УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И ЗАЩИТЫ ПРИЕМА И ВЫХОДА СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к горной промышленности и предназначена для нефтяной и газовой отрасли при эксплуатации нефтегазодобывающих скважин, содержащих твердые частицы, шлам, песок, грязь и т.п., а именно к устройствам для удержания механических примесей.
Предпосылки для создания полезной модели.
Известно устройство для удаления механических примесей из скважины (Авт. св. СССР №800341 Е 21 В 43/08 «Устройство для удаления механических примесей из скважины»), которое включает в себя:
- перфорированную трубу (фильтр);
- заглушку с клапаном (снизу фильтра);
- свободно размещенную внутри фильтра внутреннюю трубу с уплотнителем, которая снабжена в нижней части отверстиями, а в верхней - конусными направляющими и замком.
Данное устройство разделяет механические частицы; часть их выносится потоком, а часть оседает вниз, создавая активную и пассивную зону выноса частиц.
Однако снижение гидравлического сопротивления в активной зоне и вынос песка из пассивной зоны предусматривает применение значительных скоростей потока и не разделяет поток жидкости и смеси от механических частиц.
Известен противопесочный фильтр (Авт. св. СССР №1550103 Е 21 В 43/08 «Противопесочный фильтр»), включающий в себя: наружный и внутренний перфорированные каркасы и размещенный между ними набор фильтрующих металлокерамических элементов, где фильтрующий элемент выполнен иксообразным и расширяющимся к основаниям; при этом плоскости наименьшего поперечного сечения и оснований расположены между отверстиями соответственно внутреннего и наружного перфорированных каркасов.
Недостатком данной конструкции является накопление песка и твердых частиц по мере эксплуатации в пространстве между наружным перфорированным каркасом и
набором фильтрующих металлокерамических элементов, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление потоку жидкости.
Известно также устройство для предотвращения попадания песка в электропогружной центробежный насос (Авт. св. СССР №439594 Е 21 В 43/08 «Устройство для предотвращения попадания песка в электропогружной центробежный насос» (прототип), включающий в себя оправку с посаженной пружиной, нижние витки которой входят в винтовую нарезку оправки, а верхние - в винтовую нарезку цилиндрической части полого основания клапана с его клеткой. Устройство посредством муфты устанавливается выше переводника электропогружного центробежного насоса в первой насосно-компрессорной трубе (НКТ) подъемной колонны, образуя в ней камеру для оседания песка.
Недостатком данного устройства является то, что конструктивно перекрывая (ограничивая) внутреннее сечение НКТ на выходе насоса, оно создает дополнительное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, не говоря о последствиях прохождения песка через рабочие органы насоса.
Целью полезной модели является повышение надежности и эксплуатационных возможностей скважинных штанговых насосов (СШН), и, как следствие, увеличение межремонтного периода их работы.
Поставленная цель достигается применением устройства для улавливания и защиты приема и выхода скважинных штанговых насосов от механических примесей, состоящего из цилиндрического корпуса с прикрепленными по торцам входным и выходным патрубками с возможностью крепления на резьбе к насосно-компрессорным трубам и скважинному штанговому насосу, при этом внутри цилиндрического корпуса по вертикали последовательно установлены специальные диски-втулки, образующие боковые карманы-пустоты для улавливания твердых частиц в процессе движения потока добываемой жидкости через устройство.
Предложенная полезная модель поясняется чертежом.
На фиг.1 изображено устройство для улавливания и защиты приема и выхода СШН от механических примесей, включающее в себя цилиндрический корпус 1, который посредством патрубков (переходников) входного 2 и выходного 3 на резьбе устанавливается выше СШН в первой НКТ подъемной колонны и/или ниже СШН (на фиг.1 НКТ и СШН не указаны).
Внутри цилиндрического корпуса 1 между входным 2 и выходным 3 патрубками сплошной цепочкой по вертикали располагаются специальные диски-втулки 4. которые образуют боковые карманы-пустоты 5.
Сборка устройства осуществляется наворачиванием к концу цилиндрического корпуса 1 входного патрубка 2, затем с другого конца цилиндрического корпуса 1 в его внутреннюю полость опускаются специальные диски-втулки 4 одна на другую сплошной цепочкой, которые образуют боковые карманы-пустоты 5. В зависимости от условий эксплуатации продуктивного пласта, а именно дебита, фракционного состава механических частиц, вязкости, обводненности добываемой жидкости, осуществляется подбор количества специальных дисков-втулок 4.
