СПОСОБ ДОБЫЧИ НЕФТИ
METHOD FOR OIL PRODUCTION

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к способам механизированной добычи нефти через поднятие на поверхность из пластов по скважинам насосами.
Известны способы добычи нефти, К.Р. Уразаков, А.В. Дашевский, С.Е. Здольник, Г.Б. Агамалов, и др., «Справочник по добыче нефти», Санкт-Петербург, «Недра», 2006 год, включающие подъем нефти по скважине на поверхность непосредственно глубинным насосом или глубинным насосом от станка - качалки с приводом от электрического двигателя. (1). Известные способы добычи нефти обеспечивают поднятие нефти на поверхность только от части реально существующих физических процессов.
Недостатком широко известных способов добычи или транспортировки нефти является низкие КПД и эффективности, а также факт несоответствия работы глубинных насосов или станков - качалок, с приводом от электрических двигателей, действительно происходящим процессам при работе самих (2) двигателей, что заложено почти два века назад по (3). Через низкие КПД и эффективность работы известных электрических двигателей вытекают и низкие показатели, работающих ныне насосов по добыче нефти. Существующие способы добычи нефти не соответствуют закону сохранения энергии (4), основным законам механики Ньютона (5) и Международно установленным единицам измерения физической величине работа (6) и энергия, через работу известных и широко распространенных электродвигателей (2), (3) и (8). Как известно, любые технические и технологические процессы, которые не соответствуют законам физики, являются недействительными и не могут быть промышленно применимы.
Задачей предложенного изобретения является повышение КПД и эффективности существующих способов добычи нефти, существенная экономия энергетических ресурсов, приведение в соответствие с существующими законами физики и Международно принятыми единицами измерения физической величине работа и энергия.
Целью изобретения является создание принципиально нового ранее не известного способа добычи нефти с высоким КПД и эффективностью, при преобразовании электрической энергии через электрический двигатель в работу нефтяного насосного оборудования. Выполнение основного закона природы, закона сохранения энергии, выполнение всех основных законов механики с соблюдением Международно установленной единицы измерения физической величины работа в предложенном способе.
э.
д
Технический и технологический результат достигается тем, что с подачей напряжения на обмотки в период пуска предварительно аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс насоса и двигателя ротором, далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы системы в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой А - работы электрического тока по вращению ротора с насосом в установившемся режиме, второй А - работы аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению:
общ.
где А - общая работа электродвигателя с насосом по преобразованию электрической энергии в механическую энергию при добыче нефти. В предлагаемом способе добычи нефти однозначно в энергетическом балансе насосов имеется основная составляющая , аккумулированная в пусковой или разгонный период времени кинетическая энергия вращающихся масс ротора двигателя с гидрозащитой и рабочих органов нефтяного насоса, соединенных между собой, которые выполняют основные и вспомогательные работы по добыче нефти, в составе баланса [1] системы двигатель-насос. По источнику (3) КПД и эффективность известных электродвигателей с начала 19-го века, основаны государственные стандарты (2), которые не соответствуют существующим физическим законам в области механики. В предложенном способе добычи нефти обеспечивается полный баланс всех задействованных видов энергии: электрической, электродинамической и чисто динамической, а за основу изложения принята энергетическая диаграмма авторов по чертежу графических материалов. Все рассуждения основаны на том, что масса и моменты их инерции всех вращаемых деталей насоса и привода суммируются и рассматриваются в единой системе вращающихся масс, как аккумулированная механическая энергия.
э.
п.
э.
п
н
п
п.
р.
э.
p.
э.
общ.
э.
