ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ Область применения

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к штанговым скважинным насосам двойного действия.

Предшествующий уровень техники

Известен штанговый насос двойного действия, состоящий из плунжера со штоком и внутренним каналом и цилиндра с нагнета- тельным, всасывающим и дополнительным всасывающим клапанами. Колонна штанг выполнена полой, а цилиндр оснащен каналом, допол- нительным нагнетательным клапаном и узлом герметизации штока плунжера, расположенным сверху цилиндра. Подплужерная полость цилиндра выполнена с возможностью сообщения с полостью колонны штанг через нагнетательный клапан и внутреннюю полость плунжера. Надплунжерная полость цилиндра выполнена с возможностью посто- янного сообщения с надпакерным пространством скважины через до- полнительный всасывающий клапан, а с полостью лифтовых труб - через дополнительный нагнетательный клапан и канал. Кроме того, колонна штанг может быть соединена со штоком плунжера штангово- го насоса автосцепом (RU 49106 U1).

Недостатками известного насоса являются сложность и низкая надежность спускоподъемных операций из-за необходимости одно- временного спуска колонны труб с насосом и плунжером, оснащен- ным штоком, с последующим спуском штанг, оснащенных автосце- пом для соединения с плунжером. Все это требует точной стыковки штанг и штока, которая осуществляется в результате нескольких по- пыток. При этом при спуске возможно засорение автосцепа или по- вреждение при стыковке со штоком, что требует дополнительной спускоподъемной операции по очистке или замене автосцепа. Кроме того, известный насос характеризуется низким коэффициентом полез- ного действия (КПД) из-за высокого сопротивления в верхнем нагне- тательном клапане, так как у него слишком малое пропускное сечение из-за установки между цилиндром и стенками скважины. Также не- возможна регулировка производительности известного насоса путем регулировки соотношений объемов его надплунжерной и подплун- жерной полостей при ходе вниз и вверх.

Наиболее близким аналогом является штанговый скважинный насос двойного действия, содержащий цилиндр, имеющий нижний всасывающий клапан и соединенный с колонной труб при помощи переводника, снабженного верхними всасывающим и нагнетательным клапанами, и полый плунжер, размещенный в цилиндре с образовани- ем подплунжерной и надплунжерной полостей и возможностью воз- вратно-поступательного перемещения, связанный с полой штангой и имеющий нижний нагнетательный клапан (RU 2386018 С1).

Недостатками известного насоса являются сложность и дорого- визна спускоподъемных операций из-за необходимости одновремен- ного спуска колонны труб с насосом и штанг с плунжером, размещен- ным в цилиндре, что требует использования спускающих кранов с вы- сотой подъема на менее чем в два раза больших длины труб в спус- каемой колонне. Кроме того, известный насос характеризуется невы- соким КПД из-за повышенного сопротивления в верхнем нагнета- тельном клапане, так как он имеет слишком малое пропускное сече- ние из-за установки сверху распределительной муфты между полыми штангами, размещаемыми по оси цилиндра, и стенками колонны труб. Также, известный насос невозможно использовать при смешении жидкостей и для регулировки производительности путем регулировки соотношений объемов его надплунжерной и подплунжерной полостей при ходе вниз и вверх.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание надежного, простого в работе насоса с высоким КПД и расширенными техноло- гическими возможностями.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является уменьшение гидравлического сопротивления верхнего нагнетательно- го клапана, обеспечение возможности одновременного подъема жид- кости из надплунжерной и подплунжерной полостей цилиндра, а так- же регулировки производительности насоса путем регулировки соот- ношений объемов его надплунжерной и подплунжерной полостей при ходе вниз и вверх.

Поставленная задача решается, а технический результат дости- гается тем, что в штанговом скважинном насосе двойного действия, содержащем цилиндр, имеющий нижний всасывающий клапан и со- единенный с колонной труб при помощи переводника, снабженного верхними всасывающим и нагнетательным клапанами, и полый плун- жер, размещенный в цилиндре с образованием подплунжерной и над- плунжерной полостей и возможностью возвратно-поступательного перемещения, связанный с полой штангой и имеющий нижний нагне- тательный клапан, согласно изобретения цилиндр выполнен ступенча- тым с нижней ступенью большего диаметра и верхней ступенью меньшего диаметра, в боковой стенке плунжера выше нижнего нагне- тательного клапана выполнено сквозное отверстие для сообщения по- лости плунжера с камерой, образованной при его перемещении вниз в нижней ступени цилиндра, верхняя ступень цилиндра выполнена с внутренним диаметром меньшим внутреннего диаметра колонны труб, переводник выполнен с внутренним диаметром меньшим внут- реннего диаметра колонны труб, но не меньшим внутреннего диамет- ра верхней ступени цилиндра, верхний нагнетательный клапан вы- полнен в виде втулки, расположенной на штанге с возможностью продольного перемещения по ней вверх при избыточном давлении в надплунжерной полости цилиндра и перемещения вниз в жидкости под собственным весом, и снабжен седлом, образованным на верхнем внутреннем торце переводника, причем между плунжером и верхним нагнетательным клапаном на штанге размещен упор, выполненный с возможностью взаимодействия с верхним нагнетательным клапаном.

