером и цилиндром значительно больше, чем предусмотрен нормами, например, для плунжера Ф 44 величина зазора должна быть не более 0,5 мм на диаметр плунжера. Для создания напора при других больших значениях зазора между плунжером и цилиндром скорость движения плунжера должна расти в квадрате, чем значение напора. Существующее оборудование не позволяет существенно увеличивать скорость движения плунжера. Кроме того, насос имеет нагнетательный клапанный узел, являющийся местом дополнительного гидравлического сопротивления.

Известна конструкция насоса с гуммированным плунжером, имеющим 3-4 резиновых уплотнителя [2] Такой насос имеет также малый зазор между плунжером и цилиндром, и этот зазор не может служить основным каналом прохода жидкости через насос. Нагнетательный клапанный узел имеет наименьший проходной канал и является местом дополнительного сопротивления насоса. Известна также конструкция глубинного штангового насоса, у которого на рабочей поверхности плунжера выполнен сквозной винтовой паз, а внутри плунжера имеется эластичный уплотнитель [3] Пазы загерметизированы эластичным уплотнителем.

Недостатком в работе такого насоса является то, что в конструкции предусмотрено увеличение диаметра плунжера только за счет повышения давления жидкости в плунжере.

Известно, что первоначальное повышение давления в плунжере насоса при его ходе вверх может возникнуть только в том случае, когда зазор между плунжером и цилиндром мал (0,05-0,5 мм на диаметр), т.е. когда утечки жидкости малы по сравнению с объемом вытесняемой жидкости. При увеличении площади зазора между плунжером и цилиндром до размеров, близких к основному проходу жидкости в плунжере (это нужно для свободного спуска плунжера, например, в вязкой среде, при большой длине хода плунжера, в трубе с необработанной внутренней поверхностью или с некоторой эллиптичностью внутренней полости) при ходе плунжера вверх не будет повышения давления жидкости над плунжером, соответственно не будет распирающего действия давления жидкости на стенки плунжера изнутри и не будет силы для раскручивания винтообразного корпуса плунжера. Увеличение зазора между плунжером и цилиндром приводит к снижению эффективности работы такого насоса.

Технической задачей, поставленной изобретением, является повышение эффективности эксплуатации насоса путем увеличения площади кольцевого зазора между плунжером и цилиндром.

Эта задача решается тем, что в середине верхнего уплотняющего пояска выполнено внутреннее утолщение стенки корпуса в виде конуса и цилиндра, имеющих сквозные пазы, совпадающие с пазами пояска, стержень управления в плунжере прикреплен к корпусу с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз, его нижняя часть снабжена наконечником сферической формы, переходящей в цилиндрическую, внутри которого выполнены каналы, сообщающиеся с нагнетательной полостью насоса, а его верхняя часть присоединена к первой штанге насоса, причем длина продольного паза нижерасположенного уплотнительного пояска меньше длины продольного паза вышерасположенного.

На фиг.1 и 2 изображен плунжер скважинного штангового насоса, продольный разрез; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 разрез В-В на фиг.4; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.4; на фиг. 7 изображена часть плунжера скважинного насоса, поясняющая принцип герметизации зазора между плунжером и цилиндром.

Плунжер скважинного штангового насоса содержит корпус 1 с уплотняющими поясками 2, стержень управления 3, втулку 4 на его верхней части и заглушку 5 на его нижнем конце, снабженную резьбой для подсоединения груза.

Наружный диаметр корпуса плунжера выполнен таким образом, чтобы площадь кольцевого зазора 6 между цилиндром 7 и плунжером соответствовала площади прохода жидкости, т. е. кольцевая площадь зазора является основным каналом прохода жидкости через насос.

На корпусе выполнены уплотняющие пояски различной высоты.

Уплотняющие пояски, состоящие из продольных сквозных пазов 8, герметизированных эластичным уплотнителем 9, размещены с интервалами по высоте плунжера, при этом длина продольного паза нижерасположенного пояска меньше длины паза вышерасположенного пояска. В середине первого уплотняющего пояска предусмотрено внутреннее утолщение 10 стенки корпуса в виде конуса и цилиндра, имеющего сквозные пазы, совпадающие с пазами пояска.

Стержень управления, являющийся продолжением штанги насоса внутри плунжера, прикреплен к корпусу с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз, снабжен наконечником 11 сферической формы, переходящей в цилиндрическую, внутри которого выполнены каналы 12, которые сообщаются с нагнетательной полостью насоса. Ограничителем осевого перемещения стержня управления в плунжере снизу является буртик 13 на стержне, а сверху переводная втулка 14 для первой штанги.

