RU2460902C1

RU2460902C1 - Downhole rod pump

Info

Publication number: RU2460902C1
Application number: RU2011123721/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Будяков (RU); Дмитрий Анатольевич Будяков
Original assignee: Дмитрий Анатольевич Будяков
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-09-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed pump comprises cylinder with suction valve, hollow plunger arranged to reciprocate therein and provided with pressure valve, and sealing device arranged between cylinder and plunger. Sealing device comprises set of split collars arranged on plunger case and with restricted axial displacement. Plunger comprises sleeves with pistons to take up spout pressure inside plunger and transmit force to split collars limited by adjusting nut from top. Tightening torque on said nut defines reaction force of split collars on cylinder walls.

EFFECT: improved operating performances.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидромашиностроения, в частности к скважинным штанговым насосам, предназначенным для добычи жидкости из скважин, и может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли.The invention relates to the field of hydraulic engineering, in particular to borehole sucker-rod pumps designed to produce fluid from wells, and can be used in the oil and gas industry.

Одной из главных причин выхода из строя скважинного штангового насоса является износ насоса, в частности пары цилиндр-плунжер. От степени износа насоса зависит также его производительность.One of the main reasons for the failure of a downhole sucker rod pump is the wear of the pump, in particular the cylinder-plunger pair. The pump performance also depends on the degree of wear of the pump.

Известен скважинный штанговый насос, включающий плунжер, представляющий собой трубу с наружной рабочей поверхностью, имеющей износостойкое хромовое покрытие или нанесенный износостойкий порошок, а также выполненные на части наружной поверхности плунжера кольцевые канавки (см. каталог «Скважинные штанговые насосы для добычи нефти», М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988, стр.31).A well-known sucker-rod pump, comprising a plunger, which is a pipe with an outer working surface having a wear-resistant chrome coating or a wear-resistant powder, as well as ring grooves made on a part of the outer surface of the plunger (see the catalog "Well sucker rod pumps for oil production", M. , TSINTIHIMNEFTEMASH, 1988, p. 31).

При прохождении откачиваемой жидкости наружная поверхность плунжера выполняет функцию обеспечения герметичности пары плунжер-цилиндр, кольцевые канавки выполняют функцию аккумулирования части находящихся в откачиваемой жидкости механических примесей.With the passage of the pumped liquid, the outer surface of the plunger performs the function of ensuring the tightness of the plunger-cylinder pair, the annular grooves perform the function of accumulating a part of the mechanical impurities in the pumped liquid.

Недостатком данного устройства является то, что кольцевые канавки быстро заполняются примесями и создают на некоторой части плунжера поверхность с высокой твердостью, что приводит к ужесточению процесса изнашивания цилиндра насоса.The disadvantage of this device is that the annular grooves are quickly filled with impurities and create a surface with high hardness on some part of the plunger, which leads to a toughening of the wear process of the pump cylinder.

Известен скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, расположенный в цилиндре подвижно полый плунжер с выполненными на его боковой поверхности кольцевыми канавками, в которых расположены неразрезные упругие кольца с V-образными выступами на боковых поверхностях, контактирующие с поверхностью цилиндра (см. авторское свидетельство SU №1610073, F04B 53/14, F04B 47/02, 1990 г.).A well-known sucker-rod pump containing a cylinder, a movable hollow plunger located in the cylinder with annular grooves made on its lateral surface, in which continuous elastic rings with V-shaped protrusions are located on the side surfaces in contact with the cylinder surface (see copyright certificate SU No. 1610073 , F04B 53/14, F04B 47/02, 1990).

При движении полого плунжера вверх под давлением столба откачиваемой жидкости, находящейся над плунжером, упругие уплотнительные кольца раскрываются за счет разжатия V-образного выступа.When the hollow plunger moves upward under the pressure of a column of pumped liquid located above the plunger, the elastic sealing rings open due to the expansion of the V-shaped protrusion.

Недостатком данного устройства является недостаточное уплотнение зазоров между боковыми поверхностями канавок на плунжере и торцами уплотнительных колец, также в зоне V-образного выступа, что приводит к утечке откачиваемой жидкости и снижению производительности насоса.The disadvantage of this device is the lack of sealing of the gaps between the side surfaces of the grooves on the plunger and the ends of the o-rings, also in the area of the V-shaped protrusion, which leads to leakage of the pumped liquid and a decrease in pump performance.

