RU2090780C1

RU2090780C1 - Deep-well sucker-rod pump

Info

Publication number: RU2090780C1
Application number: RU96113004A
Authority: RU
Inventors: Сергей Борисович Борисов
Original assignee: Сергей Борисович Борисов
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1997-09-20

Abstract

FIELD: oil production; deep-well sucker-rod pumps for pumping liquids at considerable content of abrasive admixtures out of wells of considerable curvilinearity. SUBSTANCE: pump includes cylinder with hollow plunger movably located in it. Plunger is provided with sets of seals made from polymer sealants and metal spring rings. Outer surface of plunger is provided with recess which forms circular chamber for lubricant together with wall of cylinder and sets of seals. Each set of seals consists of two polymer seals made in form of collars possessing different hardness. Collars are provided with selling jaws and two metal spring rings. Collars are mounted on webs of plunger bounding the recess. Softer collars are positioned on side of circular chamber. Surface of sealing jaws which is in contact with cylinder is made at angle of 6-7 deg to it. Metal spring rings protect collars against external pressure of column of liquid being handled. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к штанговым глубинным насосам, и может быть использовано для откачки жидкости из скважин значительной криволинейности и с большим содержанием абразивных частиц. The invention relates to the field of oil production, in particular to sucker rod pumps, and can be used to pump liquid from wells of significant curvature and with a high content of abrasive particles.

Известен скважинный штанговый насос (см. а.с. СССР N 1610073 от 30.11.90 по кл. F 04 B 47/02), содержащий цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер с уплонительными кольцами, установленными на его боковой поверхности. A well-known sucker rod pump (see AS USSR N 1610073 from 11/30/90 according to class F 04 B 47/02) containing a cylinder and a hollow plunger movably located in it with extension rings mounted on its side surface.

Недостатком данного насоса является то, что абразивные частицы через щелевой зазор пары плунжер-цилиндр под давлением столба перекачиваемой жидкости внедряются в материал уплотнительных колец, чем создают дополнительную фрикцию, а это приводит к быстрому износу пары плунжер-цилиндр и тем самым к снижению долговечности насоса. The disadvantage of this pump is that abrasive particles are introduced into the material of the sealing rings through the slotted gap of the plunger-cylinder pair under the pressure of the pumped liquid column, thereby creating additional friction, and this leads to rapid wear of the plunger-cylinder pair and thereby reducing the durability of the pump.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является скважинный штанговый насос, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ N 2030635 от 10.03.95 по кл. F 04 B 47/00), содержащий цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер, имеющий на боковой поверхности полимерные уплотнители и металлические пружинные кольца, установленные в канавках на наружной поверхности уплотнителей. The closest in technical essence to the claimed is a borehole sucker rod pump, selected as a prototype (see RF patent N 2030635 from 03/10/95 according to class F 04 B 47/00), containing a cylinder and a hollow plunger located movably in it, having side surface polymer seals and metal spring rings installed in grooves on the outer surface of the seals.

Недостатком этого насоса является то, что через тепловой зазор пружинных колец мелкие абразивные частицы проникают в щелевой зазор пары плунжер-цилиндр, конструкция пружинных колец при этом не предусматривает выход абразивных частиц из щелевого зазора. Накапливание в этом зазоре абразивных частиц приводит к интенсивному износу пары плунжер-цилиндр, в результате увеличивается щелевой зазор, следовательно, увеличиваются перетечки жидкости, что отрицательно сказывается на производительности и долговечности насоса. The disadvantage of this pump is that through the thermal gap of the spring rings, small abrasive particles penetrate into the slot gap of the plunger-cylinder pair, the design of the spring rings does not provide for the exit of the abrasive particles from the slot gap. The accumulation of abrasive particles in this gap leads to intensive wear of the plunger-cylinder pair, as a result of which the slit gap increases, and consequently, the fluid flow increases, which negatively affects the performance and durability of the pump.

Кроме того, плунжер данного насоса трудоемкий в изготовлении. In addition, the plunger of this pump is laborious to manufacture.

Задачей изобретения является увеличение производительности и ресурса работы насоса за счет уменьшения износа пары плунжер-цилиндр, особенно при большом содержании абразивных примесей в откачиваемой жидкости и при значительной криволинейности скважин. The objective of the invention is to increase the productivity and service life of the pump by reducing the wear of the pair of plunger-cylinder, especially with a high content of abrasive impurities in the pumped liquid and with significant curvature of the wells.

