Установка для испытания скважинных штанговых насосов
INSTALLATION FOR TESTING BOREHOLE ROD PUMPS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к исследованию и испытанию скважинных штанговых насосов.
Известен стенд для исследования влияния наклона оси насоса на работу шаровых клапанов, содержащий механизм возвратно-поступательного движения, вертикальный поршневой насос, смонтированный на каркасе, напорную емкость, емкость для рабочей жидкости, воздушный баллон для регулирования перепада давления на выходе насоса
(см. книга: Уразаков К.Р. Эксплуатация наклонно-направленных насосных скважин. - М.: Недра, 1993. - 169 с, с. 87-89).
Недостатком указанного стенда является невозможность моделирования различных режимов движения плунжера насоса, влияния и моделирования упругих свойств колонны штанг и жидкости в затрубном простанстве скважины.
Известна установка для испытаний скважинных штанговых и винтовых насосов, содержащая механизм возвратно-поступательного движения насоса, приводимым в движение электродвигателем, систему измерения и регистрации параметров насоса, причем насосы закреплены на раме с замком-фиксатором, выполненной с возможностью установки под необходимым углом наклона осей насосов (см. пат.RU №2159867, МПК F04B 51/00, БИ N 33, 2000 г.).
Установка позволяет провести испытание насосов при различных углах наклона к горизонту.
Недостатками указанной установки являются невозможность моделирования различных режимов движения плунжера насоса, влияния и моделирования упругих свойств колонны штанг и жидкости в затрубном простанстве скважины.
Известна установка для испытаний штанговых насосов, содержащая раму с замком-фиксатором, выполненную с возможностью установки оси штангового насоса с требуемым углом наклона к горизонту, емкость с рабочей жидкостью, механизм возвратно-поступательного движения штангового насоса с приводом, соединенным с плунжером насоса, выполненный в виде основного и дополнительного гидроприводов, поршень основного гидропривода соединен с приводом, при этом поршень дополнительного гидропривода соединен с одной частью привода, а цилиндр - со второй частью привода, причем гидроцилиндр снабжен концевыми выключателями (см. пат. RU №2238434, МПК F04B 51/00, F04B 47/00, бюл. №29, опуб. 20.10.2004), который принят за прототип.
Оснащение привода дополнительным гидроприводом, размещенным между гидроцилиндром и поршнем основного гидропривода, позволяет моделировать запаздывание начала перемещения плунжера насоса вследствие деформации колонны штанг.
Недостатками указанной установки являются невозможность моделирования и учета влияния упругих свойств колонны штанг, и рабочей среды в цилиндре и напора на приеме насоса. Кроме того, резкое перемещение цилиндра насоса в крайних положениях плунжера приводит к нарушению рабочего процесса насоса.
Технической задачей предлагаемого изобретения является возможность моделирования деформации колонны штанг, сжатия и упругости рабочей среды в цилиндре и возможности учета влияния давления на входе насоса.
Решение указанной задачи достигается тем, что в установке для испытания штанговых насосов, содержащей раму с замком-фиксатором, выполненную с возможностью установки оси штангового насоса с требуемым углом наклона к горизонту, емкость с рабочей жидкостью, механизм возвратно-поступательного движения штангового насоса, выполненный в виде гидропривода с гидроцилиндром, шток которого соединен с плунжером с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него, при этом гидроцилиндр снабжен концевыми выключателями, согласно техническому решению, насос размещен в цилиндрическом корпусе с образованием герметичной приемной емкости, напорная полость насоса выполнена с возможностью сообщения через регулируемый дроссель с емкостью с рабочей жидкостью или с приемной полостью.
Штанговый насос снабжен насосно-аккумуляторной станцией, напорная линия насоса которой через обратный клапан сообщена с приемной полостью.
Штоки штангового насоса и гидроцилиндра телескопически соединены между собой и подпружинены друг к другу.
Гидроцилиндр подпружинен относительно корпуса.
Конструкция предлагаемого устройства поясняется чертежом.
На фиг. 1 показан общий вид установки;
На фиг. 2 - вид сбоку на фиг. 1;
На фиг. 3 - функциональная схема стенда для испытания штанговой насосной установки;
На фиг. 4 - вариант исполнения привода штангового насоса;
Установка для испытания штанговых насосов содержит раму 1 (фиг. 1 и 2), например, с двумя вертикальными стойками (на фиг. не указаны), штанговую насосную установку 2. Штанговая насосная установка 2, например, в средней части, снабжена горизонтальными осями 3, пропущенными через стойки рамы 1 в средней их части с возможностью поворота насосной установки 2 под необходимым углом наклона с помощью поворотного механизма 4.
Насосная установка 2 (фиг. 3) включает штанговый насос 5, оснащенный насосно-аккумуляторной станцией 6, и механизм возвратно-поступательного движения, выполненный в виде гидропривода.
Гидропривод включает гидроцилиндр 7, размещенный соосно насосу 5, и насосную станцию 8. Насосная установка 2 размещена, например, в цилиндрическом корпусе 9 с образованием в нижней его части герметичной приемной полости 10, заполненной рабочей жидкостью.
Гидроцилиндр 7 размещен в верхней части корпуса 9. Корпус 9 может быть выполнен составным, включающим нижнюю и верхнюю части (на фиг. не указаны).
