ДЕМПФЕР ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, в частности к устройствам для снижения динамических нагрузок на полированный шток и штанги при работе станка-качалки.
Известны аналоги заявляемого технического решения, например, "Демпфирующая муфта", описанная в патенте RU 2241155, МПК F16F 9/10, опубл. 27.11.2004 г., содержащая цилиндрический корпус с отверстиями, размещенными на боковой поверхности. Цилиндрический корпус закрыт с торцев верхней и нижней крышками с цилиндрическими отверстиями по оси и с канавками, в которых размещены уплотнения. Внутри корпуса размещены верхний и нижний поршни с цилиндрическими штоками. Верхний и нижний поршни имеют на боковой поверхности канавки, в которых размещены уплотнения, и наклонные отверстия, соединяющие пространство под и над поршнями. Наклонные отверстия имеют диаметр на порядок меньший, чем отверстия на боковой поверхности цилиндрического корпуса. Отверстия на боковой поверхности цилиндрического корпуса расположены вблизи верхней крышки, вблизи нижней крышки и симметрично вблизи центра корпуса. Поршни установлены в цилиндрическом корпусе, и цилиндрические штоки установлены в цилиндрических отверстиях крышек с возможностью перемещения вдоль оси цилиндрического корпуса и вращения друг относительно друга. К штоку верхнего поршня прикреплены штанги станка-качалки, к штоку нижнего поршня прикреплен плунжер глубинного штангового насоса. Роль канала перетока жидкости выполняет скважинное пространство. Недостатком данного аналога является следующее. Для получения оптимальной динамической нагрузки на колонне насосных штанг необходимым условием работы является получение необходимого расхода рабочей жидкости, перетекающей из цилиндра через малые отверстия поршней, диаметральные размеры которых необходимо определять. Тем не менее, применение жидкости из скважинного пространства, в которой возможно наличие механических частиц, вязкость которой в различных условиях может быть существенно различной, приводит к тому, что данные факторы необходимо учитывать при подборе размера отверстий. Наличие механических частиц в жидкости может привести к эрозионному износу отверстий и изменению технологического режима в сторону ухудшения компенсации динамических нагрузок. Для поддержания работоспособности устройства в этих условиях необходимо подобрать абразивоустойчивые материалы, что приводит к удорожанию устройства.
В качестве прототипа, как наиболее близкого к заявляемому техническому решению, выбрана "Канатная подвеска станка-качалки штанговой насосной установки", описанная в патенте RU 2407917, МПК F04B 47/02, опубл. 27.12.2010 г. Прототип включает в себя стальные канаты, упорные втулки, нижнюю траверсу с ребрами, в которых установлены регулировочные болты, между которыми размещена подвижная верхняя траверса. Подвижная траверса выполнена с призматическим пазом, в котором размещена призматическая пластинчатая подвижная опора, в цилиндрическом гнезде которой установлен нижний конец наружного корпуса демпфера, взаимодействующего через упругий элемент с конусом, над которым размещена регулировочная втулка, взаимодействующая с полированным штоком. Последний размещен в полости, образованной цилиндрическими отверстиями регулировочной втулки, конуса и подвижной опоры. Прототип снабжен демпфирующим узлом, выполненным в виде конуса и цилиндра, внутри которого размещен амортизационный элемент, взаимодействующий с конической упорной втулкой, связанной с регулировочной втулкой и упорной муфтой. Недостатком прототипа является относительно сложная его конструкция, но основным его недостатком является достаточно низкая степень демпфирования нагрузок, поскольку амортизационный элемент прототипа, выполненный из однородного материала в виде осесимметричного тела вращения, расположенного между полированным штоком и жестким корпусом демпфера, позволяет лишь частично снизить значения амплитуд динамических нагрузок.
Задачей, решаемой полезной моделью, является снижение динамических нагрузок, воздействующих на полированный шток и штанги при работе станка-качалки путем применения высокоэффективного демпфера.
Техническим результатом, достигаемым от применения заявляемой полезной модели, является повышение надежности работы подземного оборудования скважины за счет уменьшения вероятности обрыва полированного штока и штанг.
Достигается это тем, что в известном демпфере динамических нагрузок, размещенном на верхней траверсе канатной подвески полированного штока, содержащего установленный внутри корпуса упругий элемент из эластомерного материала, охватывающего полированный шток, и клиновой зажим, установленный над демпфером на полированном штоке, согласно полезной модели:
- упругий элемент демпфера выполнен, по меньшей мере, из двух элементов дискообразной формы, охватывающих полированный шток, при этом, по меньшей мере, один из упругих дискообразных элементов выполнен из материала, упругие характеристики которого отличаются от упругих характеристик материала другого упругого элемента;
- нижний относительно верхней траверсы упругий элемент демпфера взаимодействует с жесткой опорной пластиной, установленной на опорной втулке, взаимодействующей своим нижним концом с верхней траверсой, которые охватывают полированный шток;
- корпус демпфера выполнен в виде стакана с отверстием в его дне для прохождения через него полированного штока;
- клиновой зажим размещен с внешней стороны дна корпуса демпфера.
