Самоущільнювальний плунжер штангового насоса

Винахід відноситься до галузі механізованого видобутку нафти, а саме до глибинних штангових насосів. Відомо, що є манжетний плунжер, ущільнення якого в циліндрі насоса забезпечується манжетами, які виготовлені з пружного матеріалу (найчастіше з гуми) і встановлюються на поверхні плунжера. ЦІ плунжера можуть використовуватись лише для відкачки чистих рідин без наявності механічних домішок. Крім того, насоси з манжетними плунжерами можуть бути використані лише на малих глибинах (до 500 м) і мають дуже обмежений ресурс роботи, за рахунок інтенсивного витирання манжет. Внаслідок перелічених недоліків манжетні плунжера цієї конструкції застосування в нафтовидобувній промисловості не одержали [1]. Більш подібним за своєю роботою до заявленого є манжетний плунжер свердловинного штангового насоса [2]. Манжетний плунжер складається з трубчатого корпуса, в нижній частині якого встановлено нагнітальний клапан. На трубчатому корпусі розміщені з можливістю осьового переміщення підпружинені розпорні та герметизуючі кільця, які взаємодіють своїми конічними поверхнями. Герметизуючі кільця виготовляються з м'якого матеріалу, наприклад, з міді або латуні. При роботі насоса конічні поверхні герметизуючих кілець· розтискаються розпорними кільцями назовні і притискаються до стінок циліндра. До недоліків відомого само-ущільнюючого плунжера належить те, що ущільнення його в циліндрі насоса відбувається за рахунок вузьких смужок на торцях герметизуючих кілець. При відкачці рідини з абразивними включеннями можлива поява задирів на розтиснутих торцях ущільнюючих кілець, що приводить до великих перетоків рідини в парі циліндр-плунжер. Крім того, під час роботи насоса проходить нерівномірне зношення циліндра насоса, внутрішня поверхня якого приймає овальну форму, та значне збільшення діаметра циліндра в його середній частині порівняно з кінцевими частинами. Розтиснення торцевих поверхонь ущільнюючих кілець проходить рівномірно по колу, що не дає можливості компенсувати овальність циліндра та його більш Інтенсивну спрацьованість в середній частині, де швидкість руху плунжера найвища. Це приводить до зменшення подачі насоса, внаслідок чого треба міняти його циліндр на новий. 1. Використання в прототипі ущільнюючих кілець з високопластичних матеріалів (наприклад, латунь), мала площа ущільнюючого контакту кілець з циліндром, а відповідно високі контактні зусилля та напруження призводить до швидкого спрацювання кілець і не дозволяє створити надійне ущільнення в плунжерній парі. 2. В основу винаходу поставлено завдання створити самоущільнюючий плунжер штангового насоса, який за рахунок введення та виконання нових елементів дозволяє створити надійне ущільнення в плунжерній парі на протязі тривалого стану експлуатації, незалежно від властивостей відкачуваємої рідини і стану каналу циліндра, а внаслідок цього - підвищити ефективність роботи насоса за рахунок збільшення міжремонтного періоду його роботи, зменшення втрат рідини в плунжерній парі І продовження строку експлуатації насоса в цілому. Суть винаходу полягає в тому, що самоущільнюючий плунжер штангового насоса складається з несучого трубчатого корпуса, в каналі якого встановлено нагнітальний клапан, на поверхні корпуса встановлено втулки з пружного матеріалу, а на них надіто ущільнюючий елемент у вигляді циліндричної стрічкової пружини, який зафіксовано від повздовжнього переміщення кінцевими фіксаторами, які попередньо стискують трубчаті втулки з пружного матеріалу. Суттєвими відмінностями заявленого самоущільнюючого плунжера є те, що на поверхні несучого трубчатого корпуса встановлено втулки з пружного матеріалу, на які надіто ущільнюючий елемент у вигляді циліндричної стрічкової пружини, фіксованої від поздовжнього переміщення кінцевими фіксаторами, які попередньо зтискують втулки з пружного матеріалу. 