+86-13052798822
ул. Ляохай, 9, р-н Иньчжоу, г. Телин, пров. Ляонин, Китай
+86-13052798822
2026-09-26
В вертикальной скважине клапанная система штангового насоса обычно работает за счёт собственного веса клапанного шарика и перепада давления в насосной камере.
По мере увеличения угла наклона ствола, особенно в наклонно-направленных и горизонтальных участках, направление силы тяжести перестаёт совпадать с осью клапана. Шарик уже не может свободно перемещаться вдоль клапанной клетки, как в вертикальном насосе. Он может смещаться в сторону, перекатываться, медленнее возвращаться на седло или контактировать с ним не по всей уплотнительной поверхности.
Поэтому при выборе ШГН для наклонной скважины необходимо учитывать не только диаметр насоса, длину хода и глубину спуска, но и следующие параметры:
Для наклонной скважины клапан ШГН — это не просто элемент, открывающий и закрывающий поток. От его работы зависит, сможет ли насос правильно выполнить всасывание, перекрытие потока, перемещение жидкости и нагнетание.
Типовой штанговый насос включает:
Неподвижный клапан расположен в нижней части цилиндра и регулирует поступление пластовой жидкости в насосную камеру. Подвижный клапан обычно установлен на плунжере и регулирует перемещение жидкости между насосной камерой и пространством над плунжером.
Во время восходящего хода плунжер перемещается вверх:
В этот момент всасывающий клапан должен своевременно открыться, чтобы жидкость могла войти в насосную камеру. Подвижный клапан, напротив, должен надёжно закрыться, чтобы жидкость над плунжером не вернулась обратно.
Во время нисходящего хода плунжер перемещается вниз:
Таким образом, полный рабочий цикл зависит от того, насколько точно клапанный шарик выполняет два действия:
Если шарик возвращается с задержкой, смещается относительно седла или не обеспечивает полное уплотнение, теоретический ход плунжера не превращается в соответствующий фактический дебит.
В вертикальной скважине ось клапана примерно совпадает с направлением силы тяжести. После открытия клапанный шарик под действием собственного веса перемещается вниз по клетке и относительно легко возвращается на седло.
При наклоне ствола силу тяжести можно условно разделить на две составляющие:
Чем больше угол наклона скважины, тем меньше осевая составляющая силы тяжести и тем сильнее проявляется боковая составляющая.
В почти горизонтальном участке у шарика может практически не оставаться достаточного осевого усилия для самостоятельной посадки на седло. Шарик может оставаться у боковой стенки клетки или смещаться под действием потока жидкости.
В наклонном клапане движение шарика не всегда представляет собой строго вертикальное перемещение.
Возможны следующие варианты:
Все эти явления влияют на скорость закрытия клапана и качество его уплотнения.
При высокой вязкости жидкости сопротивление движению шарика возрастает.
Высоковязкая нефть может приводить к следующим последствиям:
Поэтому сочетание большой кривизны ствола и высокой вязкости может существенно ухудшить работу клапанной группы.
Свободный газ сжимается и расширяется, из-за чего давление по обе стороны клапана меняется нестабильно. Песок, отложения и асфальтеновые частицы могут попасть на уплотнительную поверхность или в зазор клапанной клетки.
Это может привести к следующим проблемам:
Поэтому одного значения угла наклона недостаточно. Необходимо одновременно анализировать вязкость жидкости, газовый фактор, содержание песка и частоту ходов.
После возвращения на седло шарик должен сформировать с ним устойчивый контакт и перекрыть поток.
Если шарик смещён, возвращается слишком медленно или на поверхности присутствуют твёрдые частицы, между шариком и седлом может остаться зазор.
Даже небольшая утечка изменяет распределение давления и приводит к обратному перетоку жидкости в насосной камере.
Теоретическая производительность определяется диаметром насоса, длиной хода и частотой качаний. Но фактический дебит зависит также от того, насколько своевременно клапан закрывается.
Если неподвижный или подвижный клапан закрывается неплотно, часть жидкости возвращается назад во время смены направления движения. Наземное оборудование при этом может продолжать работать с прежней длиной и частотой хода, но фактическая подача насоса будет уменьшаться.
Поэтому в наклонной скважине нельзя оценивать эффективность только по теоретической производительности.
Во время восходящего хода всасывающий клапан должен открыться и пропустить пластовую жидкость в насосную камеру.
Если во время предыдущего нисходящего хода клапан закрылся неплотно, давление внутри камеры не успевает стабилизироваться. При следующем восходящем ходе перепад давления для всасывания будет недостаточным, и в камеру поступит меньше жидкости.