Известен также глубинный нефтяной насос, содержащий цилиндр с подвижно размещенным в нем полым плунжером с цилиндрическими канавками, в которых установлены разрезные уплотнительные элементы из эластичного материала (см. авторское свидетельство SU №577314, F04B 47/00, F16J 9/20, 1977 г.).Also known is a deep oil pump containing a cylinder with a hollow plunger movably placed in it with cylindrical grooves in which split sealing elements made of elastic material are installed (see copyright certificate SU No. 577314, F04B 47/00, F16J 9/20, 1977 )

Для компенсации износа уплотнительные кольца выполнены с шипами на верхней торцевой и внутренней цилиндрической поверхностях, прилегающих к стенкам канавки плунжера.To compensate for wear, the sealing rings are made with spikes on the upper end and inner cylindrical surfaces adjacent to the walls of the plunger groove.

Недостатками данного устройства являются утечка жидкости в зазоре между наружной боковой поверхностью колец и уплотняемой поверхностью цилиндра и накопление абразивных частиц в канавке под кольцом, что приводит к попаданию частиц в зазор и абразивному износу цилиндра и уплотнительных колец, что резко сокращает срок эксплуатации насоса в целом.The disadvantages of this device are fluid leakage in the gap between the outer lateral surface of the rings and the sealing surface of the cylinder and the accumulation of abrasive particles in the groove under the ring, which leads to particles entering the gap and abrasive wear of the cylinder and o-rings, which drastically reduces the life of the pump as a whole.

Известен также скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр, установленный в цилиндре подвижно полый плунжер и уплотнительный узел, включающий чередующиеся запорные кольца объемной конфигурации и уплотнительные элементы в виде манжет объемной конфигурации, выполненных из упругопластичного деформируемого давлением нагнетания материала (см. патент RU №2106530, F04B 47/02, 1998 г.).Also known is a well sucker-rod pump containing a cylinder, a movable hollow plunger installed in the cylinder and a sealing assembly including alternating locking rings of a volumetric configuration and sealing elements in the form of volumetric cuffs made of elasto-plastic deformable by pressure injection material (see patent RU No. 2106530, F04B 47/02, 1998).

Уплотнительный элемент имеет в сечении равнобокую трапецию, меньшее основание которой обращено в сторону зазора в паре цилиндр-плунжер и предназначено для контактирования с рабочей поверхностью цилиндра насоса, а большее основание гидравлически сообщено через радиальный канал со сквозной полостью плунжера.The sealing element has an equilateral trapezoid in cross section, the smaller base of which faces the gap in the cylinder-plunger pair and is designed to contact the working surface of the pump cylinder, and the larger base is hydraulically communicated through the radial channel with the through cavity of the plunger.

Недостатками известного насоса являются сложность конструкции, что приводит к большим трудозатратам при его изготовлении, и ограничение его применения в скважинах с большим содержанием абразивных частиц, так как зазор между эластичными уплотнительными элементами и уплотняющей поверхностью цилиндра не защищен от попадания туда абразивных частиц из откачиваемой жидкости.The disadvantages of the known pump are the design complexity, which leads to great labor costs in its manufacture, and the limitation of its use in wells with a high content of abrasive particles, since the gap between the elastic sealing elements and the sealing surface of the cylinder is not protected from the ingress of abrasive particles from the pumped liquid.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером (см. патент RU №2213261, F04B 47/00, F04B 53/14, 2003 г.).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed solution is a borehole sucker rod pump containing a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of the plunger with discharge valve, and a sealing device located between the cylinder and plunger (see RU patent No. 2213261, F04B 47/00, F04B 53/14, 2003).

В данном устройстве плунжер выполнен в виде стержня с радиальными каналами, при этом уплотнительные элементы выполнены в виде неразрезных колец из упругопластичного деформируемого материала с сечением в виде равнобокой трапеции.In this device, the plunger is made in the form of a rod with radial channels, while the sealing elements are made in the form of continuous rings of elastoplastic deformable material with a section in the form of an isosceles trapezoid.

Недостатками известного насоса являются, во-первых, сложность конструкции, во-вторых, выполнение уплотнительных элементов из упругопластичного деформируемого материала, которое недолговечно при эксплуатации.The disadvantages of the known pump are, firstly, the complexity of the design, and secondly, the implementation of the sealing elements from an elastoplastic deformable material, which is short-lived during operation.