∑д
В известных способах добычи нефти привод насосов осуществляется известными электродвигателями (2), (3), которые не отражают механические процессы, происходящие в существующих способах работы электродвигателей, а через них далее в способах добычи нефти. К примеру, по чертежу с энергетической диаграммой работы двигателя с нагрузкой однозначно наравне с работой А - сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока в обмотках с магнитным полем электромеханического двигателя в установившемся режиме, одновременно постоянно присутствует и действует динамическая работа  - от кинетической энергии вращающихся масс и моментов инерции системы двигатель-насос, по абсолютной величине или накопленная в результате разгона ротора с нагрузкой механическая энергия. При пуске электродвигателя на чертеже в начальный t момент времени  = 0, работа вращательного движения ротора по инерции равна нулю, но в то же время работа А=max, сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока в обмотках с магнитным полем электромеханического двигателя и в процессе разгона ротора на много больше, чем при работе в установившемся режиме. Для примера, двигатели погружных насосов УЭЦН имеют важную характеристику, I/I, отношение величины пускового тока к току номинальному в установившемся режиме, где пусковая часть тока совершает работу по разгону вращающихся масс системы двигатель-насос. Далее по энергетической диаграмме авторов происходит преобразование превышающей части от установившейся после разгона электрической энергии тока I в механическую, которая аккумулируется и сохраняется по (4) эквивалентом в виде кинетической энергии вращающихся масс в системе в промежутке времени t. По завершении этого времени электродвигатель работает в установившемся режиме в промежутке времени t. Этот факт подтверждает, что в авторском варианте соблюдается закон сохранения энергии (4) и происходит аккумулирование повышенной части работы А - сил вращения ротора, в пусковой части этой работы, в разгон ротора, чтобы в дальнейшем в установившемся режиме использовать,  - как работу от кинетической энергии системы двигатель-насос с общим моментом инерции. Таким образом на чертеже по энергетической диаграмме авторов, в предлагаемом способе работы электромеханического двигателя, а через него и в способе добычи нефти, на протяжении времени t - в установившемся режиме двигателя в единой системе одновременно работают две составляющие. Это работа А - сил вращения ротора, вызванная протеканием электрического тока в обмотках при взаимодействии с магнитным полем в установившемся режиме, и  - работа предварительно аккумулированной при пуске кинетической энергии вращающихся масс ротора двигателя и насоса с заданной массой, которые в сумме дают общую работу в предлагаемом способе добычи нефти с приводом нефтяного насоса от электромеханического двигателя. В источниках информации (2), (3) для широко известных способов работы электродвигателей в составе известных способов добычи нефти,  - работа вращательного движения масс не предусмотрена в принципе. То есть принцип действия широко известных электродвигателей в известных способах добычи нефти основан и описывается без слагаемой работы движения ротора с насосом в форме кинетической энергии, что не может быть объяснено и описано, как по энергетической диаграмме авторов, так и по известной диаграмме электродвигателей из (3). По источнику информации (3), к примеру, по энергетической диаграмме не возможно показать и объяснить, куда девается повышенная электрическая энергия во время пуска и разгона электродвигателя, где та часть энергии, в которую превратилась она в дальнейшем, ведь по закону сохранения энергии она никуда не исчезает бесследно и должна присутствовать постоянно в другой форме, как конкретно в предлагаемом способе добычи нефти. В случае предлагаемого баланса авторами А=А+А., [1] - общая работа, производимая электрическим током или развиваемая мощность, которая получается после деления частей равенства [1] на время t:
общ.
где Р - общая развиваемая мощность двигателя в предлагаемом способе добычи нефти;
э.
Р - мощность электромеханического двигателя от действия электрических токов для вращения ротора в установившемся режиме;
э.
- мощность от кинетической энергии вращающихся масс системы, по абсолютной величине или накопленная в результате разгона вращающихся масс ротором и далее постоянно действующая кинетическая энергия (с нефтяной насосной нагрузкой). В (1) известных способах добычи нефти отсутствует работа , а для известных источников информации, мощность  электродвигателя. Эта мощность должна постоянно присутствовать и не может исчезать бесследно, как в широко известных способах. В то же время электросчетчик электроэнергии, потребляемой электродвигателем, а через него и нагрузки нефтяного насоса, замеряет только Р, так называемую потребляемую со всеми потерями, равную значению , где U - напряжение питания, I - электрический ток в широко распространенных системах измерения. Электросчетчик не измеряет развиваемую мощность , от кинетической энергии движения вращающихся масс системы, несмотря на то, что она присутствует постоянно и только благодаря работе этой составляющей есть установившийся режим работы по Фиг.
Это в очередной раз подчеркивает о недопустимом далее нарушении закона сохранения энергии и невозможно представить, как без составляющей  или  производить способ добычи нефти. Математическое выражение КПД по (7), в предлагаемом авторами способе добычи нефти, работа электромеханического двигателя соответствует закону сохранения энергии (4), законам механики (5) и единице измерения физической величины работа (6), и включает работу или мощность  от кинетической энергии системы, в то время как для существующих способов отсутствует.