Это может привести к:
Нестабильное движение шарика приводит к периодическим изменениям нагрузки на жидкостный столб.
Если клапан закрывается резко, с задержкой или с повторными ударами, динамические нагрузки передаются на:
На поверхности это может проявляться в виде нестабильной нагрузочной диаграммы, усиленной вибрации и колебаний потребляемого тока двигателя.
В наклонной скважине шарик может двигаться не вдоль расчётной оси, а с боковым смещением. В результате он чаще ударяется о клапанную клетку и край седла.
Со временем могут появиться:
При наличии песка или коррозионно-активной жидкости процесс износа ускоряется.
Работа клапана включает два этапа: открытие и закрытие. В наклонной скважине проблема часто заключается не в том, что шарик полностью перестаёт двигаться, а в том, что он возвращается в район седла, но не формирует полноценное уплотнение.
Герметичность клапана обеспечивается кольцевой зоной контакта между шариком и седлом.
Если шарик касается седла с эксцентриситетом, площадь и давление контакта меняются. На одном участке шарик может прилегать достаточно плотно, а на другом останется зазор.
Даже при нормальной посадке шарика клапан не будет герметичным, если седло имеет:
Слишком позднее закрытие клапана приводит к обратному перетоку жидкости. Слишком быстрое закрытие может вызвать гидравлический удар.
При проектировании клапанной группы необходимо учитывать:
В вертикальной скважине шарик может в значительной степени опираться на собственный вес. В наклонной или горизонтальной скважине одной силы тяжести может быть недостаточно.
Поэтому в специальных насосах для наклонных скважин применяются конструкции с принудительным закрытием или дополнительным усилием посадки шарика.
На странице штангового насоса для наклонных скважин с усиленным клапанным механизмом указано, что пружина создаёт предварительное усилие и принудительно прижимает шарик к седлу. Благодаря этому клапан может сохранять герметичность при различных углах наклона. На той же странице для конкретной конструкции указано усилие предварительного натяжения пружины 5–15 Н, седла из карбида вольфрама и прецизионная обработка контактной поверхности до шероховатости Ra 0,2 мкм.
Такая конструкция выполняет несколько функций.
Пружина создаёт дополнительное осевое усилие и направляет шарик к седлу. Поэтому при увеличении угла наклона шарик не полностью зависит от осевой составляющей силы тяжести.
Правильно выбранное усилие предварительного натяжения помогает шарику быстрее контактировать с седлом и уменьшает время обратного перетока при смене направления движения.
Это особенно важно при:
Пружина не только помогает шарику достичь седла, но и поддерживает усилие прижатия после контакта.
Это позволяет повысить стабильность уплотнения и снизить вероятность периодических утечек, возникающих из-за вибрации и пульсаций давления.
Если клапанная группа расположена в наклонном, почти горизонтальном или меняющем направление участке ствола, принудительное закрытие снижает зависимость работы клапана от пространственного положения.
Однако увеличение усилия пружины не всегда улучшает работу. Слишком большое усилие может привести к следующим последствиям:
Поэтому при проектировании клапана необходимо балансировать между надёжностью закрытия и сопротивлением открытию.
Надёжность посадки шарика зависит не только от силы тяжести и пружины. Большое значение имеет внутренняя геометрия клапанной клетки и проточных каналов.
Если площадь протока недостаточна, скорость жидкости через клапан возрастает, а гидравлические потери увеличиваются.
Для высоковязкой жидкости это особенно важно. Чрезмерное сопротивление может привести к следующим последствиям:
Если жидкость проходит вокруг шарика неравномерно, на него начинает действовать боковая гидравлическая сила.
Это может привести к:
Поэтому клапанная клетка должна не только ограничивать перемещение шарика, но и по возможности обеспечивать равномерное распределение потока.
Распределение скоростей потока, способность жидкости переносить песок и места отложения в наклонной скважине могут отличаться от условий вертикального ствола.
Если песок оседает в районе клапанной клетки, седла или проточных каналов, это влияет на:
Поэтому при выборе ШГН для наклонной скважины необходимо оценивать не только механизм посадки шарика, но и проходимость каналов, а также их устойчивость к засорению.
Оба клапана могут испытывать влияние наклона, но условия их работы различаются.
Неподвижный клапан расположен в нижней части насоса и регулирует поступление жидкости в насосную камеру.
Если он закрывается неплотно, во время нисходящего хода часть жидкости может возвращаться в забой. Из-за этого давление в насосной камере не формируется должным образом, а эффективность всасывания на следующем восходящем ходе снижается.
