RU2576560C1

RU2576560C1 - Well sucker-rod pump

Info

Publication number: RU2576560C1
Application number: RU2014142663/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Бычков; Александр Викторович Мосин; Роман Михайлович Полежаев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ЭЛКАМ-нефтемаш"
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-03-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: shut off valve and hollow rod seal are arranged at the pump top section. Extra pressure chamber is communicated with the main pressure chamber via bores in the plunger cage. Said extra pressure chamber is composed of the cylinder inner surface and hollow rod outer surface. One of its end surface is blind while the second end is composed by the plunger cage with the bores. Suction and delivery valve shutoff elements are shaped to hemisphere secured at the rod sliding in guide bushes.

EFFECT: higher reliability.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к производству скважинного оборудования, может быть использовано для скважинной добычи нефти с применением вставных штанговых насосов, в том числе для скважинной добычи нефти с повышенной вязкостью и высоким содержанием газа. Заявляемый насос может использоваться при содержании свободного газа в перекачиваемом продукте до 50%.The invention relates to the production of downhole equipment, can be used for downhole oil production using plug-in sucker rod pumps, including downhole oil production with high viscosity and high gas content. The inventive pump can be used with a free gas content in the pumped product up to 50%.

Известен дифференциальный штанговый насос для скважин с высоким газовым фактором по патенту РФ на полезную модель №97775, F04B 47/00, 2009. Насос включает плунжер и нагнетательный клапан, выполненный в виде плунжера-клапана, включающего полый переходный шток со сквозным каналом, концевой наружной резьбой и кольцевым уступом. К торцу кольцевого уступа прижато седло, фиксируемое от осевого смещения гайкой. Установленная концентрично полому переходному штоку подвижная часть плунжера-клапана включает в себя цилиндрический корпус с концевой резьбой, его внутренняя часть и наружная поверхность полого переходного штока образуют кольцевую камеру. В процессе движения колонны штанг вниз происходит выход нефтяного газа из цилиндра насоса без образования газовой шапки в цилиндре. Сложность конструкции, большое количество резьбовых соединений рабочих частей насоса, отсутствие уплотнений снижает его надежность.Known differential sucker rod pump for wells with a high gas factor according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 97775, F04B 47/00, 2009. The pump includes a plunger and a discharge valve, made in the form of a plunger-valve, including a hollow adapter rod with a through channel, an outer end thread and annular ledge. A saddle is pressed to the end of the annular ledge, fixed by axial displacement by a nut. The movable part of the valve plug installed concentrically to the hollow transition rod includes a cylindrical body with end thread, its inner part and the outer surface of the hollow transition rod form an annular chamber. During the downward movement of the rod string, oil gas exits the pump cylinder without forming a gas cap in the cylinder. The complexity of the design, a large number of threaded connections of the working parts of the pump, the lack of seals reduces its reliability.

