плунжер скважинного лифта

Формула изобретения

Плунжер скважинного лифта, включающий шток, на котором установлены верхняя и нижняя направляющие с размещенными между ними уплотнительными элементами, позволяющими изменять наружный диаметр плунжера, отличающийся тем, что между верхней и нижней направляющими размещена с возможностью осевого хода втулка, уплотнительные элементы расположены на втулке подпружинено, верхняя направляющая выполнена неподвижной относительно штока, а нижняя - подвижной с возможностью фиксации относительно штока в верхнем положении и обеспечения изменения сжатия пружин при взаимном ходе втулки и нижней направляющей в процессе работы плунжера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, применяемым при добыче нефти и газа, в частности в установках плунжерного лифта.

Известен плунжер, на штоке которого неподвижно установлены верхняя и нижняя направляющие, между которыми расположены подпружиненные подвижные в радиальном направлении кольца (см. Beauregard Е.М., Ferguson P.L.: "How Plunger Lift Affects Production", Petroleum Engineer International, 1981, т. 13, N 8, с. 154).

Хаотичное колебательное движение этих колец относительно штока при движении плунжера увеличивает эффективный наружный диаметр плунжера, обеспечивая удаление парафиновых отложений в пристенном слое на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ).

Однако при длительных периодах работы скважины, когда после подъема плунжера на поверхность проходят десятки и более минут, вновь выпавший на стенках НКТ парафин может оказать существенное сопротивление спуску плунжера вплоть до его полной остановки, что приведет к сбою в работе установки плунжерного лифта.

В качестве прототипа выбран плунжер, в котором между верхними и нижними направляющими на осях, неподвижно смонтированных в этих направляющих, установлены выдвижные в радиальном направлении уплотнительные элементы, взаимодействующие с внутренним приводным штоком (см. там же).

Переменный наружный диаметр уплотнительных элементов - больший при подъеме и меньший при спуске, обеспечивает надежную проходимость плунжера в интервалах интенсивного отложения парафинов.

Однако конструкция плунжера отличается высокими требованиями к износостойкости малогабаритных сопрягаемых деталей в приводе, работа которых проходит в условиях динамических нагрузок, а также низкой ремонтнопригодностью, требующей выполнения специальных высокотехнологичных видов работ в условиях специализированных производств.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение эксплуатационных качеств плунжера с переменным наружным диаметром уплотнительных элементов.

Данная цель достигается тем, что плунжер скважинного лифта включает шток, на котором установлены верхняя и нижняя направляющие с размещенными между ними уплотнительными элементами, позволяющими изменять наружный диаметр плунжера, при этом между верхней и нижней направляющими размещена с возможностью осевого хода втулка, уплотнительные элементы расположены на втулке подпружиненно, верхняя направляющая выполнена неподвижной относительно штока, а нижняя - подвижной с возможностью обеспечения изменения сжатия пружин при взаимном ходе втулки и нижней направляющей в процессе работы плунжера.

На фиг. 1 показан плунжер в положении при спуске в скважину.

На фиг. 2 показан плунжер при подъеме на поверхность.

Плунжер имеет следующую конструкцию. Шток 1 (см. фиг. 1) плунжера соединен неподвижно резьбой с верхней направляющей 2 и зафиксирован от самопроизвольного отворота штифтом 3. Ниже на штоке 1 подвижно расположена втулка 4, в цилиндрической проточке 5 которой установлены уплотнительные элементы 6. Между ними и втулкой 4 имеются пружины 7 и 8. Наклонные торцевые поверхности 9 и 10 уплотнительных элементов 6 взаимодействуют с ответными коническими поверхностями 11 и 12 соответственно верхней 2 и нижней 13 направляющих. Угол наклона торцевых поверхностей уплотнительных элементов определяется в зависимости от усилия сжатия пружин 7 и 8, расположенных между ними, и втулкой, а также общей массы подвижных относительно штока деталей, которая с учетом ускорения определяет инерциальную нагрузку. Нижняя направляющая 13, установленная подвижно на штоке 1, имеет внутреннюю проточку 14 (фиг.2), в которой при спуске плунжера в скважину располагается пружинное кольцо 15, помещенное в канавку 16 штока 1. Упор 17 и ответный буртик 18 удерживают нижнюю направляющую 13 на штоке 1.

Плунжер работает следующим образом. Собранный плунжер спускается в скважину в положении, как показано на фиг. 1. В процессе падения от лубрикатора к нижнему забойному амортизатору уплотнительные элементы 6 находятся в сжатом по диаметру положении, приданным им при сборке и сохраняемому благодаря действию фиксирующего усилия со стороны нижней направляющей 13 на уплотнительные элементы 6. Такое положение обеспечивается работой пружинного кольца 15, находящегося в проточке 14. Трение наружных поверхностей нижней направляющей 13 и уплотнительных элементов 6 о внутренние стенки НКТ при падении плунжера также способствуют расположению деталей, как показано на фиг. 1. Таким образом при спуске в скважину уплотнительные элементы 6 находятся в сжатом положении, что позволяет плунжеру иметь повышенную проходимость в интервалах отложений парафинов. Возможное контактирование плунжера с ними будет происходить на достаточном удалении (до 5 мм по радиусу) от стенок НКТ, где отложения менее всего консолидированы и легко разрушаются усилием от собственного веса плунжера.

По достижении нижнего ограничителя в НКТ падающий плунжер выступающим снизу штоком 1 ударяется о верхнюю опорную поверхность амортизатора (не показан), что приведет к мгновенной остановке штока 1 и верхней направляющей 2. Втулка 4 с уплотнительными элементами 6 и нижняя направляющая 13 по инерции продолжают движение вниз. Преодолевая сопротивление упругих сил, пружинное кольцо 15 сжимается, утапливается в канавке 16 и не препятствует движению вниз названных деталей. Уплотнительные элементы 6 под действием пружин 7 и 8 перемещаются наружу (см. фиг. 2) так, что между ними и внутренней поверхностью НКТ образуется зазор порядка 0,5-1,0 мм на сторону, который соответствует работе стандартных конструкций плунжеров.

В этом положении после окончания закрытого периода скважины плунжер поднимается на поверхность. Под действием давления рабочего газа плунжер преодолевает интервал отложения парафинов, растирая их по стенкам НКТ и восстанавливая таким образом нормальный проходной канал.

Перемещаясь вверх со скоростью 3 - 10 м/с, плунжер ударяется о верхний амортизатор в лубрикаторе. Шток 1 и верхняя направляющая 2 останавливаются, а втулка 4 с уплотнительными элементами 6 и нижняя направляющая 13 продолжают двигаться вверх. Сила инерции подвижных деталей раскладывается по наклонным торцевым поверхностям 9 и 10 на осевую и радиальную составляющие. При этом усилие сжатия пружин 7 и 8 подобрано так, что заведомо меньше радиальной составляющей, под действием которой уплотнительные элементы 6 перемещаются внутрь плунжера. Пружинное кольцо 15 располагается в проточке 14 нижней направляющей и фиксирует ее относительно штока 1 в верхнем положении (см. фиг. 1).

После завершения открытого периода плунжер с сжатыми уплотнительными элементами 6 падает вниз, и цикл работы повторяется.

Подготовлена конструкторская документация и изготовлен макетный образец плунжера для стендовых и промысловых испытаний. Работа выполняется в соответствии с планом научно - исследовательских и опытно - конструкторских работ Научно - технического центра 000 "Уренгойгазпром".