Поставленная задача достигается тем, что в штанговом глубинном насосе, содержащем цилиндр и расположенный подвижно в нем полый плунжер с комплектами уплотнений из полимерных уплотнителей и металлических пружинных колец, на наружной поверхности плунжера выполнено углубление, образующее со стенкой цилиндра и с комплектами уплотнений кольцевую камеру для смазочного материала, при этом каждый комплект уплотнений состоит по меньшей мере из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет с уплотнительными губками, установленных на полках плунжера, ограничивающих углубление, причем более мягкие манжет расположены ближе к кольцевой камере, а уплотнительные губки манжет направлены от торцов указанной камеры, и по меньшей мере из двух металлических пружинных колец, установленных с возможностью предохранения манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости. The problem is achieved in that in the sucker rod pump containing the cylinder and the hollow plunger movably located in it with seal sets of polymer seals and metal spring rings, a recess is formed on the outer surface of the plunger, forming an annular chamber for lubricating with the cylinder wall and seal sets material, with each set of seals consists of at least two different hardness of polymer seals in the form of cuffs with sealing lips, installed located on the shelves of the plunger, restricting the recess, the softer cuffs being located closer to the annular chamber, and the sealing lips of the cuffs directed from the ends of the specified chamber, and at least two metal spring rings installed with the possibility of protecting the cuffs from the external pressure of the pumped liquid column.

Наличие в предлагаемом насосе кольцевой камеры, образованной углублением на наружной поверхности плунжера, стенкой цилиндра и комплектами уплотнений, заполняемой при установке плунжера в цилиндр смазочным материалом, позволяет производить с помощью уплотнений устойчивое смазывание стенки цилиндра при возвратно-поступательном движении плунжера, благодаря чему снимается контактное трение уплонительных комплектов о стенку цилиндра. При этом движение плунжера вниз за счет постоянной смазки стенки цилиндра происходит в режиме свободного падения, что позволяет исключить изгиб и искривление штанг и тем самым устранить лавильно-подъемные работы вследствие потери штанги. The presence in the proposed pump of an annular chamber formed by a recess on the outer surface of the plunger, the cylinder wall and seal sets, filled when the plunger is installed in the cylinder with lubricant, allows using the seals to stably lubricate the cylinder wall during reciprocating movement of the plunger, thereby removing contact friction expansion kits on the cylinder wall. In this case, the plunger moves downward due to constant lubrication of the cylinder wall in a free fall mode, which eliminates the bending and curvature of the rods and thereby eliminates tacking and lifting operations due to the loss of the rod.

Набор комплектов уплотнений из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет с уплотнительными губками и двух дублирующих друг друга металлических пружинных колец, а также их установка в определенной последовательности таким образом, что ближе к кольцевой камере установлены более чувствительные к остаточному давлению мягкие манжеты, затем более твердые манжеты, при этом уплотнительные губки манжет направлены от торцов кольцевой камеры, а затем установлены металлические пружинные кольца, предохраняющие манжет от внешнего давления столба перекачиваемой жидкости, позволяют обеспечить герметичность цилиндра, предотвратить проникновение абразивных частиц между плунжером и цилиндром и перетечки перекачиваемой жидкости при движении плунжера, что способствует уменьшению износа пары плунжер-цилиндр, увеличению производительности и соответственно увеличению ресурса работы насоса. A set of seal sets of two different hardness polymer seals in the form of cuffs with sealing lips and two duplicate metal spring rings, as well as their installation in a certain sequence so that closer to the annular chamber are installed soft cuffs more sensitive to residual pressure, then more hard cuffs, while the sealing lips of the cuffs are directed from the ends of the annular chamber, and then metal spring rings are installed to protect the cuffs from externally the pressure of the column of the pumped liquid allows to ensure the tightness of the cylinder, to prevent the penetration of abrasive particles between the plunger and the cylinder and the flow of the pumped liquid during the movement of the plunger, which helps to reduce the wear of the pair of plunger-cylinder, increase productivity and, accordingly, increase the service life of the pump.

Кроме того, сравнительно малая длина плунжера /менее 500 мм/ по сравнению с известными позволяет использовать его в скважинах со значительной криволинейностью. In addition, the relatively small length of the plunger / less than 500 mm / in comparison with the known allows you to use it in wells with significant curvature.

На фиг. 1 показан общий вид насоса; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 узел II на фиг. 1. In FIG. 1 shows a general view of the pump; in FIG. 2 node I in FIG. one; in FIG. 3 node II in FIG. one.

