Насосная установка
Изобретение относится к насосным установкам и может быть использовано для добычи нефти, воды и других жидкостей из скважин. Цилиндр насоса с мембранно-клапанной системой неподвижно крепится с помощью пакера к обсадной колонне. Шток плунжера выполнен в виде трубы с наполнителем, верхний конец которого крепится к устью скважины. Возвратно-поступательные движения плунжера совершаются за счет продольной упругой деформации штока, вызванной циклическим изменением давления наполнителя с частотой, равной 0,33-1,0 собственной частоты колебательной системы. Изобретение направлено на расширение эксплуатационного диапазона, упрощение конструкции, повышение надежности и производительности плунжерных насосных установок. 6 ил.
Изобретение относится к насосным установкам и может использоваться для добычи нефти, воды и других жидкостей из скважин.
Известны вибрационные насосные установки по книге Вибрации в технике: Справочник. В 6 т./Ред. совет: В41 В.Н.Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981. - Т.4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э.Лавендела. 1981. стр.335-334. Основной недостаток вибрационных насосных установок заключается в незначительной высоте подъема жидкости, не более 100 м.
Известна установка глубинного штангового насоса по книге Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). - М.: Недра, 1968 г., стр.29-30. Основной недостаток этой насосной установки заключается в низкой надежности, производительности и ограниченной высоте подъема жидкости, не более 2000 м, а также неспособность работать при содержании газа в жидкости более 25%.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является насосная установка, известная по патенту на полезную модель RU 52125 U1, МПК7 F04B 47/08 от 03.10.2006 г., включающая плунжерный насос с цилиндром, плунжером, мембранно-клапанную систему и привод.
Основной недостаток этой установки заключается в расположении электропривода на глубине в скважине, а также заполненных маслом протектора, компенсатора, бака, нескольких цилиндров, дополнительного поршня, гидрораспределителя с маслонасосом и системы маслопроводов, пролегающих в скважине. Это делает насосную установку сложной и ненадежной. Причем наличие электрического провода и маслопровода снаружи установки увеличивает диаметральный габарит и делает невозможным ее применение в узких скважинах, например в разведочных скважинах, диаметр которых не превышает 100 мм. Кроме этих недостатков насосная установка обладает низкой производительностью не более 30 м3 в сутки и неспособна работать при содержании газа в жидкости более 25%.
Задачей изобретения является получение технического результата, выражающегося в расширении эксплуатационного диапазона, упрощении конструкции, повышении надежности и производительности насосной установки.
Указанная задача достигается тем, что цилиндр насоса с мембранно-клапанной системой неподвижно крепится с помощью пакера к обсадной колонне, а шток плунжера выполнен в виде трубы с наполнителем, верхний конец которого крепится к устью скважины, при этом возвратно-поступательные движения плунжера совершаются за счет продольной упругой деформации штока, вызванной циклическим изменением давления наполнителя с частотой, равной 0,33÷1,0 собственной частоты колебательной системы.
Проведенный научно-технический анализ изобретения и уровня техники свидетельствует о том, что предлагаемое техническое решение для специалиста не следует явным образом из уровня техники, при этом признаки изложенной совокупности взаимосвязаны, находятся в причинно-следственной связи с ожидаемым результатом и являются необходимыми и достаточными для его получения. Все это свидетельствует о том, что изобретение имеет изобретательский уровень.
Изобретение поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображена насосная установка в разрезе, смонтированная в скважину;
на фиг.2 изображены фрагменты насосной установки в разрезе, включающие плунжерную пару;
на фиг.3 и 4 изображены фрагменты насосной установки в разрезе, включающие мембранно-клапанную систему в момент всасывания;
на фиг.5 и 6 изображены фрагменты насосной установки в разрезе, включающие мембранно-клапанную систему в момент нагнетания.
Насосная установка, представленная на фиг.1 и 2 включает плунжерный насос, содержащий плунжер 1, выполненный, например, в виде заглушенной трубы с резьбой на конце для крепления к штоку 2 посредством муфты 3. Шток 2, выполненный в виде насосно-компрессорных труб, содержит наполнитель 4, например воду. Верхний конец штока 2 неподвижно крепится к устью скважины 5. Полость штока 2 посредством патрубка 6 соединяется с устройством (не показано), создающим циклическое давление Р наполнителя 4 на внутренние стенки штока 2, вызывая его упругую деформацию. Плунжер 1 совершает возвратно поступательные движения в цилиндре 7, который посредством муфты 8 и кожуха 9 крепится к мембранно-клапанной системе, опирающейся на обсадную колонну 10 посредством пакера 11. При опускании установки в скважину цилиндр 8 и кожух 9 заполняются скважинной жидкостью через зазоры между плунжером 1 и цилиндром 7 или через боковое отверстие (не показано) в цилиндре 7, открывающееся при крайнем верхнем положении плунжера 1. Пакер 11 снабжен проходным отверстием, в которое вкручивается основание 12 мембранно-клапанной системы. Концы эластичной мембраны 13 (см. фиг.3 и 4) натягиваются на кронштейны 14, расположенные на клапанной трубке 15 между основанием 12 и головкой 16, установленные в корпус 17. Клапанная трубка 15 снабжена радиальными отверстиями 18 для прохода жидкости под мембрану 13, а также впускными клапанами 19 и выпускными клапанами 20, между которыми установлена распорная втулка 21 с радиальными отверстиями.