Поставленная задача решается, а технический результат дости- гается также тем, что полая штанга выше верхнего нагнетательного клапана может быть сообщена с колонной труб.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого насоса.

На фиг. 2 - верхняя часть предлагаемого насоса при перемеще- нии плунжера вверх и взаимодействии упора с верхним нагнетатель- ным клапаном.

Лучший вариант осуществления изобретения

Предлагаемый штанговый скважинный насос двойного действия содержит цилиндр 1 (фиг. 1), имеющий нижний всасывающий клапан 2 и соединенный с колонной труб 3 при помощи переводника 4, снаб- женного верхними всасывающим и нагнетательным клапанами 5,6, и полый плунжер 7, размещенный в цилиндре 1 с образованием под- плунжерной и надплунжерной полостей 8,9 и возможностью возврат- но-поступательного перемещения, связанный с полой штангой 10 и имеющий нижний нагнетательный клапан 11. Цилиндр 1 выполнен ступенчатым с нижней ступенью 12 большего диаметра и верхней ступенью 13 меньшего диаметра. В боковой стенке плунжера 7 выше нижнего нагнетательного клапана 11 выполнено сквозное отверстие 14 для сообщения полости плунжера 7 с камерой 15, образованной при его перемещении вниз в нижней ступени 12 цилиндра 1. Верхняя ступень 13 цилиндра 1 выполнена с внутренним диаметром D мень- шим внутреннего диаметра Di колонны труб 3. Переводник 4 выпол- нен с внутренним диаметром D ₂ меньшим внутреннего диаметра Di колонны труб 3, но не меньшим внутреннего диаметра D верхней сту- пени 13 цилиндра 1. Верхний нагнетательный клапан 6 выполнен в виде втулки, расположенной на штанге 10 с возможностью продоль- ного перемещения по ней вверх при избыточном давлении в надплун- жерной полости 9 цилиндра 1 и перемещения вниз в жидкости под собственным весом, и снабжен седлом 16, образованным на верхнем внутреннем торце переводника 4. Между плунжером 7 и верхним на- гнетательным клапаном 6 на штанге 10 размещен упор 17, выполнен- ный с возможностью взаимодействия с верхним нагнетательным кла- паном 6. Полая штанга 10 выше верхнего нагнетательного клапана 6 может быть сообщена с колонной труб 3 отверстием 18.

Описываемый насос работает следующим образом.

В скважину (не показана) в требуемый интервал установки (не показан) на колонне труб 3 спускают соединенный с ней переводни- ком 4 цилиндр 1 (фиг. 1) с всасывающими клапанами 2,5. При дости- жении соответствующей глубины цилиндр 1 с колонной труб 3 запол- няется скважинной жидкостью через эти клапаны 2,5. Затем в колонну труб 3 спускают плунжер 7 с нагнетательными клапанами 6,11 и по- лой штангой 10 на тягах (не показаны) до вхождения плунжера 7 в цилиндр 1. Благодаря тому, что внутренний диаметр D верхней ступе- ни 13 цилиндра 1 меньше внутреннего диаметра Di колонны труб 3, а внутренний диаметр D ₂ переводника 4 также меньше внутреннего диаметра Di колонны труб 3, но не меньше внутреннего диаметра D верхней ступени 13 цилиндра 1, плунжер 1 может спускаться в сква- жину на тягах отдельно от цилиндра 1. При этом верхний нагнета- тельный клапан 6 герметично благодаря уплотнению 19 садится в седло 16, а скользящее соединение его со штангой 10 герметизируют уплотнения 20. Плунжер 7 на тягах опускают до упора в нижнюю часть цилиндра 1 , что фиксируется снижением веса на устьевом инди- каторе веса (не показан), тем самым точно определяя взаимное распо- ложение плунжера 7 и цилиндра 1. После чего плунжер 7 приподни- мают в необходимое положение относительно цилиндра 1 и соединя- ют тяги с устьевым приводом (не показан) с рабочим ходом L (не по- казан). Для запуска насоса тягам и плунжеру 7 через штангу 10 при- дают возвратно-поступательное движение устьевым приводом. При перемещении плунжера 7 относительно цилиндра 1 вниз нижний вса- сывающий клапан 2 закрыт, а нижний нагнетательный клапан 11 от- крыт и жидкость из подплунжерной полости 8 цилиндра 1 поступает в плунжер 7 и оттуда в полую штангу 10. Одновременно жидкость из скважины поступает через открытый верхний всасывающий клапан 5 в надплунжерную полость 9 цилиндра 1, при этом верхний нагнета- тельный клапан 6 закрыт. При перемещении плунжера 7 относительно цилиндра 1 вверх верхний всасывающий клапан 5 закрыт, а верхний нагнетательный клапан 6 открыт и жидкость из надплунжерной по- лости 9 цилиндра 1 поступает в колонну труб 3. Одновременно жид- кость из скважины через открытый нижний всасывающий клапан 2 поступает в подплунжерную полость 8 цилиндра 1 , а нижний нагнета- тельный клапан 11 закрыт. Далее циклы повторяются.

