[1]Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к области эксплуатации скважин штанговыми насосами в горизонтальных и наклонных скважинах.
[2]В настоящее время в связи с истощением многих нефтяных месторождений для повышения производительности скважин увеличивают депрессии на пласт. Для этого в условиях низких пластовых давлений приходится предельно глубоко опускать насосы, которые зачастую оказываются либо непосредственно в горизонтальном стволе, либо в сильно наклоненной его части, что приводит к неустойчивой работе клапанов штангового насоса, т.к. шары клапанов возвращаются на седло под действием собственного веса, что затруднено при горизонтальном положении цилиндра насоса.
[3]Известен самоустанавливающийся клапан штангового насоса (патент РФ №2616145, F16K 15/04, F04B 47/00, F04B 53/10, опубл. 12.04.2017, бюл. №11), включающий корпус, центратор с проходными отверстиями, наклонный лоток с промывочными каналами, седло, шар, отличающийся тем, что на одном конце центральной оси самоустанавливающегося клапана эксцентрично закреплен наклонный лоток, выполненный облегченным, а на другом конце в плоскости эксцентриситета наклонного лотка установлен массивный груз, стянутый гайкой и зафиксированный контргайкой, внутренняя поверхность наклонного лотка выполнена вогнутой с радиусом кривизны больше радиуса шара на величину оптимального зазора между седлом и шаром в открытом состоянии клапана, причем вогнутая поверхность наклонного лотка выполнена в виде ложа с продольными полозьями и промывочными каналами между ними.
[4]Недостатками его являются сложность конструкции, представляющей собой сложный многозвенный механизм, и связанная с этим низкая надежность.
[5]Наиболее близок по своей технической сущности штанговый глубинный насос для горизонтальных скважин (патент РФ №2623345, F04B 47/00, опубл. 23.06.2017, бюл. №18), включающий клапан, содержащий грузовой толкатель в виде дополнительного шара и эксцентричный механизм его перемещения в верхнюю точку.
[6]Его недостатками являются сложность конструкции, низкая ее надежность, а также увеличенные поперечные габариты из-за бокового размещения дополнительного шара.
[7]Техническими задачами предлагаемого клапана являются упрощение конструкции, повышение ее надежности и уменьшение поперечных размеров.
[8]Указанные задачи решаются клапаном штангового насоса, содержащим корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем.
[9]Новым является то, что гравитационный толкатель выполнен в виде установленного в корпусе с возможностью ограниченного перемещения в одной поперечной плоскости диска с выемкой на торце, обращенном к шару.
[10]Новым является также то, что между гравитационным толкателем и шаром в корпусе соосно размещен шток, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой гравитационного толкателя и шаром.
[11]Новым является также то, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал диска.
[12]Указанные задачи решаются также клапаном штангового насоса, содержащим корпус, седло, направляющую для шара, поджимаемого к седлу гравитационным толкателем.
[13]Новым является то, что гравитационный толкатель выполнен в виде маятника, ось качаний которого размещена на продольной оси корпуса с возможностью качаний в любой плоскости, проходящей через него, в пределах внутренней полости корпуса, а в противоположном от оси качаний торце маятника выполнена выемка.
[14]Новым является также то, что между гравитационным толкателем и шаром соосно в корпусе размещен толкатель, установленный с возможностью продольного перемещения и взаимодействия противоположными концами с выемкой маятника и шаром.
[15]Новым является также то, что гравитационный толкатель выполнен со вставками из материала большей плотности, чем материал маятника.
[16]На фиг. 1 показан клапан с гравитационным толкателем в виде диска в открытом положении, на фиг. 2 - он же в закрытом положении.
[17]На фиг. 3 показан клапан с толкателем в виде диска и штоком в открытом положении, на фиг. 4 - он же в закрытом положении.
[18]На фиг. 5 показан клапан с толкателем в виде маятника в открытом положении. На фиг. 6 - он же в закрытом положении.
[19]На фиг. 7 показан клапан с толкателем в виде маятника со штоком в открытом положении, на фиг. 8 - он же в закрытом положении.
[20]Клапан штангового насоса (на фиг. не показан) содержит корпус 1 (фиг. 1 и 2) с внутренней полостью 2 и перфорированной перегородкой 3 с отверстиями 4, седло 5, шар 6 с направляющими 7, гравитационный толкатель в виде диска 8 меньшего диаметра, чем полость 2 корпуса 1, с конической выемкой 9, установленного между перегородкой 3 и направляющими 7. Снаружи корпуса 1 выполнены присоединительные резьбы 10.
[21]Клапан дополнительно может содержать шток 11 (фиг. 3 и 4) со шляпкой 12 и перфорированное дно корпуса 13 с отверстиями 14, между которым и перегородкой 3 в задней полости 15 клапана размещен диск 8.
[22]Клапан может содержать гравитационный толкатель, выполненный в виде цилиндрического по форме маятника 16 (фиг. 5 и 6), ось качаний которого выполнена в виде шарового шарнира 17 и установлена в дне 13 корпуса 1 (перегородка 3 отсутствует). На противоположном конце маятника выполнена выемка 9 для взаимодействия с шаром 6.
[23]Корпус 1 (фиг. 7 и 8) клапана может быть выполнен с перегородкой 3, маятник 16 с шарниром 17 размещен в задней полости 15, а его выемка 9 взаимодействует с шаром 6 через шток 11 со шляпкой 12.
[24]Работает клапан следующим образом.
[25]Клапан может быть использован в качестве всасывающего и установлен с помощью резьбы 10 в дне цилиндра штангового насоса или в качестве нагнетательного с установкой в плунжере насоса.
[26]Рассмотрим работу клапана в качестве всасывающего.