Как показывает практика, использование таких материалов в качестве уплотнений оправдано только свойством резины принимать форму ответной части уплотняемого соединения. Для создания герметичного соединения с использованием резинотехнических изделий необходимо изготовление жестких приспособлений для этих элементов, создающих каркас, ограничивающий изменение формы резины во всех направлениях, кроме уплотняемого соединения.As practice shows, the use of such materials as seals is justified only by the property of the rubber to take the form of the mating portion of the joint being sealed. To create a sealed connection using rubber products, it is necessary to manufacture rigid devices for these elements, which create a frame that limits the change in the shape of rubber in all directions except for the sealable connection.

Задачей изобретения является улучшение технико-экономических показателей скважин, оборудованных скважинными штанговыми насосами.The objective of the invention is to improve the technical and economic indicators of wells equipped with downhole sucker rod pumps.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении в течение длительного периода эксплуатации скважин эффективного уплотнения пары плунжер-цилиндр скважинного штангового насоса.The technical result of the invention is to provide for a long period of operation of the wells an effective seal pair of plunger-cylinder downhole sucker rod pump.

Дополнительный технический результат заключается в упрощении конструкции плунжера насоса и снижении трудоемкости его изготовления.An additional technical result is to simplify the design of the pump plunger and reduce the complexity of its manufacture.

Для достижения указанного технического результата в скважинном штанговом насосе, содержащем цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, согласно изобретению, уплотнительное устройство включает набор разрезных колец, установленных на корпусе плунжера и ограниченных от осевого смещения, при этом плунжер содержит гильзы с поршнями, предназначенные для восприятия силы давления столба жидкости в полости плунжера и передаче усилия на разрезные кольца, ограниченные сверху регулировочной гайкой, момент затяжки которой определяет силу реакции разрезных колец на стенки цилиндра.To achieve the specified technical result in a borehole sucker rod pump containing a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of a hollow plunger with a discharge valve, and a sealing device located between the cylinder and the plunger, according to the invention, the sealing device includes a set of split rings mounted on the body of the plunger and limited from axial displacement, while the plunger contains sleeves with pistons designed to perceive I force the pressure of the liquid column in the cavity of the plunger and the transfer of force to the split rings, limited from above by an adjusting nut, the tightening torque of which determines the reaction force of the split rings to the cylinder walls.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен плунжер скважинного штангового насоса; на фиг.2 представлен продольный разрез элемента I на фиг.1; на фиг.3 представлен поперечный разрез А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the plunger of a downhole sucker rod pump; figure 2 presents a longitudinal section of the element I in figure 1; figure 3 presents a cross section aa in figure 1.

Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.It should be noted that in the drawings for clarity only those details are presented that are necessary for understanding the essence of the technical solution, and related equipment, well known to specialists in this field, is not shown in the drawings.

Скважинный штанговый насос содержит неподвижный цилиндр 1 со всасывающим клапаном (на чертеже не показан) и установленный в цилиндре 1 с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси цилиндра 1 полый плунжер 2 с нагнетательным клапаном 3.The downhole sucker rod pump comprises a stationary cylinder 1 with a suction valve (not shown in the drawing) and installed in the cylinder 1 with the possibility of reciprocating movement along the axis of the cylinder 1, a hollow plunger 2 with a discharge valve 3.

Насос снабжен уплотнительным устройством в виде набора металлических разрезных колец 4 прямоугольного сечения, нанизанных на полый внутри цилиндрический корпус плунжера 2.The pump is equipped with a sealing device in the form of a set of metal split rings 4 of rectangular cross-section, strung on a hollow inside the cylindrical body of the plunger 2.

Смещение колец 4 вдоль оси корпуса плунжера 2 ограничено снизу корпусом нагнетательного клапана 3, выполненным с держателем седла клапана 5, а сверху - регулировочной гайкой 6, ограниченной от самопроизвольного отворачивания стопорным кольцом 7 и корпусом клапана 8.The displacement of the rings 4 along the axis of the body of the plunger 2 is limited from below by the body of the discharge valve 3, made with a valve seat holder 5, and from above by an adjusting nut 6, limited from spontaneous unscrewing by the retaining ring 7 and the valve body 8.