Известен штанговый насос для добычи вязкой нефти по патенту на полезную модель РФ №110430, F04B 47/00, 2011. Насос содержит цилиндр с седлом, полый плунжер, нагнетательный клапан, подвижно расположенный на колонне штанг между упором и плунжером. Всасывающий клапан оснащен толкателем, жестко соединенным с колонной штанги, вставленным внутрь плунжера с возможностью продольного перемещения. Нагнетательный клапан снабжен дополнительным цилиндром меньшего диаметра, а колонна штанг - дополнительным плунжером меньшего диаметра, вставленным в дополнительный цилиндр для обеспечения герметизации при возвратно-поступательном ходе плунжера в цилиндре. Конструктивная сложность узла герметизации снижает надежность конструкции. Кроме того, воздействие столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб на нагнетательный клапан также снижает надежность конструкции. Данный насос не оснащен узлом спуска газа, что затрудняет его использование при перекачке высоковязкой нефти с высоким содержанием свободного газа.Known sucker rod pump for the extraction of viscous oil according to the patent for utility model of the Russian Federation No. 110430, F04B 47/00, 2011. The pump contains a cylinder with a seat, a hollow plunger, a discharge valve, movably located on the rod string between the stop and the plunger. The suction valve is equipped with a pusher rigidly connected to the rod column inserted into the plunger with the possibility of longitudinal movement. The discharge valve is equipped with an additional cylinder of a smaller diameter, and the rod string with an additional plunger of a smaller diameter inserted into the additional cylinder to provide sealing during the reciprocating stroke of the plunger in the cylinder. The structural complexity of the sealing unit reduces the reliability of the design. In addition, the effect of the liquid column in the tubing string on the discharge valve also reduces the reliability of the structure. This pump is not equipped with a gas discharge unit, which makes it difficult to use when pumping highly viscous oil with a high content of free gas.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран скважинный штанговый насос по патенту РФ на полезную модель №125270, F04B 47/00, 2012. Насос содержит цилиндр с размещенным в нем полым плунжером, в котором установлен нагнетательный клапан, насосную камеру с всасывающим клапаном и клапан стравливания газа. В качестве клапана стравливания газа используется нагнетательный клапан, снабженный узлом задержки его закрытия. Узел задержки закрытия выполнен в виде толкателя, взаимодействующего с запорным элементом нагнетательного клапана. Толкатель соединен с полым плунжером с возможностью продольного перемещения относительно полого плунжера и установлен в цилиндре посредством разрезной втулки. При работе насоса за счет повышенного трения наружной поверхности втулки о внутреннюю поверхность цилиндра происходит движение плунжера вниз относительно втулки с толкателем. Недостатком является невысокая надежность работы при использовании его для перекачки вязкой жидкости вследствие возможного залипания запорных элементов всасывающего и нагнетательного клапанов. В результате возможного не срабатывания клапанов не произойдет и удаление свободного газа из полости насоса. Кроме того, вследствие повышенного трения втулки о поверхность цилиндра происходит износ их поверхностей, что может привести к отказу работы толкателя и невозможности удаления газа из корпуса насоса.As the closest analogue to the claimed technical solution, the sucker-rod pump according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 125270, F04B 47/00, 2012 is selected. The pump contains a cylinder with a hollow plunger placed in it, in which a discharge valve, a pump chamber with a suction valve and a valve are installed gas bleeding. As a gas bleed valve, a discharge valve is used, equipped with a delay unit for closing it. The closing delay assembly is made in the form of a pusher interacting with a shut-off element of the discharge valve. The pusher is connected to the hollow plunger with the possibility of longitudinal movement relative to the hollow plunger and is installed in the cylinder by means of a split sleeve. When the pump is operating due to increased friction of the outer surface of the sleeve against the inner surface of the cylinder, the plunger moves downward relative to the sleeve with the pusher. The disadvantage is the low reliability when used for pumping a viscous liquid due to the possible sticking of the shut-off elements of the suction and discharge valves. As a result of possible valve failure, the free gas will not be removed from the pump cavity. In addition, due to increased friction of the sleeve on the surface of the cylinder, their surfaces wear and tear, which can lead to failure of the pusher and the inability to remove gas from the pump casing.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности насоса при перекачивании высоковязкой нефти с высоким содержанием свободного газа.The technical result of the claimed invention is to increase the reliability of the pump when pumping highly viscous oil with a high content of free gas.

Технический результат достигается за счет того, что в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр, полый плунжер, с установленным в нем нагнетательным клапаном, всасывающий клапан, отсечной клапан, согласно изобретению, отсечной клапан расположен в верхней части насоса, в которой расположено механическое уплотнение полого штока, соединенного с полым плунжером, и дополнительная нагнетательная камера, соединенная с основной нагнетательной камерой с помощью отверстий в клетке плунжера, дополнительная нагнетательная камера образована внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью полого штока, одна ее торцевая поверхность выполнена глухой, а второй торец образует клетка плунжера с отверстиями, запорные элементы всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках.The technical result is achieved due to the fact that in the downhole sucker rod pump containing a cylinder, a hollow plunger with a discharge valve installed in it, a suction valve, a shut-off valve, according to the invention, a shut-off valve is located in the upper part of the pump, in which the mechanical seal of the hollow rod is located connected to the hollow plunger, and an additional discharge chamber connected to the main discharge chamber through openings in the plunger cage, an additional discharge chamber is formed and the inner surface of the cylinder and the outer surface of the hollow rod, one of its end surfaces is blind, and the second end forms a plunger cage with holes, the shut-off elements of the suction and discharge valves are made in the form of a hemisphere, mounted on a rod, movably mounted in the guide bushings.

Механическое уплотнение полого штока может содержать уплотнительные и упругие кольца, поджатые в осевом направлении и помещенные в эксцентрические кольцевые канавки на внутренней поверхности цилиндра, выполненные с диаметральным смещением одной канавки относительно другой в противоположном направлении.A mechanical seal of a hollow rod may contain sealing and elastic rings axially pressed and placed in eccentric annular grooves on the inner surface of the cylinder, made with a diametrical displacement of one groove relative to the other in the opposite direction.