Цилиндрический корпус 1, заполненный специальными дисками-втулками 4 стягивается выходным патрубком 3, имеющим резьбу. Для защиты выхода насоса собранная конструкция посредством входного 2 и выходного 3 патрубков (переходников) на резьбе устанавливается выше СШН в первой НКТ подъемной колонны; а для защиты приема насоса посредством выходного патрубка 3 - ниже СШН.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Устройство для улавливания и защиты приема и выхода СШН от механических примесей спускается в скважину на необходимую глубину. Осуществляется монтаж устьевого оборудования и запускается скважина, при этом поток добываемой жидкости, проходя через устройство, попадает в НКТ, стремясь к устью скважины. Механические примеси (окалина, шлам, песок и грязь), образующиеся в процессе эксплуатации при подземных и капитальных ремонтах скважины (ПРС, КРС), хим. обработках и т.д., осыпаясь со стенок НКТ и штанг и падая вниз, преодолевают силу скоростного потока жидкости и попадают в боковые карманы-пустоты 5.
Этому будет способствовать большая плотностная характеристика осаждающихся веществ и дискретность потока добываемой жидкости, т.к. первая половина цикла работы СШН затрачивается на нагнетание жидкости, а вторая - на всасывающий процесс. Для ламинарного течения несжимаемой жидкости применяется дифференциальное уравнение Навье-Стокса в частных производных:
где  - градиент давления;
V - локальная скорость;
τ - касательное напряжение;
r, t - текущие радиус и время;
ρ - плотность жидкости.
Поле скоростей не изменяется по длине L и зависит только от r и t [1].
Согласно закона распределения скоростей потока жидкости в круглом трубопроводе [2] падающие вниз частицы, а также выносимые потоком будут прижиматься к стенке, т.е. по наименьшему по величине вектору распределения скоростей потока.
Согласно формулы Стокса:
твердые частицы оседающие, а также выносимые потоком жидкости, достигнув боковых карманов-пустот 5 устройства, будут заталкиваться в них с силой, равной
где μ - динамическая вязкость жидкости;
ΔР - перепад сил гидродинамического давления;
L - длина цилиндра рассматриваемого объема жидкости;
0
V - скорость движения жидкости;
R - радиус круглого трубопровода;
r - расстояние от оси трубопровода до рассматриваемой частицы (текущий радиус).
0
Поскольку на полости боковых карманов-пустот 5 устройства не влияет скоростной поток V→0, то и выталкивающие силы, действующие на оседающие частицы, стремятся к нулю. Устройство будет работать до тех пор, пока боковые карманы-пустоты 5 не заполнятся осевшими частицами.
Использование устройства обеспечивает, по сравнению с существующими, следующие преимущества:
а) не создается на пути движения потока жидкости от забоя до насоса и от насоса до устья искусственных механических преград по удержанию твердых частиц (песка), т.е. сведены к минимуму гидравлические потери на преодоление сопротивления движению потока;
б) конструктивно данное устройство универсально тем. что одинаково может защищать как прием, так и выход СШН;
в) возможность обеспечения «архивации» механических примесей, песка в процессе эксплуатации СШН и подъема их из скважины в процессе подземного ремонта скважины даже после глушения и промывки ствола скважины, обеспечивая сохранность содержимого в боковых карманах-пустотах. Сохраненные же твердые механические примеси позволяют определить их количественный и качественный состав, вид, размеры, хим. структуру;
г) экономия затрат времени и материальных средств при проведении ПРС с целью очистки забоя скважины от механических примесей: достаточно извлечь плунжер со штангами, опустить устройство до песка и произвести технологическую операцию «обратная промывка», при которой произойдет и размыв уплотненного песка и его вынос. Размыв уплотненного песка, достигаемый обычно при «прямой промывке». будет происходить за счет увеличения скорости промывочного потока жидкости в зоне устройства (уменьшение площади кольцевого межтрубного пространства в виду увеличенного диаметра устройства по сравнению с насосом и НКТ);
д) увеличивает надежность, межремонтный период работы, защиту скважинного штангового насоса;
е) конструкция устройства позволяет собрать контейнер любой длины и емкости в пределах расстояния от подвески насоса до забоя скважины и выше насоса к устью;
ж) выступающие габариты устройства по диаметру при эхометрических исследованиях выступают как репер;
з) песок, вынесенный из призабойной зоны и осевший в боковых карманах-пустотах устройства, не позволяет ему повторно участвовать в создании гидравлического сопротивления потоку жидкости из пласта, улучшая тем самым коллекторские свойства призабойной зоны пласта;
и) боковые карманы-пустоты не создают преград потоку добываемой жидкости с пласта до насоса и от него, сохраняют осевшие и поднявшиеся с забоя скважины механические примеси, тем самым защищая плунжер насоса от заклинивания.
Предлагаемая полезная модель может быть изготовлена промышленным способом, что подтверждают испытания опытного образца, проводящиеся в настоящее время.
Источники информации:
[1] Иктисанов В.А. «Исследование закономерностей движения скважинной продукции в кольцевых каналах ШСНУ». Диссертация кандидата технических наук. М.. МИНГ им. Губкина, 1992 г., 161 с.
[2] Рабинович Е.З. «Гидравлика». М., Недра, 1980 г., с.106, 127, 250.