[27]При движении штанг (на фиг. не показаны) и плунжера (на фиг. не показан) вверх происходит процесс всасывания, давление в цилиндре становится ниже, чем снаружи, и поток жидкости через седло 5 (фиг. 1), мимо шара 6, через пазы направляющих 7, зазор между диском 8 и корпусом 1 по полости 2, отверстия 4 в перегородке 3 и заднюю полость 15 попадает внутрь цилиндра. При этом поток прижимает шар 6 к конической выемке 9 диска 8, перемещая его в соосное с корпусом 1 положение.
[28]По достижении плунжером верхней мертвой точки движение жидкости прекращается, диск 8 (фиг. 2) под действием силы тяжести опускается вниз и выемкой 9 проталкивает шар 6 по направляющим 7 до упора в седло 5, перепад давлений теперь уже направлен из цилиндра наружу, плотно прижимает шар 6 к седлу 5. По достижении плунжером нижней мертвой точки цикл повторяется. Диск 8 свободно перемещается в одной плоскости в направлениях, образованных перегородкой 3 и направляющей 7 шара 6.
[29]Далее циклы повторяются.
[30]Работа клапана по фиг. 3 и 4 отличается тем, что взаимодействие выемки 9 диска 8 происходит через шток 11 со шляпкой 12. С конической выемкой 9 контактирует коническая шляпка 12, а шток 11 с шаром 6. Диск 8 свободно перемещается в любых направлениях в границах диаметра задней полости 15 в одной плоскости между перегородкой 3 и дном 13.
[31]При работе клапана в открытом положении при движении плунжера вверх маятник 16 (фиг. 5) шаром 6 через выемку 9 повернут до соосного с корпусом 1 положения.
[32]По достижении плунжером верхней мертвой точки, когда поток жидкости перестанет прижимать шар 6 (фиг. 6) к выемке 9 маятника 16, сила его тяжести через выемку 9 проталкивает шар 6 до упора в седло 5, а перепад давления плотно прижимает шар 6 к седлу 5.
[33]Далее циклы повторяются.
[34]Точно так же работает клапан по фиг. 7 и 8, только действие силы тяжести маятника 16 передается на шар 6 через шток 11 со шляпкой 12.
[35]Выемка 9 (фиг. 1-8) в конструкциях, где толкатель взаимодействует непосредственно с шаром 6, может иметь любую форму, т.к. поверхность шара 6 сама образует наклонную поверхность, т.е. выемка 9 может быть конической и цилиндрической (не показано), в том числе и сквозной (не показано), например, наподобие седла 5.
[36]Наружная поверхность толкателя: диска 8 (фиг. 1-4), или маятника 16 (фиг. 5-8), может быть выполнена с пазами для увеличения сечения канала для жидкости.
[37]Поскольку и диск 8 (фиг. 1-4), и маятник 16 (фиг. 5-8) имеют некоторую свободу перемещения и вращения, необязательно, чтобы они имели уравновешенную форму тела вращения. Изменением их формы можно увеличить амплитуду их поперечного перемещения и, соответственно, осевого перемещения шара 6 (фиг. 1-8) внутри корпуса 1.
[38]Силу перемещения шара 6 и прижатия его к седлу 5 любым из толкателей: диском 8 (фиг. 1-4), или маятником 16 (фиг. 5-8), можно увеличить, увеличив вес толкателя (диска 8 или маятника 16) вставками из материала с большей плотностью, например из свинца (для стали).
[39]Направляющая 7 (фиг. 1) может быть изготовлена вставной или ее изготавливают непосредственно в корпусе 1.
[40]Основными преимуществами клапана с толкателем в виде диска 8 (фиг. 1-4) или маятника 16 (фиг. 5-8) являются простота конструкции и возможность реализовать его в рамках стандартных поперечных размеров клапана насоса, а за счет изменения длины маятника 16 (фиг. 5-8) или диска 8 (фиг. 1-4) подобрать необходимую силу прижатия шара 6 (фиг. 1, 3, 6 и 8) к седлу 5. Преимущества варианта с маятником 16 (фиг. 5-8): более надежен благодаря отсутствию вероятности заедания из-за трения о направляющие. Шарнир 17 (фиг. 5) может быть шаровым, Гука (не показан), гибким соединением (не показано) или просто упором закругленного острия в углубление (не показаны) на дне 13 корпуса 1.
[41]Кроме того, предлагаемый клапан не создаст дополнительных гидравлических сопротивлений при работе в вертикальной скважине в отличие от других конструкций, в которых толкатели создают дополнительное прижатие шара к седлу в вертикальном положении, чем и создают дополнительное гидравлическое сопротивление, тогда как диск 8 (фиг. 2 и 4) или маятник 16 (фиг. 5 и 7) занимают соосное с корпусом положение и служат лишь ограничителем для шара 6 (фиг. 1-8) внутри корпуса 1.
[42]Преимущество конструкции с промежуточным штоком между гравитационным толкателем: диском 8 (фиг. 3 и 4), или маятником 16 (фиг. 7 и 8) и шаром 6 (фиг. 3, 4, 7 и 8), в том, что шар 6 имеет ограниченный сектор взаимодействия с толкателем: диском 8 (фиг. 1 и 2) или маятником 16 (фиг. 5 и 6), что ограничивает ход шара 6 (фиг. 1, 2, 4 и 5) от седла 5. При использовании штока 11 (фиг. 3, 4, 7 и 8) за счет формы выемки 9 и амплитуды поперечного перемещения толкателя 11 ход шара 6 от седла 5 может быть увеличен.
[43]Предлагаемая конструкция клапана штангового насоса проста, надежна и позволяет уменьшить поперечные размеры клапана.