Для достоверности утверждений авторов обратимся к единице измерения физической величины работа с принципиальной точки зрения килограмм на метр (кг⋅м) или ньютон на метр (н⋅м). В источнике (6) из серии «Знаете ли вы Физику?», стр. 116, 117, неотразимо приведена суть самого понятия работа, которая по определению содержит часть пути перемещения массы по инерции в форме затухающей кинетической энергии движения, в противном случае не происходит соблюдение закона сохранения энергии. Для вращательного движения в механике единица измерения работы имеет ту же размерность (кг⋅м) или (н⋅м), как в (6), и по сути также должна содержать часть движения по инерции в составе единой инерциальной системы, к примеру, в предлагаемом способе добычи нефти.
э.
э.
общ.
общ.
Предлагаемый способ добычи нефти с работой электромеханического двигателя по энергетической диаграмме авторов соответствует полной размерности выполняемой по сути работы или развиваемой мощности, и соответствует величине Международно установленной единицы измерения физической величины работа. Для известных способов добычи нефти с известным электродвигателем в противоречии с законом (4), (5) промышленная применимость не возможна. Замер электросчетчиком электрической энергии однозначно показывает только потребленную часть Р электрической энергии или только часть работы А электродвигателя вместе с нагрузкой нефтяного насоса. Но ни в коем случае не показывает механическую или динамическую составляющую мощности, в которую перешла удвоенная пусковая часть электрической энергии электромеханического двигателя при разгоне ротора , далее она присутствует постоянно в установившемся режиме электромеханического двигателя в предлагаемом способе добычи нефти. Если электросчетчик потребленной электрической энергии не может технически показать динамическую составляющую развиваемой мощности, это не значит, что она не существует в данном физическом процессе, и ее нет вообще. Более того она всегда присутствует, влияет на КПД по (7) и эффективность предлагаемого способа добычи нефти, через способ работы двигателя по энергетической диаграмме авторов. При проектировании известных электродвигателей (8) не заложена слагаемая динамическая составляющая при работе известных электродвигателей  или мощности  в общем объеме работы А или мощности Р.
∑д.
Абсолютные величины работы и мощности вращательного движения ротора по инерции в [1], [2] взяты по причине того, что они являются отрицательными по направлению и имеют замедленную природу и убывающий характер движения по инерции под влиянием трения и нагрузки в случае предлагаемого способа перемещения нефти. Если существует способ работы электродвигателя при добыче нефти, где происходит преобразование электрической энергии в механическую, то полученный механический процесс должен полностью подчиняться с возможностью математического описания существующим законам механики (5) и закону сохранения энергии (4). В широко известных (1) способах добычи нефти, работа электрических двигателей (2), (3) вторая составляющая А отсутствует и не фигурирует при выполнении работы [1] и развиваемой у них [2] мощности, что противоречит фундаментальному закону сохранения энергии (4), законам механики (5) и не соответствует Международно установленной единице измерения физической величине работа (6) и не может применяться на практике.
Осуществление изобретения
э.
д
Предложенный способ добычи нефти производят следующим образом: с подачей напряжения на обмотки в период пуска аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс насоса и двигателя ротором, далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы системы в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой А - работы электрического тока по вращению ротора с насосом в установившемся режиме, второй А - работы аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс системы, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению [1].
Краткое описание чертежа
п.
p.
д.
∑д
∑д.
p.
общ.
э.
д.
∑д.
∑д.
э.
п.
p.
э.
пот.общ.
пот.э.
пот.хд.
п.
п.
общ.