Если насос предназначен для подъема на поверхность однород- ной жидкости (например, вода, нефть, обводненная нефть или про- дукция разных пластов, допускающая смешение, и т.д.), тогда тяги используют цельные, а при перемещении плунжера 7 относительно цилиндра 1 вниз жидкость из полой штанги 10 через отверстие 18 по- ступает в колонну труб 3 и вместе с жидкостью из надплунжерной по- лости 9 цилиндра 1 поднимается на поверхность.

Если насос предназначен для подъема на поверхность разде- лившейся за счет гравитационных сил жидкостей ((например, на воду и нефть из обводнившегося пласта или продукции разных пластов (не показаны), не допускающих смешение и разделенных пакером (не по- казан)), то используют полую штангу 10 без отверстия 18, а тяги - по- лые. При этом насос в скважине размещается так, что верхний всасы- вающий клапан 5 сообщается со скважиной выше уровня разделения (например, выше водонефтяного контакта - ВНК или выше пакера, разделяющего пласты), а нижний 2 - ниже. Для гарантированного та- кого расположения насоса цилиндр 1 снизу может быть оснащен уд- линительным патрубком или хвостовиком с пакером (не показаны), соединенным с цилиндром 1, например, резьбой 21 и сообщенным сверху с нижним всасывающим клапаном 2, а снизу - со скважиной. При таком размещении насоса в скважине более тяжелая жидкость (например, вода) или продукция нижнего пласта из нее будет подни- маться на поверхность по полым тягам через нижний всасывающий клапан 2, подплунжерную полость 8, нижний нагнетательный клапан 11, плунжер 7 и полую штангу 10, а более легкая жидкость (например, нефть) или продукция верхнего пласта из скважины будет поднимать- ся на поверхность по колонне труб 3 через верхний всасывающий клапан 5, надплунжерную полость 9 и верхний нагнетательный клапан 6.

Максимальная производительность V _lmax надплунжерной полос- ти 9 цилиндра 1 за один рабочий ход плунжера 7 (один цикл возврат- но-поступательного перемещения) достигается, если установка плун- жера 7 в цилиндре 1 подобрана так, что упор 17 не взаимодействует в верхней точке хода (в верхней мертвой точке) с клапаном 6 и не от- жимает его принудительно от седла 16, и определяется по формуле:

V _{l max} =7r(D ² - D ₃ ² )-L/4, [1]

где: D - внутренний диаметр верхней ступени 13 цилиндра 1, м;

D ₃ - наружный диаметр полой штанги 10, м;

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

Производительность Vi надплунжерной полости 9 цилиндра 1 за один рабочий ход плунжера 7, если установка плунжера 7 в цилиндре 1 подобрана так, что упор 17 взаимодействует в верхней мертвой точ- ке рабочего хода с клапаном 6 и отжимает его принудительно от седла 16 на длину Li (фиг.2), определяется по формуле:

ν^πφ ² - D ₃ ² )-(L - )/4, [2] где: D - внутренний диаметр верхней ступени 13 цилиндра 1 , м;

D ₃ - наружный диаметр полой штанги 10, м;

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

Li - длина принудительного подъема от седла 16 клапана 6 упо- ром 17 при положении плунжера 7 в верхней мертвой точке его рабо- чего хода, м.

