Скважинная насосная установка

 

1. СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА , содержащая корпус, коаксиально закрештеннь) в нем неподвижный польй плунжер с нагнетательным клапаном , подвижный цилиндр с всасывающим клапаном, образунщий с плунжером основную рабочую пару, и привод возвратно-поступательного движения, рабочий орган которого связан с подвижным цилиндром, о т л и ч а ыщ а я с я тем, что, с цепью повышения производительности путем увеличения скорости заполнения цилиндра , последний снабжен соплом, меньшее сечение которого сопряжено с приемной полостью всасывающего клапана , а его наружная поверхность выполнена прилеганщей к внутренней поверхности корпуса с образованием дополнительной рабочей пары плунжерцилиндр , рабочий объём которой боль-, ше рабочего объема основной рабочей . пары, при этом в зоне донной части корпуса выполнены отверстия в форме сопел, сужающихся во внутрь корпуса. 2. Установка поп.1, отличающаяся тем, что отношение суммарного сечения отверстий и сечения сопла выбирается из выражения , 1-K(A.,S,/SJ где S. - суммарное сечение отверстий по меньшему диаметрУ} 5 - сечение сопла по меньшему диаметру{ 5 - сечениеплунжера, fj.- коэффициент расхода жидкости через каналы, соединяi ювще полость цилиндра с по (Л лостью корпуса при открытом всасывающем клапане , jUj, - коэффициент расхода жидкости через систему отверстий в корпусе в направлении их сужения; К кратность уменьшения коэффициента д в обратном на00 00 правлении; Чкратность превышения рабоче го объема дополнительной рабочей пары плунжер-цилиндр над рабочим объемом основной рабочей пары, Ку - отношение скорости движения цилиндра при его заполнении к скорости движения при нагнетании жидкости; . ICo, коэффшщент использования динамического напора для заполнения цилиндра. 3. Установка поп.1, отличающаяся тем, что корпус снабжен узлом регухшрования суммарного сечения отверстий.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 F 04 В 47 06

ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ц

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3263115/25-06 (22) 20.03.81 (46) 07.10.85. Бюл. Р 37 (72) А.К.Шидловский, Л.Г.Безусый, А.П.Островский, Ю.А.Разутов, Ю.А.Балакиров, В.П.Оноприенко и В.Д.Резников (71) Институт электродинамики АН УССР и Украинский государственный научноисследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (53) 621.651(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

И 521396, кл. F 04 В 47/06, 1971. (54) (57) 1. СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА, содержащая корпус, коаксиально закрепленный в нем неподвижный полый плунжер с нагнетательным клапаном, подвижный цилиндр с всасывающим клапаном, образующий с плунжером основную рабочую пару, и привод возвратно-поступательного движения, рабочий орган которого связан с подвижным цилиндром, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения производительности путем увеличения скорости заполнения цилиндра, последний снабжен соплом, меньшее сечение которого сопряжено с приемной полостью всасывающего клапана, а его наружная поверхность выполнена прилегающей к внутренней поверхности корпуса с образованием дополнительной рабочей пары плунжерцилиндр, рабочий объем которой боль-. ше рабочего объема основной рабочей . пары, при этом в зоне донной части корпуса выполнены отверстия в форме сопел, сужающихся во внутрь корпуса.

„„Я0„„1183710 A

2. Установка по и. 1, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что отношение суммарного сечения отверстий и сечения сопла выбирается из выражения в кКц с I î ч где 3 = суммарное сечение отверстий о по меньшему диаметру

" сечение сопла по меньшему диаметру, S — сечение плунжера, а„- коэффициент расхода жидкости через каналы, соединяющие полость цилиндра с по- Е лостью корпуса при открытом всасывающем клапане; р. — коэффициент расхода жидкости через систему отверстий в корпусе в направлении их сужения;

К вЂ” кратность уменьшения коэфleast фициента,Ь. в обратном направлении;

00 — кратность превышения рабоче- фф и го объема дополнительной ра- Д бочей пары плунжер-цилиндр фиииЬ над рабочим объемом основной рабочей пары;

К вЂ” отношение скорости движения

Ч цилиндра при его заполнении к скорости движения при нагнетании жидкости; . k: — коэффициент использования динамического напора для заполнения цилиндра.

3. Установка по п.1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что корпус снабжен узлом регулирования суммарного сечения отверстий.

1183710

« о Икр ь ч ф где S -суммарное сечение отверстий

0 по меньшему диаметру;

Изобретение касается техники для добычи нефти, в частности скважинных насосных установок, и может быть использовано в нефтяной промышленности для добычи из скважин пластовых жид- 5 костей, в том числе нефтей с повышенной вязкостью.

Известна скважинная насосная установка, содержащая корпус, коаксиально закрепленный в нем неподвижный полый плунжер с нагнетательным клапаном, подвижный цилиндр с всасывающим клапаном, образующий с плунжером основную рабочую пару, и привод возвратно-поступательного движения, 15 рабочий орган которого связан с подвижным цилиндром . (1 ).