На графическом материале представлена энергетическая диаграмма авторов, где наглядно изложен способ добычи нефти при работе электромеханического двигателя с насосом. На чертеже диаграмма имеет три вертикальные зоны работы, сверху разделенные по видам энергии, Э - электрическая, в середине ЭМ - электромеханическая или электродинамическая и М - чисто механическая или динамическая. Слева показаны три периода времени или режима работы электродинамического двигателя при работе нефтяного насоса, t - время пуска, t - время установившегося режима, t - время остановки двигателя после отключения электропитания. Каждому периоду времени, справа диаграммы показаны интервалы значения работы, пусковому периоду соответствует разгон и вращение массы ротора до установившейся работы от кинетической энергии его движения от А=0 до А=max, от нуля до максимальной, при обеспечении суммарного баланса работы или энергии [1]. Далее в установившемся режиме t работа равна суммарному значению А=А + , и после отключения напряжения t работа определяется в интервале от А=max до А=0. В виде отрезков со стрелками на нижней части диаграммы наглядно показано равенство [1], как баланс энергии или сумма работ предложенного способа. По середине диаграммы сверху вниз двухсторонней стрелкой показаны потери при работе способа, а также степень нагрузки при добыче нефти, которые имеют влияние на каждую из составляющих А и , в зависимости от периодов времени или режимов работы. В пусковой период t, в начале потери чисто зависящие от работы больших электрических пусковых токов, а механическое трение равно нулю, и в конце, уже при установившемся t режиме потери выравниваются и ложатся на каждую электромеханическую А и чисто динамическую работу  от кинетической энергии движения ротора с насосом по инерции. После отключения электрического напряжения, питающего двигатель, существуют только механические потери с нагрузкой, к примеру, поднимаемой нефти, которые убывают по мере уменьшения скорости движения ротора по инерции, показано в нижней части диаграммы, где также соблюдается общий баланс [1]. По середине пунктирной линией сверху вниз ограничены и показаны потери, которые в отдельности и суммарно обозначены стрелками, где А=А+А. В чисто механической части работы на диаграмме показана математическая формула , что наглядно подчеркивает - это зона кинетической энергии движения ротора вращающихся масс, эта работа постоянно присутствует после перехода из чисто электрической энергии из зоны в период t, пуска электромеханического двигателя при полном соблюдении баланса [1]. На верху энергетической диаграммы в начале пускового времени t общая работа А имеет чисто электрический характер и содержание, только по мере разгона ротора, никуда не исчезает, уменьшается и превращается в чисто механическую работу от кинетической энергии вращающихся масс с их моментами инерции, сдвигаясь в правую механическую зону диаграммы с балансом [1]. На чертеже наглядно изображен теоретический масштаб составляющих электромеханической и механической или динамической частей работы предлагаемого способа работы электромеханического двигателя, который примерно в два раза превышает, чем в известных способах работы двигателя по источникам (3).
Эффективность предлагаемых способов добычи нефти выходит из общей выполняемой суммарной работы электромеханическим двигателем по [1] и развиваемой мощности [2], практически они почти в полтора - два раза больше известных через приводные двигатели.
п
н
-1
Дополнительно по источнику (4) имеется основание для обеспечения осуществления предлагаемого изобретения, ставшего общедоступным до даты приоритета на стр. 67, 68 «Закон сохранения механической энергии», согласно которого основная предварительно аккумулированная в период разгона вращающихся масс, составляющая работа, или энергия , или мощность  по (1) в установках погружных центробежных насосах на с. 246, куда входят погружной центробежный насос и погружной электродвигатель с гидрозащитой, соединяемые шлицами с заданными массами m и суммарным моментом их инерции ∑J, и применяют их совместно с первой электрической составляющей в установившемся режиме, как неотъемлемый признак по [1] или [2]. Из него вытекает очевидное решение, к примеру, в известном УЭЦН погружного электронасосного агрегата с электродвигателем с гидрозащитой, пусковая повышенная часть электрической энергии (которая характеризуется отношением пускового тока - I, к номинальному току I, при заданном напряжении питания) предварительно аккумулируется при разгоне вращающихся масс конструкций до номинальных на с. 250 из (1) ω=3000 мин при частоте тока 50 Гц, далее сохраняется и непосредственно действует в номинальном установившемся режиме при предлагаемом способе добычи нефти, как основная составляющая работа или энергия . Аналогичный энергетический баланс при добыче нефти является характерным при работе винтовых насосов с гидрозащитой с приводом от погружного электродвигателя (ПЭД в таблице 6.5 с. 254).
э.
д
пр.
2. При добыче нефти станком-качалкой, к примеру, типа СК, с. 104 из (1) технический и технологический результат достигается тем, что вращают ротор электродвигателя, кинематически соединенный с кривошипом станка-качалки и далее штангой с насосом, при этом в период пуска аккумулируют механическую энергию с общим приведенным моментом инерции вращающихся масс, с подачей напряжения на обмотки в период пуска предварительно аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс кинематических связей и двигателя ротором, далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы системы в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой А - работы электрического тока по вращению ротора с насосом в установившемся режиме, второй А - работы аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют по выражению [1]. При этом механическую или динамическую составляющую определяют по той же математической формуле , где (∑J)=J - общий приведенный момент инерции вращающихся масс кинематической связи приводного электродвигателя с кривошипом станка-качалки определяется из (8), для расчета динамической части на прочность, по выражению:
пр
1
(i+1)
2
J=J+∑(J/ji);
1
где J - момент инерции ротора двигателя;
(i+1)
J - момент инерции механизмов, соединенных с валом ротора;
i
J - передаточное отношение i-той передачи, равное отношению частот вращения данного механизма и ротора двигателя.