3. Під час роботи насоса в свердловині на втулки з пружного матеріалу тисне стовп рідини, що знаходиться в трубах над насосом, під дією якого вони деформуються І тиснуть на внутрішню поверхню стрічкової пружини. Стрічкова пружина розкручується, збільшуючись в розмірі і И витки притискаються до стінок циліндра, ущільнюючи плунжерну пару. Так як стрічкова пружина працює в межах пружної деформації матеріалу, вона виготовляється з високоякісної вуглецевої сталі з високими механічними характеристиками, такими яку стандартного плунжера насоса. У насоса з стандартним плунжером Існує початковий просвіт між плунжером і циліндром. Під час роботи насоса відбувається зпрацювання робочих поверхонь плунжера і циліндра і початковий просвіт постійно збільшується і відповідно постійно зростає втрата рідини в плунжерній парі. При зпрацюванні стандартного плунжера на 0,2-0,3 мм по діаметру втрати рідини стають такими великими, що далі експлуатувати насос стає неможливо. Що стосується самоущільнюючого плунжера з стрічковою пружиною, то початковий просвіт в плунжерній парі практично дорівнює нулю і втрати рідини фактично не має. При роботі насоса внаслідок компенсаційній властивості стрічкової пружини, запрацювання плунжера і циліндра не приводить до збільшення просвіту в плунжерній парі до повного зпрацювання стрічкової пружини. Стрічкова пружина притискається до циліндра всією своєю поверхнею і внаслідок великої площі контакту на неї діють малі контактні зусилля, що зменшує швидкість зпрацювання. Відсутність початкового просвіту не дозволяє попаданню піску між плунжером і циліндром, що значно збільшує міжремонтний період роботи насоса. Роботоздатність насоса з самоущільнюючим плунжером повністю зберігається до повного протирання витків стрічкової пружини на повну їх товщину. Товщина стінок витків стрічкової пружини коливається від 2,5 до 4 мм в залежності від типорозміру насоса і зпрацювання поверхні стрічкової пружини на 2-3 мм по діаметру (тобто на порядок більше) не призводить до втрати працездатності насоса і таким чином самоущільнюючий плунжер має набагато більший ресурс експлуатації, ніж стандартний сталевий плунжер. Крім того, постійне підтримування високої щільності в плунжерній парі призводить до збільшення коефіцієнту заповнення насоса і подачі рідини, що вцілому значно поліпшує експлуатаційні характеристики насоса. Що стосується збільшення строку експлуатації насоса, та він полягає в багатократному використанні зпрацьованого циліндра насоса в комплекті з само-ущільнюючим плунжером з стрічковою пружиною. Під час роботи насоса проходить зпрацювання робочих поверхонь як плунжера так і циліндра. На відміну від плунжера циліндр насоса зпрацьовується по довжині нерівномірно. В середній частині циліндра збільшення діаметру отвору та його овальності, від номінальних параметрів, є максимальні, в той час коли на кінцевих частях вони значно менші. Це явище виникає внаслідок того, що швидкість руху плунжера в середині циліндра є найвища. Насоси з зпрацьованими циліндрами підлягають вибраковці, так як примітити для ремонту насоса стандартний плунжер діаметра дещо більшого від попереднього неможливо, тому що підібраний стандартний плунжер більшого діаметру, який можна вставити в циліндр, буде щільно рухатись в кінцевих частинах циліндра, але в його середній частині між плунжером і циліндром буде значний просвіт і неприпустимо великі втрати рідини. Застосування самоущільнюючого плунжера з стрічковою пружиною дозволяє багаторазове використання зпрацьованого циліндра, вартість якого дорівнює майже 80% від вартості всього