Коэффициент наполнения штангового скважинного насоса

         Наличие прорези 17 на цилиндрическом кольце 16 совместно с прорезью 6 в упругом цилиндрическом кольце-основании 5 при соответствующей жёсткости и податливости рёбер 4 позволяют направляющему устройству 3 упруго деформироваться и амортизировать действие нагрузок со стороны шарика 7 и действие струи жидкости.

          Недостатком данного клапана является то, что при протекании откачиваемой жидкости из подклапанной в надклапанную полость, в зоне цилиндрической выточки жидкость встречает сопротивление других вертикальных рёбер направляющего устройства, выполненных плоской формы, и происходит завихрение жидкости. Кроме того, направляющее устройство приведённой конструкции не технологично в изготовлении, требует специального прессового оборудования и штамповой оснастки [7].

           На рисунке 1.5 показан клапанный узел скважинного штангового насоса для эксплуатации наклонно направленных скважин, изобретённый    А.В. Сергиевским  в 1988 году.

             Клапанный узел содержит соединительную головку 1, с помощью которой крепится к цилиндру скважинного штангового насоса. В корпусе 2 во втулке 3 располагается клапан 6, установленный с возможностью самоустановки на сферической опоре 7. Втулка 3 сверху и снизу взаимодействует с пружинами 4 и 5. Корпус 2 и втулка 3 выполнены с радиальными отверстиями 12 и 11, при совмещении которых надклапанная полость соединяется со скважинным пространством и происходит промывка клапана, этим обеспечивается увеличение надёжности.

              Для обеспечения вертикального положения клапана 6 независимо от положения корпуса 2 в наклонно направленной скважине клапан                                                                                                                                                                                                        6 снабжён балансиром 8. Для фиксации втулки 3 относительно     корпуса 2 в период операций при спуске насоса в скважину предусмотрен срезной штифт 9. На чертеже клапанный узел показан в рабочем положении после срезания штифта 9 и разделения его на две части. В нижней части корпуса 2 клапанного узла располагается сквозная крышка 10.

Клапанный узел работает следующим образом.

В процессе спуска насоса втулка 3 фиксируется относительно корпуса 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5 – Клапан конструкции   А. В. Сергиевского

 

штифтом 9. При этом отверстия 11 и 12 совмещены, что позволяет осуществить  промывку клапана перед пуском насоса в работу. После спуска на колонне  штанг плунжера (не показан) последний воздействует на втулку 3, перемещая её вниз, в результате чего срезается штифт 9, и две его части остаются в отверстиях корпуса и втулки. После этого клапанный узел готов к работе. В процессе работы насоса при движении его плунжера вниз клапан 6 воспринимает нагрузку от веса столба жидкости, и втулка 3 опускается, сжимая пружину 5. В момент совмещения отверстий 11 и 13 жидкость из надклапанной полости вытекает в скважинное пространство и промывает клапан 6 от скопившихся механических примесей.

          При ходе плунжера вверх пластовая жидкость через отверстие в крышке 10, клапан 6, через соединительную головку 1 направляется в цилиндр скважинного насоса. Одновременно втулка 3 под действием сжатой пружины 5 перемещается вверх. Для ограничения её перемещения вверх служит пружина 4.

           При спуске насоса в наклонно направленную скважину клапан 6 занимает вертикальное положение, поворачиваясь относительно сферической опоры 7 под действием балансира 8. При этом он сохраняет свою работоспособность независимо от положения в пространстве скважинного насоса и корпуса клапанного узла 2 [8].

            В 1996 году ЦНИЛ ПО «Оренбургнефть» разработало клапан скважинного штангового насоса, в котором осевой канал направляющей втулки клапана снабжён сквозными продольными прорезями, сообщающимися со сливными окнами для нагнетательного клапана или с основным каналом прохода жидкости для всасывающего клапана. Радиальная перегородка, образованная между двумя соседними продольными прорезями, на месте контакта с направляющим стержнем тарельчатого клапана выполнена со скосом в обе стороны от оси симметрии перегородки.

            На рисунке 1.6 приведён нагнетательный клапан, общий вид; на рисунке 2.7   – то же, продольный разрез; на рисунке 2.8 и 2.9 – поперечные сечения Б-Б и В-В на рисунке 2.6; на рисунке 2.10 – разрез всасывающего клапана; на рисунке 2.11 – сечение Г-Г на рисунке 1.10; на рисунке 1.12 и 1.13 – вид по стрелке А, поясняющий принцип выдавливания жидкости из зазора.