Недостатком известной установки является низкий коэффициент расхода жидкости при заполнении п движного 20 цилиндра через канал, проходящий по направляющей трубе и имеющий поэтому большую длину, что, в свою очередь, снижает производительность насоса и установки в целом. 25

Цель изобретения — повышение производительности путем увеличения скорости заполнения цилиндра.

Указанная цель достигается тем, что в скважинной насосной установке, ЗО содержащей корпус, коаксиально закрепленный в нем неподвижный полый плунжер с нагнетательным клапаном, подвижный цилиндр с всасыванщим клапаном, образующий с плунжером основ 35 ную рабочую пару, и привод возвратно-поступательного движения, рабочий орган которого связан с подвижным цилиндром, последний снабжен соплом, меньшее сечение которого сопряжено с 4л приемной полостью всасывающего клапана, а его наружная поверхность выполнена прилегающей к внутренней поверхности корпуса с образованием до.полнительной рабочей пары плунжерцилиндр, рабочий объем которой больше рабочего объема основной рабочей пары, при этом в зоне донной части корпуса выполнены отверстия в форме сопел, сужающихся во внутрь корпуса.. 50

Кроме того, отношение суммарного сечения отверстий и сечения сопла выбирается из выражения

S — сечение сопла по меньшему диаметру;

$ — сечение плунжера, p. — коэффициент расхода жидкости к через каналы, соединяющие полость цилиндра с полостью корпуса при открытом всасывающем клапане; ,ио- коэффициент расхода жидкости через систему отверстий в корпусе в направлении их сужения;

К вЂ” кратность уменьшения коэффир, циенты и. в обратном направ< о ленин;

К вЂ” кратность превышения рабочего и объема дополнительной рабочей пары плунжер-цилиндр над рабочим объемом основной рабочей пары;

К вЂ” отношение скорости движения ч цилиндра при его заполнении к скорости движения при нагнетании жидкости;

К вЂ” коэффициент использования ди3 намического напора для заполнения цилиндра.

При этом корпус снабжен узлом регулирования суммарного сечения отверстий.

На фиг.1 схематично представлена скважинная насосная установка, продольный разрез; на фиг.2 — корпус установки с одним из возможных варианР тов уэла регулирования суммарного сечения отверстий.

Установка содержит корпус 1, коаксиально закрепленный в нем неподвижный полый плунжер 2 с нагнетательным клапаном 3, подвижный цилиндр 4 с всасывающим клапаном 5, образующий с указанным плунжером основную рабочую пару 6 и привод 7 возвратно-поступательного движения, рабочий орган 8 которого связан с подвижным цилиндром 4.Ппдвижный цилиндр 4 снабжен соплом 9, меньшее сечение 10 которого сопряжено с приемной полостью

11 всасывающего клапана 5, а его наружная поверхность (не обозначена) выполнена прилегающей к внутренней поверхности корпуса 1 с образованием дополнительной рабочей пары 12 плунжер-цилиндр, рабочий объем которой больше рабочего объема основной рабочей пары 6, при этом в зоне донной . части корпуса 1 выполнены отверстия

13 в форме сопел, сужающихся во. 1183710 внутрь корпуса, суммарное сечение которых (по меньшему диаметру) находится в определенной зависимости с сечением подвижного сопла 9 цилиндра 4 для сохранения непрерывности потоков жидкости в этих сечениях. В верхней части корпуса 1 выполнены декомпрессионные отверстия 14 для соединения внутренней полости корпуса над подвижным цилиндром 4 с затрубным пространством скважины.

Отверстия 15 в боковых стенках корпуса 1 соединяют пространство между донной частью корпуса и двигателем 7 с затрубным пространством скважины и предназначены для заполнения насоса (не обозначен) через отверстия 13 в донной части корпуса.

Насос соединен с двигателем узлом

1б крепления и расположен под цилиндром 4, но возможно его расположение и над цилиндром.

B качестве двигателя возвратнопоступательного движения применен, например, линейный электрический двигатель. Полый плунжер 2 связан с колонной насосных труб 17. Корпус 1 установки снабжен узлом 18 регулирования суммарйого сечения отверстий 13М

Скважинная насосная установка работает следующим образом.

Движение цилиндру 4 сообщается от подвижного рабочего органа от привода 7 возвратно-поступательного движе- 35 ния. При опускании цилиндра 4 нагнетательный клапан 3 закрыт давлением жидкости в колонне насосных труб 17, а всасывающий клапан 5 открыт разрежением в цилиндре 4. Через отверстие 40 всасывающего клапана 5 жидкость из корпуса 1 заполняет цилиндр 4 под действием разности давлений в цилиндре и корпусе.

Ввиду большого количества связей 45 между элементами установки (для большей ясности и компактности) работа ее описана с привлечением математических средств. В основу положены известное из гидравлики уравнение не- 5О прерывности потока жидкости

17„Ц-V =0 где Q — - объемный расход, — средняя скорость жидкости в канале или отверстии с пло-. щадью сечения S> и формула скорости истечения жидкости из отверстия под действием разности давлений ДР: „, ы

Р (4) Это объясняется тем, что перепад давления в предлагаемом насосе

AP „=ЬР +ЬР +ЬРс (5) обусловлен не только раэнрстью давлений AP>=P< -Р1, как в известной установке, а увеличен за счет динамического давления dP< и перепада давления ЬРо на отверстия 13 в корпусе 1.