Технический результат обеспечивается тем, что конструктивное исполнение верхней части насоса позволяет надежно обеспечить выпуск свободного газа из корпуса насоса за счет создания дополнительной нагнетательной камеры, сообщенной с основной нагнетательной камерой. Дополнительная нагнетательная камера образована внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью полого штока, сверху она ограничена неподвижной соединительной втулкой корпуса цилиндра. При перемещении плунжера вдоль оси насоса происходит изменение объема дополнительной камеры, т.к. ее верхняя стенка неподвижна, а снизу она ограничена подвижной поверхностью клетки плунжера, которая перемещается вместе с плунжером при его ходе. За счет того, что дополнительная нагнетательная камера сообщается с основной нагнетательной камерой с помощью отверстий в клетке плунжера происходит как заполнение ее газожидкостной средой, так и вытеснение среды при уменьшении ее объема во время движения плунжера вверх. В результате цикла последовательных вытеснений среды из дополнительной нагнетательной камеры в основную нагнетательную камеру в последней происходит повышение давления. В момент превышения давления внутри нагнетательной камеры внешнего давления столба жидкости в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) происходит открытие отсечного клапана. Возможность создания повышенного давления и надежной работы отсечного клапана обеспечивается наличием механического уплотнения подвижного полого штока. Таким образом, совокупность таких признаков, как расположение в верхней части насоса дополнительной нагнетательной камеры, механического уплотнения плунжера и отсечного клапана обеспечивает надежность работы насоса при перекачивании нефти с высоким содержанием свободного газа. Надежность работы насоса для перекачивания высоковязкой нефти обеспечивается тем, что запорные элементы всасывающего и нагнетательного клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках. Данное конструктивное исполнение всасывающего и нагнетательного клапанов позволяет обеспечить их запорным элементам направленное движение, что исключает хаотичные удары запорного элемента каждого клапана о седло, снижая риск его повреждения и увеличивая срок службы клапана и насоса в целом. За счет движения запорного органа по направляющей при каждом открытии клапана на него действуют силы трения между стенками стержня и направляющих втулок и силы инерции направленного движения, что позволяет увеличить проходное сечение для поступления вязкой жидкости и улучшить динамику потока. Это в свою очередь приводит к возможности уменьшения числа ходов штока, к снижению нагрузки на привод и повышает надежность и КПД насоса. Увеличение проходного сечения всасывающего клапана позволяет закачать больший объем вязкого скважинного продукта в приемную камеру насоса.The technical result is ensured by the fact that the design of the upper part of the pump allows you to reliably ensure the release of free gas from the pump housing by creating an additional discharge chamber in communication with the main discharge chamber. An additional discharge chamber is formed by the inner surface of the cylinder and the outer surface of the hollow rod; from above, it is bounded by a fixed connecting sleeve of the cylinder body. When moving the plunger along the axis of the pump, the volume of the additional chamber changes, because its upper wall is stationary, and from below it is limited by the movable surface of the plunger cage, which moves with the plunger during its progress. Due to the fact that the additional discharge chamber communicates with the main discharge chamber through the holes in the plunger cage, both filling it with a gas-liquid medium and displacing the medium with a decrease in its volume during the upward movement of the plunger. As a result of a cycle of successive displacements of the medium from the additional discharge chamber to the main discharge chamber, an increase in pressure occurs in the latter. When the pressure inside the injection chamber exceeds the external pressure of the liquid column in the tubing string, the shut-off valve opens. The possibility of creating increased pressure and reliable operation of the shut-off valve is provided by the presence of a mechanical seal of the movable hollow stem. Thus, a combination of such features as the location in the upper part of the pump of an additional discharge chamber, the mechanical seal of the plunger and the shut-off valve ensures the reliability of the pump when pumping oil with a high content of free gas. The reliability of the pump for pumping highly viscous oil is ensured by the fact that the shut-off elements of the suction and discharge valves are made in the form of a hemisphere mounted on a rod movably mounted in the guide bushings. This design of the suction and discharge valves allows their shut-off elements to provide directional movement, which eliminates the random impact of the shut-off element of each valve on the seat, reducing the risk of damage and increasing the life of the valve and pump as a whole. Due to the movement of the locking element along the guide, at each opening of the valve, friction forces act on it between the walls of the rod and the guide bushes and the inertia forces of the directional movement, which makes it possible to increase the flow area for viscous fluid and improve flow dynamics. This in turn leads to the possibility of reducing the number of stroke of the rod, to reduce the load on the drive and increases the reliability and efficiency of the pump. The increase in the cross section of the suction valve allows you to pump a larger volume of viscous well product into the receiving chamber of the pump.