Плунжер скважиннного штангового насоса работает следующим образом. В начале хода нижней части колонны штанг вверх или при ее нижнем положении за счет веса плунжера с грузом в жидкости происходит осевое перемещение корпуса 1 плунжера вниз относительно стержня управления 3, при этом коническая полость утолщения 10 стенки плунжера садится на наконечник 11 стержня управления 3 сферической формы с усилием, равным весу плунжера с грузом в жидкости. Посадки плунжера на стержень управления идет до соприкосновения буртика 13 на стержне управления 3 с втулкой 4 на верхней части плунжера, далее плунжер поднимается вместе со стержнем управления. При посадке плунжера за счет раздвигающей силы клина (сферическая форма) на плоски, т.е. за счет механической силы создается прогиб полоски между пазами 8. Величина деформации (прогиба) полоски на уплотняющем пояске 2 является достаточной для перекрытия зазора между плунжером и цилиндром. Раздвигающее усилие на утолщенной стенке корпуса расходуется на создание прогиба полоски между пазами и на растяжение эластичного уплотнителя 9 в пазах. При движении плунжера вверх с перекрытым кольцевым зазором 6 с помощью верхнего уплотняющего пояска создается разность давлений над плунжером и под верхним уплотняющим пояском. Последующие нижележащие уплотняющие пояски работают (увеличивают поперечный размер до размера внутреннего диаметра цилиндра 7) только при наличии достаточной разницы давлений в плунжере и под уплотняющим пояском. Каждый последующий нижележащий уплотняющий поясок перекрывает зазор между плунжером и цилиндром при большем значении перепада давлений между плунжером и под пояском, чем предыдущий уплотняющий поясок, так как длина паза последующего уплотняющего пояска короче предыдущего. Наличие внутреннего канала 12 в наконечнике 11 стержня управления 3 позволяет держать давление нагнетания внутри плунжера и создать разность давлений по уплотняющему пояску. Такое исполнение и размещение уплотняющих поясков по длине плунжера дает возможность ступенчато регулировать количество необходимых уплотняющих узлов (поясков) для герметизации плунжера в цилиндре в зависимости от потребного напора насоса. При максимально возможном напоре уплотняющие пояски на всех уровнях плунжера будут задействованы. При меньших значениях напора нижние уплотняющие пояски не могут полностью перекрывать кольцевой зазор между плунжером и цилиндром полностью.

К концу хода плунжера вверх закрывается приемный клапан (не указан). В начале хода колонны штанг вниз стержень управления выводит из зажатого состояния наконечника сферической формы из цилиндрической и конической полостей утолщения стенки корпуса, при этом плунжер остается на месте в запакерованном состоянии до тех пор, пока уплотняющие пояски не освободятся от внутренних раздвигающих сил. После перемещения стержня управления вниз относительно корпуса плунжера первыми освобождаются полоски и эластичные уплотнители в пазах верхнего уплотняющего пояска от поперечных раздвигающих сил, затем сила упругой деформации возвращает их в исходное положение. При дальнейшем движении плунжера вниз уменьшается перепад давлений в плунжере и в кольцевом зазоре нижележащих уплотняющих поясков, и стенки плунжера возвращаются в исходное положение, т.е. диаметр плунжера принимает минимальный размер и освобождается кольцевой зазор для прохода жидкости. Длина осевого перемещения стержня управления относительно корпуса плунжера, угол наклона конуса внутреннего утолщения стенки корпуса и вес плунжера с грузом в жидкости взаимосвязаны и определяют величину раздвигающих усилий изнутри в верхнем уплотняющем пояске для деформации каждой полоски и для растяжения эластичного уплотнителя.

Площадь кольцевого зазора между плунжером и цилиндром соответствует площади прохода жидкости в плунжере, но она больше площади прохода жидкости в нагнетательном клапане стандартного насоса, имеющего одинаковый диаметр цилиндра.

Разница внутреннего диаметра цилиндра и наружного диаметра плунжера в свободном состоянии соответствует разнице максимального диаметра сферической части на наконечнике стержня управления и диаметра цилиндрической формы внутреннего утолщения стенки корпуса, т.е. удвоенной величине деформации стенки плунжера до соприкосновения с цилиндром насоса. Такое выполнение плунжера позволяет вести откачку жидкости из скважины без нагнетательного клапанного узла, закрепляемого на плунжере насоса, так как при деформации стенки плунжера перекрывается основной проход (канал) жидкости и плунжер на нижнем конце закрыт заглушкой. Исполнение плунжера со значительно меньшим поперечным размером по сравнению с внутренним диаметром цилиндра резко уменьшает гидравлическое сопротивление при движении плунжера вниз в вязкой среде, что также приводит к повышению эффективности эксплуатации насоса.

Формула изобретения

1. ПЛУНЖЕР СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА, содержащий полый корпус с уплотняющими поясками, состоящими из продольных сквозных пазов, герметизированных эластичным уплотнителем, заглушку на его нижнем конце, снабженную резьбой для подсоединения груза, стержень управления во втулке, закрепленной на верхнем конце корпуса, внутренняя полость которого сообщена с полостью нагнетания поперечным каналом на верхней части корпуса, отличающийся тем, что в середине верхнего уплотняющего пояска выполнено внутреннее утолщение стенки корпуса в виде конуса и цилиндра, имеющих сквозные пазы, совпадающие с пазами пояска, а стержень управления в плунжере прикреплен к корпусу с возможностью осевого перемещения при ходе плунжера вверх и вниз, его нижняя часть снабжена наконечником сферической формы, переходящей в цилиндрическую, внутри которого выполнены каналы, сообщающиеся с нагнетательной полостью насоса, а его верхняя часть присоединена к первой штанге.

2. Плунжер по п.1, отличающийся тем, что длина продольного паза нижерасположенного уплотнительного пояска меньше длины продольного паза вышерасположенного.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7