э.
д
Осуществление предлагаемого изобретения по п. 2 происходит так, что вращают ротор электродвигателя, кинематически соединенный с кривошипом станка-качалки и далее через коромысловый механизм производят возвратно поступательные движения штангой с насосом, при этом в период пуска аккумулируют механическую энергию с общим приведенным моментом инерции вращающихся масс, с подачей напряжения на обмотки в период пуска предварительно аккумулируют механическую энергию, которую в свою очередь получают, когда преобразуют часть электрической энергии при разгоне всех вращающихся масс кинематических связей и двигателя ротором, далее сохраняют и применяют эту накопленную механическую энергию в установившемся режиме работы системы в виде кинетической энергии, в результате получают сумму из двух составляющих общей механической работы или энергии: первой А - работы электрического тока по вращению ротора с насосом в установившемся режиме, второй А - работы аккумулированной механической энергии, преобразованной из электрической энергии при разгоне вращающихся масс, которую применяют совместно с первой, а общую работу совершают и определяют формулой [1].
-1
3. Технический и технологический результат изобретения получают, при добыче нефти по п. 1 и п. 2 так, что поддерживают пластовое давление и повышают нефтеотдачу закачкой воды приводными электродвигателями механически соединенными с насосами с общей работой, которую совершают и определяют по выражению [1] или развиваемой мощности [2]. Примером может служить горизонтальный центробежный насосный агрегат ЦНС-240-1405-2… для поддержки пластового давления с параметрами: диаметром ротора двигателя СТД-1600-2РУХЛ4d=0,4 м, массой двигателя 6700 кг, при общей массе агрегата 10080 кг, частотой вращения (3000 об/мин) 314 с. В том числе принятой для ориентировочного расчета аккумулированной энергии при разгоне в пусковом режиме, массой ротора электродвигателя m≈2000 кг и радиусом рабочей части ротора электродвигателя r=0,2 м. Пример определения , . При мощности двигателя СТД 1600000 Вт по техническому паспорту, только ее развиваемая мощность в установившемся режиме составляет  Вт, аккумулированной кинетической энергии ротора. С учетом всех вращающихся масс системы двигатель-насос динамическая или механическая составляющая мощности  превысит в два раза паспортную мощность электромеханического двигателя СТД - 1600 кВт.
Таким образом, предлагаемый способ добычи нефти по п. 1, п. 2 и п. 3, соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна», изобретательский уровень и промышленная применимость.
Источники информации
1. К.Р. Уразаков, А.В. Дашевский, С.Е. Здольник, Г.Б. Агамалов, и др., «Справочник по добыче нефти», Санкт-Петербург, «Недра», 2006 год.
2. ГОСТ 25941 - 83, «Методы определения потерь и КПД электрических машин».
3. Ф.А. Брокгауз - И.А. Ефрон, «Энциклопедический словарь», 1890 год, репринтно воспроизведенное издание к 100-летию выхода в свет 1-го издания 1890 - 1990, «Терра» - TERRA, tom 80, 1994 год, стр. 469, «Электродвигатели».
4. Б.М. Яворский и А.А. Детлаф, «Справочник по Физике», для инженеров и студентов вузов, издание четвертое, переработанное, Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1968 год.
5. И. Ньютон, «Математические начала натуральной философии», перевод с латинского с примечаниями и пояснениями А.Н. Крылова, Л., Издательство АН СССР, 1936 год.
6. Я.И Перельман, «Занимательная механика», Домодедово издательство ВАЛ, 1994 год.
7. М.О. Яримов, Программа для ЭВМ методика, «КПД и эффективность электромеханических двигателей», свидетельство о государственной регистрации №2017613759 от 29 марта 2017 года.
8. И.П. Копылов, Б.К. Клюков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев, «Проектирование электрических машин», учебник, 4-е издание, переработанное и дополненное, допущено МинОбр РФ для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов, Москва, 2011 год.