На фигуре представлен общий вид скважинного штангового насоса.The figure shows a General view of a downhole sucker rod pump.

Скважинный штанговый насос содержит приемную камеру 1, основную нагнетательную камеру 2, дополнительную нагнетательную камеру 3, цилиндр 4, всасывающий клапан 5, нагнетательный клапан 6, плунжер 7, полый полированный шток 8, механическое уплотнение 9 полого штока 8, отсечной клапан 10, в клетке плунжера 7 выполнены отверстия 11.The well sucker rod pump comprises a receiving chamber 1, a main pressure chamber 2, an additional pressure chamber 3, a cylinder 4, a suction valve 5, a pressure valve 6, a plunger 7, a polished hollow stem 8, a mechanical seal 9 of the hollow stem 8, a shut-off valve 10, in a cage the plunger 7 has holes 11.

Скважинный штанговый насос работает следующим образом.Downhole sucker rod pump operates as follows.

После спуска скважинного штангового насоса в скважину на колонне насосных штанг осуществляют возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг, что вызывает возвратно-поступательное перемещение полого полированного штока 8 с плунжером 7. При ходе плунжера 7 вверх открывается всасывающий клапан 5. Вязкая скважинная жидкость с газом попадает в приемную камеру 1. При ходе плунжера 7 вниз всасывающий клапан 5 закрывается, открывается нагнетательный клапан 6. Скважинная жидкость с газом попадает в основную нагнетательную камеру 2 и в дополнительную нагнетательную камеру 3, т.к. данные камеры сообщаются между собой через отверстия 11 в клетке плунжера 7. Дополнительная нагнетательная камера 3 образована внутренней поверхностью цилиндра 4 и наружной поверхностью полого штока 8, одна ее торцевая поверхность выполнена глухой, а второй торец образует клетка плунжера 7 с отверстиями. При этом отсечной клапан 10 находится в закрытом состоянии, и столб жидкости в колонне НКТ не оказывает давление на основную камеру нагнетания 2 и не влияет на работу нагнетательного клапана 6. При следующем ходе плунжера 7 вверх вновь открывается всасывающий клапан 5 и очередная порция скважинной жидкости с газом поступает в приемную камеру 1. Запорные элементы всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов выполнены в виде полусферы, закрепленной на стержне, подвижно установленном в направляющих втулках. Под воздействием двигающегося плунжера 7 сокращается объем дополнительной нагнетательной камеры 3, и жидкость с газом вытесняется из камеры 3 через окна клетки плунжера 11 в основную нагнетательную камеру 2. Для исключения перетоков скважинного продукта из дополнительной нагнетательной камеры 3 в НКТ применяют специальное механическое уплотнение 9 полого штока 8. Механическое уплотнение 9 полого штока 8 может содержать уплотнительные и упругие кольца, поджатые в осевом направлении и помещенные в эксцентрические кольцевые канавки на внутренней поверхности цилиндра 4, выполненные с диаметральным смещением одной канавки относительно другой в противоположном направлении. В месте установки подобного уплотнения поток жидкости испытывает большое гидравлическое сопротивление за счет попадания в лабиринтную щель сложной формы и за счет неоднократной смены направления, благодаря чему исключаются протечки среды. При следующем ходе плунжера 7 вниз открывается нагнетательный клапан 6 и жидкость с газом из приемной камеры 1 поступает в основную нагнетательную камеру 2, где уже находится первая порция скважиной жидкости с газом. При закрытом отсечном клапане 10 заполняются основная 2 и дополнительная 3 нагнетательные камеры. Таким образом, за несколько двойных ходов камеры нагнетательные камеры 2 и 3 заполняются полностью скважинной жидкостью с газом. Заполнение происходит до тех пор, пока давление в этих камерах не превысит столба жидкости, отсеченного от камер 2 и 3 отсечным клапаном 10. При следующем движении плунжера 7 вверх, в камеру 1 поступает очередная порция скважинной жидкости с газом, а жидкость из дополнительной нагнетательной камеры 3 вытесняется в основную нагнетательную камеру 2. Отсечной клапан 10 открывается и часть жидкости с газом поступает в НКТ. Благодаря возможности отсечения столба жидкости отсечным клапаном 10 и наличию дополнительной нагнетательной камеры 3 исключается влияние газа на работу насоса. Благодаря конструктивному выполнению всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов исключается влияние высокой вязкости жидкости на работу насоса.After the downhole sucker rod pump is lowered into the well, the sucker string of the sucker rod string is reciprocated, which causes the reciprocating movement of the hollow polished rod 8 with