На наружной стороне корпуса плунжера 2, через равные расстояния, профрезерованы четыре продольных паза, имеющих прямоугольное сечение. Внутрь пазов вставлены упорные планки 9. Внешняя сторона упорных планок 9 имеет форму дуги окружности, совпадающей с формой внешней поверхности корпуса плунжера 2.On the outer side of the body of the plunger 2, at equal distances, four longitudinal grooves having a rectangular section are milled. Thrust strips 9 are inserted inside the grooves. The outer side of the thrust strips 9 has the shape of a circular arc matching the shape of the outer surface of the plunger body 2.

Вдоль продольной оси каждого паза, перпендикулярно оси корпуса плунжера 2, через равные расстояния, просверлены отверстия, оси которых совпадают с радиусом сечения корпуса плунжера 2, проходящего через центр отверстия. В отверстия вкручены металлические гильзы 10, в которых расположены металлические поршни 11.Along the longitudinal axis of each groove, perpendicular to the axis of the body of the plunger 2, through equal distances, holes are drilled whose axes coincide with the radius of the cross section of the body of the plunger 2 passing through the center of the hole. Metal sleeves 10 are screwed into the holes, in which metal pistons 11 are located.

Один торец поршня 11 примыкает к упорной планке 9, а другой - совпадает с внутренней поверхностью корпуса плунжера 2.One end of the piston 11 is adjacent to the thrust bar 9, and the other coincides with the inner surface of the plunger body 2.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При движении плунжера 2 из нижней мертвой точки вверх нагнетательный клапан 3 закрыт. В этот момент на внутреннюю поверхность штока плунжера 2 действует сила давления жидкости, равная давлению, создаваемому динамическим уровнем скважины. Кроме того, в момент ускорения плунжера 2 возникает давление, связанное с действием сил инерции на столб жидкости внутри колонны.When the plunger 2 moves from bottom dead center up, the discharge valve 3 is closed. At this moment, the force of the fluid pressure equal to the pressure created by the dynamic level of the well acts on the inner surface of the stem of the plunger 2. In addition, at the time of acceleration of the plunger 2 there is a pressure associated with the action of inertia forces on the liquid column inside the column.

Надплунжерный столб откачиваемой жидкости своим давлением воздействует на поршни 10, которые, в свою очередь, давят на упорные планки 9.The supra-plunger column of the pumped-out fluid acts on the pistons 10, which, in turn, press on the thrust bars 9.

Упорные планки 9, воздействуя на внутреннюю поверхность разрезных колец 4 в четырех точках, деформируют их в радиальном направлении до момента контакта со стенками цилиндра 1, благодаря чему происходит уменьшение зазора в сопряжении «плунжер-цилиндр» по мере износа боковой поверхности разрывных колец 4 и зеркала цилиндра 1.Thrust strips 9, acting on the inner surface of the split rings 4 at four points, deform them in the radial direction until they contact the walls of the cylinder 1, due to which the clearance in the “plunger-cylinder” mate decreases as the side surface of the rupture rings 4 and the mirror wear cylinder 1.

Кроме сил упругости деформации колец 4 препятствуют силы трения, возникающие между торцовыми поверхностями колец 4.In addition to the elastic forces of deformation of the rings 4, frictional forces that arise between the end surfaces of the rings 4 interfere.

Силу трения регулируют моментом затяжки регулировочной гайки 6. Таким образом, имеется возможность ограничивать силы реакции колец 4 на стенки цилиндра 1.The friction force is regulated by the tightening torque of the adjusting nut 6. Thus, it is possible to limit the reaction forces of the rings 4 on the walls of the cylinder 1.

Во время работы насоса возможно самопроизвольное отворачивание регулировочной гайки 6, которое блокируют стопорным кольцом 7.During operation of the pump, it is possible to spontaneously loosen the adjusting nut 6, which is blocked by the locking ring 7.

При равномерной деформации колец 4 происходит уменьшение зазора между поверхностью кольца 4 и стенкой цилиндра 1, что препятствует увеличению утечек в сопряжении «плунжер-цилиндр».With uniform deformation of the rings 4, there is a decrease in the gap between the surface of the ring 4 and the wall of the cylinder 1, which prevents an increase in leakage in the “plunger-cylinder” interface.

Для создания усилий, действующих на кольца 4 изнутри, используют стальные поршни 11, установленные в гильзы 10, которые, в свою очередь, установлены в шток плунжера 2.To create the forces acting on the rings 4 from the inside, use steel pistons 11 installed in sleeves 10, which, in turn, are installed in the stem of the plunger 2.