То есть производительность Vj надплунжерной полости 9 ци- линдра 1 снижается с увеличением длины Li принудительного подъе- ма от седла 16 клапана 6 упором 17 при положении плунжера 7 в верхней мертвой точке его рабочего хода из-за того, что при ходе плунжера 7 вниз на длину Li надплунжерная полость 9 сообщена с ко- лонной труб 3 и в ней до взаимодействия клапана 6 с седлом 16 не создается разрежения, необходимого для закачки в нее скважинной жидкости через верхний всасывающий клапан 5 и, следовательно, меньше жидкости закачается и поступит в колонну труб 3 при пере- мещении плунжера 7 вверх. Таким образом, увеличивая или уменьшая длину Li можно производительность Vi надплунжерной полости 9 ци- линдра 1 соответственно уменьшать до нуля (когда L=Li - если плун- жер 7 при этом находится в пределах цилиндра 1, перекачка ведется только из подплунжерной полости 8 при отключении из работы над- плунжерной полости 9) или увеличивать до максимальной (когда

- см. формулу[1]) при рабочем ходе плунжера 7.

Максимальная производительность V _2max подплунжерной полос- ти 8 цилиндра 1 за один рабочий ход плунжера 7 достигается, если ус- тановка плунжера 7 в цилиндре 1 подобрана так, что отверстие 14 плунжера 7 не сообщается в нижней точке хода (в нижней мертвой точке) с камерой 15, и определяется по формуле:

где: D - внутренний диаметр верхней ступени 13 цилиндра 1, м;

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

Производительность V ₂ подплунжерной полости 8 цилиндра 1 за один рабочий ход плунжера 7, если установка плунжера 7 в цилин- дре 1 подобрана так, что отверстие 14 плунжера 7 сообщается в ниж- ней точке хода (в нижней мертвой точке) с камерой 15 и входит в нее на длину L ₂ (фиг.1), определяется по формуле:

V ₂ =7c-D ² -(L - L ₂ )/4 [4]

где: D - внутренний диаметр верхней ступени 13 цилиндра 1, м;

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

L ₂ - длина входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 в нижней мертвой точке, м.

То есть производительность V ₂ подплунжерной полости 8 ци- линдра 1 снижается с увеличением длины L ₂ входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 в нижней мертвой точке из-за того, что при ходе плунжера 7 вверх на длину L ₂ подплунжерная полость 8 сообще- на с полой штангой 10 через камеру 15, отверстие 14 и плунжер 7 и до выхода отверстия 14 из камеры 15 в полости 8 не создается разреже- ния, необходимого для закачки скважинной жидкости через нижний всасывающий клапан 2, и, следовательно, меньше жидкости закачает- ся и поступит в полую штангу 10 при движении плунжера 7 вниз. Та- ким образом, увеличивая или уменьшая длину L ₂ можно производи- тельность V ₂ подплунжерной полости 8 цилиндра 1 соответственно уменьшать до нуля (когда L=L ₂ - если плунжер 7 при этом находится в пределах цилиндра 1, перекачка ведется только из надплунжерной полости 9 при отключении из работы подплунжерной полости 8) или увеличивать до максимальной (когда L ₂ =0 - см. формулу[3]) при ра- бочем ходе плунжера 7.

Базовой единицей для измерения соотношений производитель- ностей надплунжерной полости 9 и подплунжерной полости 8 цилин- дра 1 принимают соотношение их максимальных производительно- стей Vimax K V _2max . Тогда из формул [1] и [3] получаем формулу:

К = V _lmax /V _2max = 1 - (D ₃ /D) ² , [5] где: К - базовый коэффициент соотношений производительностей полостей 9 и 8 - постоянная для каждого из насосов двойного дейст- вия (обычно К = 0,75-0,95);

D - внутренний диаметр верхней ступени 13 цилиндра 1, м;

D ₃ - наружный диаметр полой штанги 10, м;

Базовый коэффициент отражает работу насоса, когда упор 17 не взаимодействует с клапаном 6 в верхней мертвой точке, а отверстие 14 плунжера 7 не сообщается с камерой 15 в нижней мертвой точке.

Для изменения соотношений производительностей надплунжер- ной полости 9 и подплунжерной полости 8 цилиндра 1 устьевой при- вод останавливают, и тяги в соединении с ним перемещают на необ- ходимую величину соответственно вверх для принудительного подъ- ема клапана 6 упором 17 на длину Li (фиг.2) в верхней мертвой точке или вниз для входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 (фиг.1) на длину L ₂ в нижней мертвой точке. После чего привод опять запускают в работу.