the plunger 7. When the plunger 7 moves upward, the suction valve 5. The viscous well fluid with gas enters into the receiving chamber 1. When the plunger 7 moves down, the suction valve 5 closes, the pressure valve 6 opens. The well fluid with gas enters the main pressure chamber 2 and into olnitelnuyu pump chamber 3, as these cameras communicate with each other through holes 11 in the cage of the plunger 7. An additional injection chamber 3 is formed by the inner surface of the cylinder 4 and the outer surface of the hollow rod 8, one of its end surfaces is blind, and the second end forms the cell of the plunger 7 with holes. In this case, the shut-off valve 10 is in the closed state, and the liquid column in the tubing string does not exert pressure on the main discharge chamber 2 and does not affect the operation of the discharge valve 6. At the next upward stroke of the plunger 7, the suction valve 5 and another portion of the well fluid again gas enters the receiving chamber 1. The locking elements of the suction 5 and pressure 6 valves are made in the form of a hemisphere, mounted on a rod, movably mounted in the guide bushings. Under the influence of the moving plunger 7, the volume of the additional injection chamber 3 is reduced, and liquid with gas is displaced from the chamber 3 through the windows of the cell of the plunger 11 into the main injection chamber 2. To prevent overflow of the borehole product from the additional injection chamber 3 into the tubing, a special mechanical seal 9 of the hollow rod is used 8. The mechanical seal 9 of the hollow rod 8 may contain sealing and elastic rings, axially pressed and placed in eccentric annular grooves on the inside nney surface of the cylinder 4 formed with a diametrical groove offset one relative to the other in the opposite direction. At the place of installation of such a seal, the fluid flow experiences a large hydraulic resistance due to the ingress of a complex shape into the labyrinth gap and due to the repeated change of direction, which eliminates leakage of the medium. The next stroke of the plunger 7 downwards opens the discharge valve 6 and the liquid with gas from the intake chamber 1 enters the main discharge chamber 2, where the first portion of the liquid well with gas is already located. With the shut-off valve 10 closed, the main 2 and additional 3 discharge chambers are filled. Thus, in a few double strokes of the chamber, the injection chambers 2 and 3 are completely filled with well fluid with gas. Filling takes place until the pressure in these chambers exceeds the column of fluid cut off from chambers 2 and 3 by the shut-off valve 10. The next time the plunger 7 moves upward, the next portion of the borehole fluid with gas enters chamber 1 and the fluid from the additional injection chamber 3 is forced into the main discharge chamber 2. The shut-off valve 10 opens and part of the liquid with gas enters the tubing. Due to the possibility of cutting off the liquid column by the shut-off valve 10 and the presence of an additional discharge chamber 3, the influence of gas on the operation of the pump is eliminated. Thanks to the design of the suction 5 and pressure 6 valves, the influence of high viscosity of the liquid on the pump operation is eliminated.

Заявляемое изобретение позволяет повысить надежность работы скважинного штангового насоса.The claimed invention improves the reliability of a borehole sucker rod pump.

Claims

1. A downhole sucker rod pump comprising a cylinder, a hollow plunger, with a discharge valve installed therein, a suction valve, a shut-off valve, characterized in that the shut-off valve is located at the top of the pump, in which the mechanical seal of the hollow rod connected to the hollow plunger is located, and an additional injection chamber connected to the main injection chamber by openings in the plunger cage, an additional injection chamber is formed by the inner surface of the cylinder and the outer surface hollow rod, one of its end surface is made blind, and the second end forms a plunger cage with holes, the shut-off elements of the suction and discharge valves are made in the form of a hemisphere, mounted on a rod, movably mounted in the guide bushings.

2. A well pump according to claim 1, characterized in that the mechanical seal of the hollow rod contains sealing and elastic rings, axially pressed and placed in eccentric annular grooves on the inner surface of the cylinder, made with a diametrical displacement of one groove relative to the other in the opposite direction .