Динамическое давление возникает при набегании сопла 9 на жидкость с относительной скоростью Ч и поэто. му может быть выражено зависимостью

-г "

1У г

ЬР— К р-МФ 3 2 (6)

Коэффициент динамического давления К ) 0 для конкретной конфигурации и закона движения сопла должен быть определен экспериментально. Величина К возрастает нри увеличении вязкости жидкости. где f — плотность «(идкости," р — коэффициент расхода, математически эквивалентная известной из гидравлики формуле для расхода жидкости, вытекающей через отверстие . 2ь Р

"81 8

Если условия эксплуатации (плотность и вязкость откачиваемой жидкости, коэффициент ее расхода,и„ через отверстие всасывающего клапана, минимально допустимое давление в цилиндре Р 1, давление в затрубном пространстве на уровне приема насоса Р> и размеры общих конструктивных элементов (величины площадей поперечных сечений цилиндра S и отверстия всасывающего клапана Я, )одинаковы для предлагаемой насосной установки и известной, максимально допустимая скорость жидкости в отверстии отсасывающего клапана при заполнении цилиндра 4 в предлагаемой установке

2ьР

V (3) к к > больше, чем в известном насосе:

2дР в

Фм к Г к р

1183710

10 которая в

Чи $1 !

К = -

И $

So и 2а

S, К„р (13) = Х Р

$к,, ЬР" ...И $„< (8) Перепад давления Ь Р на отверстиях 13 возникает при вытеснении из корпуса 1 избытка жидкости.

hQ Vgq $й Vg)S)=V@,qS„. (Kì 1) ь где S u S — площади рабочих (за,1 1 полняемых жидкостью) поперечных сечений корпуса 1 и цилиндра

4 (соответственно, цилиндров дополнительной и основной рабочих пар плунжер-цилиндр). — кратность превышения рабочего объема дополнительной рабочей пары

12 над основной рабочей 20 пары 6.

Таким образом, скорость жидкости, усредненная по суммарному сечению S отверстий 13 (по их меньшему диаметру), равна 25

U =- = V -2 (К-1)

o $ uiS и

О О и согласно уравнению (2) обуславливает перепад давления

P = <() = — — — — «$ Ч 1 (7)

ГK (Ku-") S a 61

Коэффициент расхода p, при истечении жидкости из корпуса в направлении расширения отверстий 13, как известно, меньше того же коэффициента Е в направлении сужения отверстий, т.е. при залолнении корпуса 1.

Коэффициент К„, = к (g „ (например, для воды К ) характеризует "клапанный эффект", создаваемый отверстиями 13 по отношению к дополнительной рабочей паре 12 плунжер-цилиндр.

Подстановкой в формулу (5) выраже-4 ний (6) и (7) и выражения

I ,ДР Й (Е)2 й(1; -Й )2 к 2 М„. 2 Sê.- а найденного из равенства (3) с учетом уравнения непрерывности Ч„$, =V / <, с последующим решением полученного уравнения относительно Ч,находим максимально допустимую скорость движения цилиндра 4 при его заполнении (ходе вниз): раз выше соответствующей скорости.U =..— 2-- .

$к ьР.н,. $ к р (1O) в известном насосе.

Формула (10) получена из равенства (4) с учетом уравнения

Максимально допустимая скорость

Чц обратного движения цилиндра 4 (вверх) ограничена условием сохранения непрерывности потока в отверстиях

13 при заполнении корпуса

Чй$т ЧЖ причем скорость движения в отверстиях 13

/ (12)

О 6 у определяется разностью между давлением в затрубном пространстве и ми- нимальным давлением в корпусе: 4 Р =

=Р -P

2 1

Из формул (» ) и (12) и соотношения $ =К„S находим

Максимальные скорости хода насоса вверх (U ) и вниз (V< ) противоположно зависят от величины $ отверстий о

13. Оптимальной является такая величина $6 „ при которой эти скорости остаются максимальными и при этом находятся в таком соотношении

= К, которое обеспечивается ра51: = у бочими характеристиками привода.

Путем подстановки выражений (8), (9) и (13) в соотношение V =K V и решения полученного уравнения относительно — (с учетом условия сопряжеk е ния меньшего сечения сопла с приемной полостью всасывающего клапана

S =$„) получаем оптимальное отношение суммарной площади меньшего сечения отверстий в корпусе S к пло6

1183710

17 щади меньшего сечения подвижного сопла S

11одстановка этого выражения в уравнение (9) определяет максимально достигаемую величину коэффициента причем, как следует из очевидных соотношений

Vи4 V

= 11+KÄ = ° 1+K„ найденный коэффициент ) определяет кратность увеличения расчетной производительности предлагаемой насосной установки.

1183710 ив. 2

Составитель Э.Гинзбург

Редактор Н.Бобкова Техред С.Мигунова Корректор Л. Пилипенко

Заказ 6250/36 Тираж 585 Подписное

ИНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4