Работает установка следующим образом: через патрубок 6 на стенки штока 2 посредством наполнителя 4 циклически создается давление Р (см. фиг.2). Давление Р может создаваться, например, гидроцилиндром, подсоединенным к патрубку 6, или насосом, или другим устройством. В момент нарастания давления Р до максимального значения, например 80 МПа, шток 2 растягивается на величину, не превышающую упругую деформацию материала штока и заглубляет плунжер 1 в цилиндр 7. Например, шток 2 длиной 3000 м, выполненный из трубы по ГОСТ 633-80 с условным диаметром 73 мм и толщиной стенки 7 мм при Р=80 МПа вытягивается на 963 мм при давлении в цилиндре 7, равном 30 МПа. При этом эквивалентные напряжения в штоке 2 составляют 375 МПа, что в 1,5 раза меньше предела текучести материала штока 2.
Жидкость (показана стрелками на фиг.6), находящаяся в цилиндре 7 и в полости кожуха 9, вытесняется плунжером 1 в пространство между мембраной 13 и корпусом 17 через каналы 22 (см. фиг.4) в головке 16. В момент понижения давления Р до нуля длина штока 2 становится меньше первоначальной его длины, например на 963 мм, за счет энергии упругих деформаций и плунжер 1 частично выходит из цилиндра 7, создавая разрежение в сообщающихся полостях. Скважинная жидкость (показана стрелками на фиг.3) через проходное отверстие в пакере 11 и основании 12 поступает в клапанную трубку 15 и открывает впускные клапаны 19. Далее жидкость поступает в пространство между мембраной 13 и клапанной трубкой 15 через отверстия 18.
После завершения стадии всасывания давление Р в штоке 2 снова начинает возрастать до максимальной величины, например 80 МПа, и начинается стадия нагнетания. Плунжер 1, заглубляясь в цилиндр 7, вытесняет жидкость (показана стрелками на фиг.6) в пространство между мембраной 13 и корпусом 17 по каналам 22. Эта жидкость (показана стрелками на фиг.5 и 6) под давлением, например 30 МПа, плотно прижимает мембрану 13 к клапанной трубке 15 и вытесняет жидкость, а также и газ из пространства между мембраной 13 и клапанной трубкой 15 через отверстия 18. При этом впускные клапаны 19 закрываются, а выпускные клапаны 20 открываются, и вытесненная жидкость по клапанной трубке 15 и каналам 23 в головке 16 (см. фиг.6) поступает в полость обсадной колонны 10 и через патрубки 24 устья скважины 5 выводится на поверхность. Затем цикл повторяется.
Для эффективной работы насосной установки, достижения наибольшей амплитуды перемещения плунжера 1 необходимо, чтобы частота изменения давления Р равнялась 1/3 собственной частоты колебательной системы (шток, наполнитель и плунжер), как указано в книге Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле: Пер. с англ. /Под ред. Э.И.Григолюка. - М.: Машиностроение, 1985 г., стр. 337. Например, собственная частота колебаний штока, указанного выше, вычисленная по формуле, представленной на стр.328, составляет 2,31 Гц. Примерно с частотой 0,77 Гц должно изменяться давление Р по синусоидальному закону. При этом производительность такой насосной установки будет равна 533 м3 в сутки при напоре 3000 м с учетом того, что ход штока составляет 2×963=1923 мм, а вытесняемый объем жидкости за один цикл 0,00804 м3. Изменяя амплитуду давления Р и диаметр плунжера со штоком, можно регулировать подачу насосной установки. В связи с тем, что давление Р не может изменяться по синусоидальному закону, то оптимальная частота изменения давления будет находиться в пределах 0,33÷1,0 собственной частоты колебательной системы.
Таким образом, изобретение позволяет получить технический результат, выражающийся в расширении эксплуатационного диапазона, упрощении конструкции, повышении надежности и производительности насосной установки.
Насосная установка, содержащая плунжерный насос с цилиндром, плунжером, мембранно-клапанной системой и привод, отличающаяся тем, что, с целью расширения эксплуатационного диапазона, упрощения конструкции, повышения надежности и производительности, цилиндр насоса с мембранно-клапанной системой неподвижно крепится с помощью пакера к обсадной колонне, а шток плунжера выполнен в виде трубы с наполнителем, верхний конец которого крепится к устью скважины, при этом возвратно-поступательные движения плунжера совершаются за счет продольной упругой деформации штока, вызванной циклическим изменением давления наполнителя с частотой, равной 0,33÷1,0 собственной частоты колебательной системы.