Проведенный информационный поиск показал, что отличительные признаки заявляемого технического решения не известны из уровня техники, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Заявляемое техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Суть полезной модели поясняется на фиг., на которой приведен продольный разрез канатной подвески полированного штока с установленным на ней демпфером динамических нагрузок.
Канатная подвеска полированного штока состоит из верхней 1 и нижней 2 траверс, в которых выполнены соответственно соосные отверстия 3 и 4 для прохождения полированного штока 5, на котором посредством резьбы установлена головка 6 (резьба головки не показана). Траверсы 1 и 2 соединены между собой посредством винтов 7, предназначенных для регулирования расстояния между траверсами 1 и 2, что необходимо для регулирования посадки плунжера глубинного насоса, находящегося в скважине, относительно его корпуса. К нижней траверсе 2 крепятся тросы 8, которые закрепляются на головке балансира станка-качалки (не показано). На полированном штоке 5 установлен клиновой зажим, состоящий из корпуса 9, резьбовой муфты 10 и конических клиньев 11, охватывающих полированный шток 5. Заявляемый демпфер динамических нагрузок устанавливается между клиновым зажимом и верхней траверсой 1, и состоит из опорной втулки 12, установленной в канавке 13, выполненной на верхней траверсе 1, жесткой опорной пластины 14, установленной на опорной втулке 12, нескольких упругих дискообразных элементов 15, выполненных из эластомерного материала, например, резины (на фиг. показаны четыре дискообразных упругих элемента), взаимодействующих нижним упругим элементом 15 с жесткой опорной пластиной 14. При этом, по меньшей мере, материал одного из упругих элементов 15 по своим упругим характеристикам отличается от упругих характеристик материала других элементов 15, например, твердостью, т.е., например, один из упругих элементов 15 выполнен из более мягкой резины. Сверху на пакет дискообразных элементов 15 устанавливается корпус 16 демпфера, выполненный в виде стакана с отверстием 17 в его дне 18 для прохождения через него полированного штока 5.
Заявляемый демпфер динамических нагрузок устанавливается на верхней траверсе 1 канатной подвески полированного штока 5 следующим образом. Отвинчивают головку 6 полированного штока 5, ослабляют путем отвинчивания резьбовой муфты 10 усилие прижатия конических клиньев 11 и снимают с полированного штока 5 клиновой зажим. На верхнюю траверсу 1 в канавку 13 устанавливают опорную втулку 12, на которую устанавливают жесткую опорную пластину 14, а затем дискообразные упругие элементы 15. Элемент 15, выполненный из более мягкого материала, предпочтительно устанавливать верхним в пакете упругих элементов 15. После этого на шток 5 устанавливается корпус 16, а сверху него устанавливается клиновой зажим вплотную ко дну 18 корпуса 16, муфта 10 затягивается, клинья 11 обжимают полированный шток 5, после чего на шток 5 навинчивают головку 6.
Работает заявляемый демпфер динамических нагрузок следующим образом. При движении полированного штока 5 вверх, дно 18 корпуса 16 демпфера под действием нагрузок, состоящих из веса полированного штока 5 и плунжера насоса, находящегося на конце штока 5, силы сопротивления перекачиваемой насосом жидкой среды и возможных пульсаций давления в жидкой среде, упирается в пакет упругих элементов 15, которые воспринимают избыточную нагрузку. При этом в пакете упругих элементов 15 сначала начинает сжиматься дискообразный упругий элемент 15, выполненный из более мягкого (менее упругого) материала, сглаживая пиковую нагрузку. При достижении определенного значения нагрузки на пакет упругих элементов 15 со стороны дна 18 корпуса 16 начинают сжиматься упругие элементы 15, выполненные из более жесткого материала, продолжая снижать нагрузки на шток 5.
Таким образом, за счет применения в пакете упругого элемента, выполненного из материала с меньшей упругостью, происходит более плавное, растянутое по времени, снижение нагрузок на полированный шток 5 благодаря снижению амплитуд пиковых нагрузок.
При движении полированного штока 5 вниз демпфирование нагрузок на шток 5 происходит аналогично описанному выше.
Испытания заявляемого демпфера показали, что его применение в канатной подвеске полированного штока позволяет:
- снизить количество отказов по причине обрыва полированного штока и штанг;
- снизить величину динамических нагрузок растяжения/сжатия полированного штока и штанг, возникающих в процессе работы станка-качалки;
- амортизировать пульсации жидкой среды при работе насосного оборудования;
- снизить величину динамических нагрузок при включении и выключении станка-качалки;
- снизить величину ударных нагрузок на головку балансира станка-качалки.
Учитывая новизну заявляемого технического решения и его промышленную применимость, заявитель считает, что оно может быть защищено патентом на полезную модель.