Штанговый насос 5 включает размещенный в цилиндре 11 плунжер 12 с нагнетательным клапаном 13 и штоком 14, пропущенным через устьевой сальник 15. В нижней части цилиндра 11 размещен всасывающий клапан 16. Цилиндр 11 в верхней части снабжен, например, буртом 17, а корпус 9, ответно бурту 17 - кольцевым цилиндрическим углублением (на фиг. не указано) с обеспечением жесткого соединения цилиндра 11 с корпусом 9.
Клапаны 13 и 16 установлены с возможностью образования рабочей 18 и напорной 19 полостей.
Гидроцилиндр 7 привода, например, также снабжен буртом 20, размещенный между нижним 21 и верхним 22 упорами корпуса 9, выполненными, например, в виде кольцевого уступа и гайки с обеспечением жесткого соединения с корпусом 9. Гидроцилиндр 7 включает размещенный в нем поршень 23 со штоком 24 с образованием поршневой 25 и штоковой 26 полостей. Штоки 14 и 24 насоса 5 и гидроцилиндра 7, например, соединены телескопически и подпружинены друг к другу пружиной 27.
Насосно-аккумуляторная станция 6 штангового насоса, включает подпорный насос 28, установленный с возможностью сообщения его напорной линии (на фиг. не указана) с приемной полостью 10 штангового насоса 5, например, через два обратных клапана 29 и 30, а также вентиль 31, размещенный между клапанами 29 и 30. Насосно-аккумуляторная станция 6 снабжена также баком 32 для рабочей жидкости, а подпорный насос 28 - переливным клапаном 33 и пневмогидроаккумулятором 34 с возможностью сообщения с баком 32 посредством вентиля 35. Подпорный насос 28 может быть выполнен в виде плунжерного насоса.
Напорная полость 19 штангового насоса 5 выполнена с возможностью сообщения с баком 32 через регулируемый дроссель 36, счетчик жидкости 37, или, с приемной полостью 10 насоса 5 посредством, например, трехходового крана 38.
Насосная станция 8 гидропривода включает насос 39, оснащенный, например, переливным клапаном 40, пневмогидроаккумулятором 41 и вентилем 42, а также, например, трехпозиционным двухходовым гидрораспределителем 43 с электромагнитным управлением. Питание насоса 39 маслом (гидравлической жидкостью) осуществляется от бака 44.
Гидроцилиндр 7 оснащен двумя конечными выключателями 45 и 46, выполненными, например, в виде магнитно-индуктивных датчиков, соединенных с электроприводом гидрораспределителя 43.
Штанговый насос может быть оснащен приемным фильтром (на фиг. не показан).
Гидроцилиндр 7 (фиг. 4) между нижним упором 21 и буртом 20 может быть оснащен пружиной 47 с возможностью взаимодействия гидроцилиндра 7 с верхним упором 22.
Установка работает следующим образом.
Пусть насосная установка (фиг. 1 и 2) находится в вертикальном положении. Поршень 23 (фиг. 3) гидроцилиндра 7 и плунжер 12 насоса находятся в нижнем крайнем положении. При этом штоковая полость 26 гидроцилиндра 7 сообщена с насосом 39, а поршневая полость 25 - с баком 44. Напорная полость 19 насоса 5 через дроссель 36, счетчик жидкости 37 и трехходовой кран 38, например, с баком 32. При помощи насоса 28 устанавливается требуемое давление в приемной полости 10 для имитации динамического уровня жидкости в скважине.
При движении плунжера 12 вверх давление в полости увеличивается. Это приводит к увеличению усилия в штоке 14, что приводит к сжатию пружины 27. Жесткость пружины 27 выбирается для моделирования жесткости колонны штанг.
Жесткость колонны штанг длиной l и диаметром d определяется по формуле
5
где Е=2,1x10 МПа - модуль упругости штанги из стали;
- площадь сечения штанги.
Если l=1000 м, d=22 мм  тогда жесткость пружины 27 должная составлять
Когда поршень 23 доходит до верхнего крайнего положения, датчик 46 переключает гидрораспределитель 43 в другое положение. При перемещении поршня 23 и плунжера 12 вниз, усилие в штоке 14 снижается. Это приводит к растяжению пружины 27, имитируя деформацию колонны штанг.
Одновременно с испытанием штангового насоса 5 может также испытываться устьевой сальник 15. Кроме того, штанговый насос 5 может оснащаться приемным фильтром (на фиг. не показан).
Посредством поворотного механизма 4 (фиг. 1 и 2) насосная установка может устанавливаться под любым углом к горизонту, от 90° до горизонтального положения.
При продолжительном испытании насоса 5, напорная полость 19 насоса 5 посредством трехходового крана 38 может сообщаться с приемной полостью 10.
Далее цикл повторяется.
Работа насоса по фиг. 4 аналогична ранее описанному. При подъеме плунжера 12 происходит сжатие пружины 47, размещенной между упорами 21 и 20 корпуса 9 и гидроцилиндра 7.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет:
- имитировать работу штангового насоса в наклонно направленных и горизонтальных скважинах;
- моделировать деформацию колонны штанг, а также динамический уровень пластовой среды в скважине;
- провести исследования и испытания устьевого сальника, а также приемного фильтра;
- имитировать работу насоса в глубокой скважине путем создания требуемого давления на выходе насоса.