               Клапан скважинного штангового насоса состоит из корпуса 1, где размещён запорный орган, выполненный в виде тарелки 2 и седла 3 с уплотнительной поверхностью на его торце. На нагнетательном клапане седло является связующим элементом между плунжером (не указан) и корпусом клапанного узла. Корпус нагнетательного клапана насоса имеет сливные окна 4. В осевом канале 5 корпуса размещён направляющий стержень 6 тарелки. Сквозные продольные прорези 7 в корпусе нагнетательного клапана сообщаются со сливными окнами и кольцевым пространством на верхней части корпуса. Между двумя соседними продольными прорезями образована радиальная перегородка 8. Место контакта перегородки со стержнем тарелки выполнено со скосом 9 в обе стороны от его оси симметрии или оно имеет закруглённую форму 10.

           На всасывающем клапане сквозные продольные прорези выполнены в направляющей втулке 11. Осевой канал 5 втулки с помощью сквозных продольных прорезей сообщается с основными каналами прохода жидкости. При этом радиальные перегородки 8 в направляющей втулке 11 выполнены таким же образом, как и на нагнетательном клапане.

Данный клапан работает следующим  образом.

           Клапан скважинного штангового насоса состоит из корпуса 1, где размещён запорный орган, выполненный в виде тарелки 2 и седла 3 с уплотнительной поверхностью на его торце. На нагнетательном клапане седло является связующим элементом между плунжером (не указан) и корпусом клапанного узла. Корпус нагнетательного клапана насоса имеет сливные окна 4. В осевом канале 5 корпуса размещён направляющий стержень 6 тарелки. Сквозные продольные прорези 7 в корпусе нагнетательного клапана сообщаются со сливными окнами и кольцевым пространством на верхней части корпуса. Между двумя соседними продольными прорезями образована радиальная перегородка 8. Место контакта перегородки со стержнем тарелки выполнено со скосом 9 в обе стороны от его оси симметрии или оно имеет закруглённую форму 10.

            На всасывающем клапане сквозные продольные прорези выполнены в направляющей втулке 11. Осевой канал 5 втулки с помощью сквозных продольных прорезей сообщается с основными каналами прохода жидкости. При этом радиальные перегородки 8 в направляющей втулке 11 выполнены таким же образом, как и на нагнетательном клапане.

Данный клапан работает следующим образом.

        При ходе плунжера вверх запорный орган в виде тарелки всасывающего клапана потоком жидкости толкает вверх. Для обеспечения подвижности тарелки 2 конструктивно предусмотрен зазор между осевым каналом 5 втулки 11 и направляющим стержнем 6 тарелки. Наличие зазора на месте сопряжения подвижной детали (стержень тарелки) и неподвижной детали (направляющая втулка 11 или корпус 1 нагнетательного клапана) и некоторая неуравновешенность самой тарелки 2 приводит к тому, что восходящим потоком жидкости тарелка выталкивается наверх с некоторым наклоном в ту или иную сторону от вертикали. При резком движении

 

                                                  

 

Рис. 1.8 – Поперечное сечение    нагнетательного клапана

 

 

      

 

 

 

 

 

Рис. 1.7 – Продольный разрез нагнетательного клапана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 .9 – Поперечное сечение

          нагнетательного клапана

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      Рис. 1.11 – Сечение клапана

 

 

 

 

Рис. 1.10 – Разрез всасывающего клапана

 

наклонного стержня тарелки вверх на месте касания с радиальной перегородкой 8 на стержне 6 возникает незначительная поперечная динамическая сила, которая давит на контактирующую поверхность радиальной перегородки и выдавливается с места контакта скопившаяся масса твёрдых включений с нефтью или другой жидкостью по наклонной плоскости перегородки 8 в общий канал прохода жидкости клапана. На рисунке 1.12 и 1.13 стрелкой показана возможность выдавливания твёрдых включений при скошенной форме места касания со стержнем, а

 

 

Рис. 1.12 – Вид, поясняющий принцип выдавливания жидкости из

зазора

                                                              

Рис. 1.13 – Вид, поясняющий принцип выдавливания жидкости из

зазора

                                                          

также при округлённой  форме края радиальной перегородки.