Штанговый глубинный насос состоит из цилиндра 1 и составного плунжера, имеющего полую стяжку 2, к верхней части которой присоединен переводник 3, а к нижней нагнетательный клапан. Нагнетательный клапан включает в себя корпус 4, в котором установлены клетка 5, седло 6 и шарик 7, фиксируемые в корпусе 4 прижимом-гайкой 8. В переводнике 3 выполнены окна для выхода перекачиваемой жидкости из полости плунжера. На наружной поверхности стяжки 2 выполнено углубление, ограниченное сверху и снизу полками 9. Углубление на стяжке 2 со стенкой цилиндра 1 и с комплектами уплотнений образует кольцевую камеру 10, заполняемую при установке плунжера в цилиндр 1 смазочным материалом. Комплект уплотнений состоит из двух разной твердости полимерных уплотнителей в виде манжет 11 с уплотнительными губками 12 и двух дублирующих друг друга металлических пружинных колец 13. Манжеты 11 установлены на полках 9 плунжера, при этом их уплотнительные губки 12 направлены от торцов кольцевой камеры 10. Для увеличения чувствительности губок 12 к остаточному давлению столба перекачиваемой жидкости манжеты 11, расположенные ближе к камере 10, выполнены из более мягкого материала, чем следующие. Для защиты от радиальных нагрузок на губки 12 манжет 11 предусмотрены фторопластовые кольца 14, установленные на полках 9 перед манжетами 11. Манжеты 11 фиксируются гайками 15, контактная поверхность уплотнительных губок 12 наклонена к стенке цилиндра 1 под углом в пределах 6 7^o. Под выходными окнами переводника 3, а также на гайках 15 и прижиме 8 выполнены канавки, в которые установлены металлические пружинные кольца 13, предназначенные для защиты манжет от воздействия внешнего давления столба перекачиваемой жидкости. Кроме того, кольца 13 обладают скребковым эффектом. На наружной поверхности пружинных колец 13 со стороны, обращенной к кольцевой камере 10, выполнены заходные фаски под углом 15•.The sucker rod pump consists of a cylinder 1 and a composite plunger having a hollow screed 2, to the upper part of which a sub 3 is connected, and to the lower discharge valve. The discharge valve includes a housing 4, in which a cage 5, a saddle 6 and a ball 7 are installed, which are fixed in the housing 4 by a clamping nut 8. In the sub 3 there are windows for the outlet of the pumped liquid from the plunger cavity. On the outer surface of the screed 2, a recess is made, limited by the shelves 9 above and below. The recess on the screed 2 with the wall of the cylinder 1 and with seal sets forms an annular chamber 10, which is filled when the plunger is installed in the cylinder 1 with lubricant. The set of seals consists of two different hardnesses of polymer seals in the form of cups 11 with sealing lips 12 and two metal spring rings duplicating each other 13. The cups 11 are mounted on the shelves 9 of the plunger, while their sealing lips 12 are directed from the ends of the annular chamber 10. To increase the sensitivity of the jaws 12 to the residual pressure of the column of pumped fluid cuffs 11, located closer to the chamber 10, are made of a softer material than the following. To protect against radial loads on the jaws 12 of the cuffs 11, fluoroplastic rings 14 are mounted on the shelves 9 in front of the cuffs 11. The cuffs 11 are fixed with nuts 15, the contact surface of the sealing lips 12 is inclined to the wall of the cylinder 1 at an angle within 6 7 ^o . Under the exit windows of the sub 3, as well as on the nuts 15 and clip 8, grooves are made in which metal spring rings 13 are installed, designed to protect the cuffs from the external pressure of the column of pumped liquid. In addition, the rings 13 have a scraper effect. On the outer surface of the spring rings 13 from the side facing the annular chamber 10, the input chamfers are made at an angle of 15 •.

Манжеты 11 выполнены из композиционного полимерного материала. Седло 8 нагнетательного клапана, а также седло всасывающего клапана (не показан) выполнены из того же материала, что и более твердые манжеты 11. Это позволяет устанавливать без предварительной притирки пары седло-шарик. Cuffs 11 are made of composite polymer material. The seat 8 of the discharge valve, as well as the seat of the suction valve (not shown) are made of the same material as the harder cuffs 11. This allows you to install a saddle-ball pair without lapping.

На переводнике 3 выполнена резьба для крепления плунжера и колонне штанг (не показаны). On sub 3, a thread is made for fastening the plunger and the rod string (not shown).

Объем смазочной камеры 10 рассчитан на создание оптимальных условий работы насоса в течение всего срока службы. The volume of the lubricating chamber 10 is designed to create optimal conditions for the pump during the entire service life.

Длина плунжера предлагаемого насоса в сборе составляет менее 500 мм. The plunger length of the proposed pump assembly is less than 500 mm.