Герметичность соединения штока цилиндра 1 с гильзой 10 достигают применением герметизирующих составов. Герметичность пары «гильза-поршень» достигают притиркой контактирующих поверхностей для достижения величины зазора до 4 микрон.The tightness of the connection of the rod of the cylinder 1 with the sleeve 10 is achieved by the use of sealing compounds. The tightness of the sleeve-piston pair is achieved by lapping the contacting surfaces to achieve a clearance of up to 4 microns.

Соединение штока цилиндра 1 с гильзой 10 делают разъемным для обеспечения возможности применения пар «гильза-поршень» различных типоразмеров. Усилие на поршень 11 создается за счет давления жидкости в полости плунжера 2.The connection of the cylinder rod 1 with the sleeve 10 is made detachable to allow the use of pairs of "sleeve-piston" of various sizes. The force on the piston 11 is created due to the pressure of the fluid in the cavity of the plunger 2.

Давление на поршень 11 складывается из двух величин. Первая - давление столба жидкости, равного динамическому уровню скважины, вторая - давление жидкости, возникающее за счет сил инерции при ходе плунжера 2 вверх.The pressure on the piston 11 is composed of two quantities. The first is the pressure of the liquid column equal to the dynamic level of the well, the second is the pressure of the liquid arising due to inertia during the upward movement of the plunger 2.

Регулировка усилий распирающего давления на кольца 4 осуществляется за счет применения поршней 11, имеющих различную площадь поверхности, и за счет изменения сил трения между торцевыми поверхностями колец 4 путем изменения усилия, создаваемого регулировочной гайкой 6.The adjustment of the forces of bursting pressure on the rings 4 is carried out through the use of pistons 11 having different surface areas, and by changing the friction forces between the end surfaces of the rings 4 by changing the forces created by the adjusting nut 6.

Заявляемое техническое решение позволяет упростить конструкцию плунжера и одновременно с этим обеспечить в течение длительного периода эксплуатацию скважин за счет эффективного уплотнения пары плунжер-цилиндр скважинного штангового насоса.The claimed technical solution allows to simplify the design of the plunger and at the same time provide for a long period of operation of the wells due to the effective sealing of the pair of plunger-cylinder downhole sucker rod pump.

Устройство позволяет минимизировать зазоры в сопряжении «плунжер-цилиндр» за счет радиальной деформации колец, происходящей вследствие передачи на них давления жидкости внутри плунжера через поршни и упорные планки.The device allows you to minimize the gaps in the pairing “plunger-cylinder” due to the radial deformation of the rings due to the transfer of fluid pressure on them inside the plunger through the pistons and thrust bars.

Устройство обеспечивает возможность регулировки сил реакции колец на стенки цилиндра за счет увеличения или уменьшения сил трения между боковыми поверхностями колец путем изменения давления на набор колец, создаваемого регулировочной гайкой, а также дает возможность регулировки сил реакции колец на стенки цилиндра за счет применения поршней разных диаметров.The device provides the ability to adjust the reaction forces of the rings on the cylinder walls by increasing or decreasing the friction forces between the side surfaces of the rings by changing the pressure on the set of rings created by the adjusting nut, and also makes it possible to adjust the reaction forces of the rings on the cylinder walls due to the use of pistons of different diameters.

Claims

Скважинный штанговый насос, содержащий цилиндр со всасывающим клапаном, установленный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения полый плунжер с нагнетательным клапаном, и уплотнительное устройство, размещенное между цилиндром и плунжером, отличающийся тем, что уплотнительное устройство включает набор разрезных колец, установленных на корпусе плунжера и ограниченных от осевого смещения, при этом плунжер содержит гильзы с поршнями, предназначенные для восприятия силы давления столба жидкости в полости плунжера и передаче усилия на разрезные кольца, ограниченные сверху регулировочной гайкой, момент затяжки которой определяет силу реакции разрезных колец на стенки цилиндра. A downhole sucker rod pump comprising a cylinder with a suction valve installed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement of a hollow plunger with a discharge valve, and a sealing device located between the cylinder and the plunger, characterized in that the sealing device includes a set of split rings mounted on the plunger body and limited from axial displacement, the plunger contains sleeves with pistons designed to absorb the pressure force of the liquid column in the cavity of the plunger and the transfer of force to the split rings, limited from above by an adjusting nut, the tightening torque of which determines the reaction force of the split rings to the cylinder walls.