       Выполнение сквозных продольных прорезей 7 во втулке и образование скосов 9  на радиальных перегородках 8 резко уменьшило площадь контактирующих поверхностей стержня во втулке или в корпусе нагнетательного клапана. Это дало возможность при малых поперечных силах давления на поверхности стержня тарелки увеличить удельное давление на месте контакта сопрягаемых деталей и способствовало выдавливанию с вышеуказанного зазора механических включений в общий канал прохода жидкости. Этот процесс выдавливания происходит при каждом цикле работы насоса. Кроме того, естественные поперечные колебания низа колонны подъёмных труб вместе с плунжером насоса также способствуют возникновению переменных поперечных сил на стержне тарелки, которые дают дополнительную возможность выдавливать с зазора механическую примесь в общий канал прохода жидкости. Постоянное удаление механической примеси с осевого канала втулки или корпуса, где размещён направляющий стержень тарелки, самим стержнем, предотвращает его заклинивание при откачке жидкости, содержащей механическую примесь, и повышает надёжность работы клапана насоса. Соединение осевого канала 5 при помощи сквозных прорезей 7 направляющей втулки 11 с основными каналами прохода жидкости приводит к увеличению общей площади прохода жидкости через клапанный узел насоса, что способствует также некоторому уменьшению потери напора насоса [9].

Рис. 1.14 – Клапан конструкции          Рис. 1.15 – Поперечный разрез

                          ТОО «Олта»                                             клапана

                                           

           На рисунке 1.14 показан шариковый клапан глубинного насоса, изобретённый в 1999 году ТОО «Олта».

          Он  состоит из корпуса 1 с расточкой 2, которая заканчивается фаской 3. Внутри корпуса 1 установлено седло 4 с гнёздами 5, выполненными на верхнем торце седла, шарика 6 и направляющего устройства 7, изготовленного из проволоки в виде, по меньшей мере, одной полурамки, которая своими заплечиками упирается в фаску 3 расточки 2, а концами установлена в гнёздах 5 седла 4, и всё это в сборе закреплено наконечником 8. Значительно уменьшается гидравлическое сопротивление откачиваемой жидкости при протекании из подклапанной в надклапанную полость.

Сущность изобретения  поясняется чертежами, где на рисунке 2.14 изображён общий вид клапана  в разрезе; на рисунке 2.15 – поперечный разрез клапана по А-А.

       Шариковый клапан работает следующим образом.

       При соответствующем ходе плунжера глубинного насоса клапан открывается, и откачиваемая жидкость перетекает из подклапанной полости 9 в надклапанную полость 10, при этом шарик 6 потоком откачиваемой жидкости поднимается вверх до соприкосновения с заплечиками 11 рамки 7, амортизируя нагрузки, действующие на шарик. Жидкость протекает через зазор, образованный поверхностями шарика 6 и проточки 2, при этом, без особого сопротивления обтекает рёбра направляющего устройства, выполненные из проволоки круглого сечения.

        При обратном ходе плунжера шарик 6, центрируясь по направляющему устройству, садится на уплотнительный поясок седла 4, прижимается надклапанным столбом откачиваемой жидкости, закрывает клапан [10]. 

Основными недостатками шариковых клапанов являются:

1) технология изготовления шарика имеет многоступенчатое исполнение, износостойкость шариков достигается за счёт применения специальных материалов и термообработки, что исключает возможность их производства в условиях АНК «Башнефть» и вызывает необходимость заказа со стороны, по ценам заводов – изготовителей, являющихся монополистами в данной отрасли;

2) надёжность шарикового  клапанного узла полностью не  обеспечивается, так как герметизирующее  контактное касание подчиняется  линейному принципу;

3) при откачке высоковязких нефтей  использование серийных шариковых клапанов существенно снижает коэффициент наполнения насоса.

 

1.2 Клапаны других конструкций

          Из клапанов других конструкций необходимо выделить плоский клапан с диском (рис.1.16), изготовленный с целью увеличения проходного сечения для жидкости, а также конический клапан капельного типа (рис.  1.17), форма которого способствует сокращению сопротивления, возникающего при прохождении жидкости.