Работа штангового насоса заключается в следующем. The operation of the sucker rod pump is as follows.

При движении плунжера как вверх, так и вниз первоочередную и основную нагрузку несут металлические кольца 13, а полимерные манжеты 11 воспринимают остаточную нагрузку, особенно незначительна нагрузка на мягкие манжеты 11, расположенные ближе к камере 10. When the plunger moves both up and down, the metal rings 13 bear the primary and main load, and the polymer cuffs 11 absorb the residual load, the load on the soft cuffs 11 located closer to the chamber 10 is especially insignificant.

При неподвижном плунжере уплотнительные губки 12 манжет 11 плотно прилегают к стенке цилиндра 1. When the plunger is stationary, the sealing lips 12 of the cuffs 11 fit snugly against the wall of the cylinder 1.

При прямом ходе губок 12 под воздействием давления столба жидкости губки 12 плотно прижимаются своей контактной поверхностью к стенке цилиндра 1, обеспечивая надежную герметичность камеры 10. With the forward stroke of the jaws 12, under the influence of the pressure of the liquid column, the jaws 12 are tightly pressed by their contact surface to the wall of the cylinder 1, ensuring reliable tightness of the chamber 10.

При обратном ходе губок 12 под воздействием смазочного материала, поступающего из камеры 10, снимается контактное трение уплотнительного комплекта. Контактное трение металлических колец 13 дополнительно снимается за счет заходных фасок на их наружной поверхности. Равномерное распределение смазки по стенке цилиндра 1 производится губками 12. With the reverse stroke of the jaws 12 under the influence of a lubricant coming from the chamber 10, the contact friction of the sealing set is removed. Contact friction of the metal rings 13 is additionally removed due to the input chamfers on their outer surface. The uniform distribution of lubricant on the wall of the cylinder 1 is made by jaws 12.

Абразивные частицы, попадающие на стенку цилиндра 1 из перекачиваемой жидкости, задерживаются комплектами уплотнений, в начале металлическими пружинными кольцами 13, затем манжетами 11. Манжеты 11 работают с сохранением клапанного эффекта. Они пропускают смазочный материал из камеры 10, который способствует выносу мельчайших абразивных частиц за пределы колец 13. Заходные фаски колец 13 также способствуют выносу абразивных частиц во внешнюю среду. Abrasive particles falling onto the wall of the cylinder 1 from the pumped liquid are retained by sets of seals, in the beginning with metal spring rings 13, then with cuffs 11. The cuffs 11 work while retaining the valve effect. They pass lubricant from the chamber 10, which contributes to the removal of the smallest abrasive particles beyond the rings 13. The inlet chamfers of the rings 13 also contribute to the removal of the abrasive particles into the external environment.

Комплекты уплотнений плунжера в данной компоновке гарантируют эффективность работы даже при высоких давлениях до 100 кг/см².Plunger seal kits in this arrangement guarantee work efficiency even at high pressures up to 100 kg / cm ² .

Благодаря тому, что плунжер предлагаемого насоса значительно короче стандартных, использование его в стандартных цилиндрах позволит увеличить рабочий ход плунжера с одновременным уменьшением количества ходов, тем самым снизить энергозатраты, либо уменьшить длину цилиндра, при том экономия на размерах цилиндра позволит окупить расходы на изготовление плунжера. Due to the fact that the plunger of the proposed pump is much shorter than the standard ones, its use in standard cylinders will increase the stroke of the plunger while reducing the number of strokes, thereby reducing energy consumption, or reducing the length of the cylinder, while saving on cylinder size will help to recoup the cost of manufacturing the plunger.

Кроме того, уменьшение количества ходов плунжера позволит уменьшить износ всей системы, включая плунжер, цилиндр, штанги и насосно-компрессорные трубы (НКТ), тем самым существенно сократить простои скважин. In addition, reducing the number of plunger strokes will reduce the wear of the entire system, including the plunger, cylinder, rods and tubing (tubing), thereby significantly reducing well downtime.

Claims

A sucker rod pump containing a cylinder and a hollow plunger movably located in it with seal sets made of polymer seals and metal spring rings, characterized in that a recess is formed on the outer surface of the plunger to form an annular chamber for lubricant with the cylinder wall and seal sets, this each set of seals consists of at least two polymer seals of different hardness in the form of cuffs with sealing lips mounted on the shelves of the plunger, limiting the recess, and the softer cuffs are located on the side of the annular chamber, and the surface of the sealing jaws in contact with the cylinder is made at an angle of 6 9 ^o to the latter, and at least two metal spring rings installed to protect the cuffs from the external pressure of the column pumped liquid.