насоса. Де можливо тому, що відповідно властивості витків стрічкової пружини розтискатись і зтискатись під дією навантаження, вони приймають при русі плунжера форму і діаметр отвору циліндра, незалежно від місця, де рухається плунжер. При повному зпрацюванні самоущільнюючого плунжера, ремонт насоса полягає тільки в заміні зпрацьованої стрічкової пружини на нову. Такі властивості самоущільнюючого плунжера з стрічковою пружиною дозволяють набагато продовжити строк експлуатації штангового насоса. Таким чином, в результаті введення в конструкцію плунжера таких нових елементів, як ущільнюючий елемент в вигляді стрічкової пружини, надітої на деформуємі втулки з пружного матеріалу, дозволяє збільшити міжремонтний період і продовжити строк експлуатації насоса, при зменшенні втрат рідини в плунжерній парі, тобто вцілому підвищити ефективність роботи насоса. На кресленні показано поздовжний розріз самоущільнюючого плунжера штангового насоса. Самоущільнюючий плунжер включає несучий трубчатий корпус 1, на нижньому кінці якого закріплено перехідник 2, в якому встановлено нагнітальний клапан 3. На верхньому кінці корпуса 1 закріплено штанговий перехідник 4, з'єднаний зі штангами (на фіг. не показано). На несучий корпус 1 встановлено втулки 5 з пружного матеріалу, між якими розміщено кільця 6. На втулки 5 надіто ущільнюючий елемент 7 у вигляді циліндричної стрічкової пружини, яка обмежена від поздовжнього переміщення кінцевими фіксаторами 8. Кінцеві фіксатори 8 крім того, виконують попереднє стискання втулок 5 з допомогою гайки 9. Працює самоущільнюючий плунжер таким чином. Під час ходу колони насосних штанг вниз плунжер переміщується в нижній кінець циліндра насоса. За рахунок попереднього стиску кінцевими фіксаторами 8 з допомогою гайки 9 втулок 5 з пружного матеріалу забезпечується прилягання витків ущільнюючого елементу 7 до стінок циліндра. Нагнітальний клапан 3 плунжера відкривається, а всасуючий клапан на циліндрі насоса закривається. Рідина, яка заповнює циліндр насоса, перетікає через отвір нагнітального клапана 3 та канал несучого корпуса 1 над плунжер. При ході колони насосних штанг разом з плунжером вверх нагнітальний клапан плунжера З закривається і рідина, яка знаходиться в насосно-компресорних трубах над плунжером, подається на поверхню. При цьому вага стовпа рідини тисне в насосно-компресорних трубах на втулки 5 з пружного матеріалу, які деформуючись збільшуються в діаметрі і примушують ущільнюючий елемент 7 розгортатися, внаслідок чого його витки щільно притискаються до стінок циліндра І забезпечують надійну герметичність пари циліндр-плунжер. Кінцеві фіксатори 8 не заважають розкручуванню витків ущільнюючого елемента 7, але не дають йому можливості переміщуватися відносно несучого трубчатого корпуса 1. Ущільнюючий елемент 7 виготовляють з матеріалу, стійкого до витирання та дії абразивних частинок (наприклад, з пружинної сталі, яка пройшла певну термообробку). Величина допустимого зношування поверхонь циліндра та плунжера в штангових насосах, як з суцільнометалевими плунжерами, так і з манжетними плунжерами різних конструкцій, коливається в межах десятих міліметра на діаметр. В цей час самоущільнюючий плунжер описаної конструкції дозволяє компенсувати величину зносу пари циліндр-плунжер на величину до 2-2,5 мм на діаметр, що набагато збільшує ресурс експлуатації штангового насоса. Крім того, є можливість експлуатувати насоси з циліндрами, внутрішня поверхня яких має овальну форму та нерівномірний знос по довжині, так як стрічкові витки ущільнюючого елемента весь час приймають форму отвору циліндра і щільно притискаються до його поверхні. Це все дозволяє підвищити ефективність роботи та збільшити строк експлуатації штангового насоса.