При перемещении тяг вверх соотношение Ki производительно- стей надплунжерной полости 9 и подплунжерной полости 8 цилиндра 1 с учетом принудительного подъема клапана 6 упором 17 и формул [2] и [3] принимает следующий вид:

Ki = Vi/Vimz* = Κ·(1 - Li/L), [6] где: К - базовый коэффициент соотношений производительностей полостей 9 и 8 - постоянная для каждого из насосов двойного дейст- вия (обычно К = 0,75-0,95);

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

Li - длина принудительного подъема от седла 16 клапана 6 упо- ром 17 при положении плунжера 7 в верхней мертвой точке его рабо- чего хода, м.

При перемещении тяг вниз соотношение К ₂ производительно- стей надплунжерной полости 9 и подплунжерной полости 8 цилиндра 1 с учетом входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 и формул [1] и [4] принимает следующий вид:

2 = V _lmax /V ₂ = K/(l - L ₂ /L), [7] где: К - базовый коэффициент соотношений производительностей полостей 9 и 8 - постоянная для каждого из насосов двойного дейст- вия (обычно К = 0,75-0,95);

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м. L ₂ - длина входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 в нижней мертвой точке, м.

Если насос работает с принудительным подъемом от седла 16 клапана 6 упором 17 на длину Li (фиг.2) в верхней мертвой точке и входом отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 (фиг.1) на длину L ₂ в нижней мертвой точке, то соотношение Кз производительностей над- плунжерной полости 9 и подплунжерной полости 8 цилиндра 1 с уче- том формул [2] и [4] принимает следующий вид:

з = Vi/V ₂ = Κ·(1 - L _T /L)/(1 - L ₂ /L), [8] где: К - базовый коэффициент соотношений производительностей полостей 9 и 8 - постоянная для каждого из насосов двойного дейст- вия (обычно К = 0,75-0,95);

L - длина рабочего хода плунжера 7 относительно цилиндра 1, м.

Li - длина принудительного подъема от седла 16 клапана 6 упо- ром 17 при положении плунжера 7 в верхней мертвой точке его рабо- чего хода, м.

L ₂ - длина входа отверстия 14 плунжера 7 в камеру 15 в нижней мертвой точке, м.

При регулировке с устья скважины и соответствующих расчетах увеличение L ₂ или Lj при перемещении вниз (поднятием) или вверх (опусканием) тяг с полой штангой 10 и плунжером 7 относительно со- единения с устьевым приводом на расчетную длину AL приводит к соответствующему уменьшению Li или L ₂ на эту же на расчетную длину AL.

Исходя из формул [5] - [8] производят регулировку соотноше- ний производительностей полостей 9 и 8.

Соотношение значений Ki, К ₂ или Кз к процентному распре де- лению производительностей полостей 9 и 8 приведены в таблице. Таблица

Величина производительностей полостей 9 и 8 показывает, в ка- кой пропорции насос добывает продукцию через верхний всасываю- щий клапан 5 и нижний всасывающий клапан 2 соответственно.

Используя табличные данные, можно определить какие значе- ния должны иметь длины L ₂ (согласно формул [5] и [6]), Li (согласно формул [5] и [7]) или L ₂ и Li (согласно формул [5] и [8]). Если расчет- ные значения L ₂ , Li или L ₂ и Li отличаются от значений работающего насоса, то смещением тяги вверх или вниз относительно соединения с устьевым приводом на расчетную длину AL достигают максимального приближения к требуемым соотношениям производительностей по- лостей 9 и 8. Таким образом, можно регулировать соотношение добы- ваемой продукции через верхний всасывающий клапан 5 и нижний всасывающий клапан 2, не поднимая насос на поверхность, что важно при добыче разделившейся жидкости (например, на нефть и воду) или при добыче из разных пластов одним насосом двойного действия.

Благодаря выполнению верхнего нагнетательного клапана 6 в виде втулки, расположенной на штанге 10 с возможностью продоль- ного перемещения по ней, удалость повысить его пропускную спо- собность для данного цилиндра 1 и тем самым снизить гидравличе- ское сопротивление протекающей через него жидкости (особенно для вязких жидкостей, например: нефть, битум и т.п.), что не позволяет скапливаться выделяющемуся из жидкости газу и увеличивает КПД насоса.

Промышленная применимость

Предлагаемый насос прост и надежен в работе, имеет высокий КПД за счет уменьшения гидравлического сопротивления верхнего нагнетательного клапана и обладает расширенными технологически- ми возможностями за счет обеспечения возможности одновременного подъема жидкости из надплунжерной и подплунжерной полостей ци- линдра, а также регулировки производительности насоса путем регу- лировки соотношений объемов его надплунжерной и подплунжерной полостей при ходе вниз и вверх. Изобретение может быть использова- но в нефтедобывающей промышленности.