Для неподвижного клапана особенно важны:
Подвижный клапан установлен на плунжере и перемещается вместе с колонной насосных штанг.
На восходящем ходе он должен закрываться, а на нисходящем — открываться. Если подвижный клапан закрывается неплотно, жидкость над плунжером возвращается в насосную камеру. Если он открывается недостаточно, жидкость не может свободно перейти из камеры в пространство над плунжером.
Для подвижного клапана важны:
В скважинах с большим углом наклона оба клапана могут работать нестабильно, но конкретная причина должна определяться с учётом конструкции насоса, ориентации клапанной группы и режима эксплуатации.
Степень заполнения насосной камеры является одним из важных показателей фактической работы штангового насоса.
В нормальном цикле во время восходящего хода неподвижный клапан открывается и пропускает жидкость в камеру. На нисходящем ходе он закрывается, а подвижный клапан открывается и переводит жидкость в пространство над плунжером.
Если клапаны работают нестабильно, процесс заполнения нарушается.
Во время нисходящего хода жидкость возвращается из насосной камеры в сторону забоя.
При следующем восходящем ходе давление в камере изменяется не так, как предусмотрено конструкцией, и количество поступающей жидкости уменьшается.
Если шарик из-за положения клапана, песка или неправильного усилия пружины не может полностью отойти от седла, проходное сечение уменьшается.
В результате скорость заполнения камеры снижается.
Если на восходящем ходе подвижный клапан не закрывается вовремя, жидкость над плунжером возвращается в насосную камеру. Объём реально поднятой жидкости уменьшается.
Если на нисходящем ходе подвижный клапан открывается недостаточно, жидкость не успевает перейти в пространство над плунжером. Сопротивление движению плунжера возрастает, а производительность снижается.
Таким образом, влияние угла наклона на дебит может проявиться не в виде мгновенной механической аварии, а сначала через:
Центратор и усиленный клапанный механизм решают разные задачи.
В описании центратора ШГН основное внимание уделяется вращающейся скользящей муфте, снижению трения и защите от одностороннего износа в наклонных и горизонтальных скважинах.
Эти технологии могут применяться совместно, но не заменяют друг друга.
Если основная проблема связана с контактом насосных штанг и НКТ, необходимо оценивать центраторы, направляющие элементы и профиль ствола. Если же наблюдаются утечки через клапан, снижение коэффициента подачи или проблемы с посадкой шарика, необходимо анализировать именно конструкцию клапанной группы.
Недостаточно знать только максимальный угол наклона скважины. Необходимо определить угол именно на глубине установки насоса.
Следует проанализировать:
Нужно проверить:
Необходимо учитывать:
Минимальный набор исходных данных включает:
Работа клапана тесно связана с режимом движения плунжера. Необходимо проверить:
Оценивать состояние клапанов следует по совокупности признаков.
Если длина и частота хода, а также основные параметры скважины не менялись, но жидкостный дебит постепенно снижается, необходимо проверить клапанную группу и степень заполнения насосной камеры.
Необычная форма динамограммы может указывать на:
Повторные удары шарика, задержка закрытия клапана или обратный переток жидкости могут вызвать колебания нагрузки на полированный шток и изменения тока электродвигателя.
Если разница между теоретической и фактической производительностью постепенно увеличивается, необходимо проверить:
При подъёме насоса для ремонта следует проверить:
По мере увеличения угла наклона скважины клапанная группа штангового насоса требует особого внимания, поскольку изменяются условия движения клапанного шарика.
В вертикальной скважине шарик в значительной степени использует собственный вес и перемещается вдоль оси клапана. При увеличении угла наклона осевая составляющая силы тяжести уменьшается. Шарик может начать смещаться, перекатываться, возвращаться с задержкой или контактировать с седлом неравномерно.
Даже небольшое нарушение движения шарика может привести к следующим последствиям:
Поэтому при проектировании ШГН для наклонной скважины необходимо учитывать не только износ насосных штанг и НКТ, но и следующие параметры:
Для наклонно-направленных и горизонтальных скважин штанговый насос с усиленным клапанным механизмом снижает зависимость работы клапана от направления силы тяжести и улучшает условия посадки шарика и герметизации седла.
Если одновременно присутствует выраженный износ насосных штанг, необходимо рассмотреть применение центратора ШГН. Если же основная проблема связана с посадкой шарика, герметичностью седла или недостаточным заполнением насосной камеры, следует ознакомиться с конструкцией штангового насоса для наклонных скважин с усиленным клапанным механизмом.
