НАСОСНАЯ УСТАНОВКА
PUMP PLANT

Изобретение относится к скважинным насосным установкам и может использоваться для добычи нефти, воды и других жидкостей из скважин.
Известна установка глубинного штангового насоса по книге Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция). Издательство «НЕДРА», Москва 1968 г., стр.29-30. Основной недостаток этой насосной установки, кроме прочих, заключается в ограниченной высоте подъема жидкости, не более 2000 м, а также в том, что при откачке газожидкостной смеси установка не может обеспечить необходимую степень сжатия газа для открытия обратного клапана. В связи с этим установка не способна работать при повышенном содержании газа в скважинной жидкости.
7
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является насосная установка, известная по патенту на изобретение RU 2378534 C1, МПК F04B 47/08 от 10.01.2010 г., содержащая плунжерный насос, цилиндр и мембранно-клапанная система которого неподвижно закреплены 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.
Основной недостаток этой установки, заключается в том, что продольная упругая деформация штока, осуществляется циклическим изменением давления наполнителя, который давит не только на дно штока, но и на стенки. При этом шток испытывает напряженное состояние не только от давления наполнителя, но и от собственного веса и веса наполнителя. Поэтому при откачке жидкости с большой глубины напряжения в штоке могут превысить предел усталости материала и вывести шток из строя.
Дополнительным недостатком является то, что плунжер вытесняет перекачиваемую жидкость в скважину посредством мембранно-клапанной системы. При вытеснении перекачиваемой жидкости мембрана имеет возможность продавливаться в выпускные отверстия и разрушаться. Поэтому напор насосной установки ограничен также прочностью мембраны.
Задачей изобретения является получение технического результата, выражающегося в повышении напора и в обеспечении работоспособности насосных установок при значительном содержании газа в скважинной жидкости.
Указанная задача в насосной установке, содержащей плунжерный насос с возвратно-поступательным движением плунжера за счет продольной упругой деформации полого штока с наполнителем, верхний конец которого закреплен на устье скважины, а цилиндр закреплен с помощью пакера на обсадной колонне, решается тем, что наполнитель выполнен в виде груза, подвешенного на канате, а возвратно-поступательные движения плунжера осуществляются за счет подъема и опускания груза на дно штока.
Проведенный научно-технический анализ предложения 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.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена насосная установка в разрезе, смонтированная в скважину;
на фиг.2 изображен фрагмент насосной установки в разрезе в процессе вытеснения перекачиваемой жидкости из цилиндра в скважину выше пакера;
на фиг.3 изображен фрагмент насосной установки в разрезе в процессе всасывания перекачиваемой жидкости в цилиндр из скважины ниже пакера.
Насосная установка, представленная на фиг.1 содержит плунжерный насос, цилиндр 1 которого закреплен с помощью пакера 2 на обсадной колонне 3. Как вариант цилиндр 1 может быть установлен в насосно-компрессорные трубы (не показано). Верхний конец штока 4 плунжера 5 установлен на устье скважины 6. Шток 4, выполнен в виде набора труб, выполненных из материала с низким модулем упругости, например из сплава алюминия. В шток установлен груз 7, подвешенный на канате 8. Верхний конец каната 8 прикреплен к грузоподъемному устройству (не показано).
Плунжер 5 выполнен полым и крепится к нижнему концу штока 4 с помощью муфты 9. Его верхний конец снабжен выпускными каналами 10, а нижний - впускным клапаном 11, ограничивающим сверху рабочий объем цилиндра 1. Цилиндр 1 снабжен впускным клапаном 12, ограничивающим его рабочий объем снизу.
Работает установка следующим образом: груз 7 с помощью каната 8 приподнимается грузоподъемным устройством, например барабанной лебедкой (не показано) над дном штока 4 на высоту L. Затем груз 7 опускается (падает) на дно штока 4. Шток 4 вытягивается под действием силы тяжести груза 7 и силы инерции.
Величина деформации штока может быть определена приблизительно из уравнения баланса энергии
где m - масса груза, кг;
v - скорость падения груза, м/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
x - величина деформации штока (ход плунжера 5), м;
к - жесткость штока 4, Н/м;
H - напор насоса, м;
3
ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м;
/
V - объем перекачиваемой жидкости за один цикл, м;
w
h - потери энергии, Дж.
Из уравнения 1.1 ход плунжера составит
2
где S - площадь плунжера, м.
Плунжер 5 заглубляется в цилиндр 1 до соприкосновения с впускным клапаном 12 цилиндра 1 (см. фиг.2) и вытесняет газожидкостную смесь из цилиндра 1 в скважину.
Так как нерабочий объем Б цилиндра 1 незначителен, то газожидкостная смесь (показана стрелками), находящаяся в цилиндре 1 (между впускными клапанами плунжера и цилиндра) почти полностью вытесняется плунжером 5 через клапан 11, полость плунжера 5 и каналы 10 (см. фиг.1) в скважину над пакером 2 и далее через патрубки 13 на поверхность. При этом степень сжатия газожидкостной смеси из-за незначительного нерабочего объема Б (см. фиг.2) достигает величины, обеспечивающей выравнивание давления газожидкостной смеси с давлением перекачиваемой жидкости, соответствующей напору насосной установки. Это создает условие для открытия впускного клапана 11 штока 5 и откачивания газожидкостной смеси.
После вытеснения газожидкостной смеси из цилиндра 1 в скважину грузоподъемное устройство (не показано) возвращает груз 7 в исходное положение. За счет энергии упругих деформаций шток 4 укорачивается и плунжер 5 возвращается в исходное положение, создавая разрежение в рабочей полости цилиндра 1. Впускной клапан 12 цилиндра 1 открывается и газожидкостная смесь (показана стрелками на фиг.3) заполняет рабочую полость цилиндра 1 вновь. Цикл повторяется.
Для более эффективной работы насосной установки груз должен подниматься и опускаться в такт колебания штока с грузом, т.е. число опусканий груза должно быть равно или меньше собственной частоты колебательной системы в целое число раз.
3
Чтобы обеспечить подачу жидкости 200 м/сут при напоре 3000 м насосная установка должна иметь следующие параметры:
- шток должен быть изготовлен из труб диаметром 75 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Материал труб - алюминиевый сплав Д16 с пределом текучести 285 МПа и модулем упругости 72 ГПа;
- длина штока 3000 мм;
- жесткость штока 13666 Н/м;
2
- площадь плунжера 0,0044177 м;
3
- плотность перекачиваемой жидкости 980 кг/м;
- масса груза 2605 кг;
- высота подъема груза 10 м;
- скорость падения груза 12,8 м/с;
- ход плунжера 1,857 м;
3
- подача жидкости за один цикл 0,00821 м;
-1
- собственная частота колебания системы 0,282 с
- число колебаний в минуту 17
При этом суммарные растягивающие напряжения в штоке от собственного веса с грузом и деформации составляют не более 182 МПа, т.е в 1,57 раз меньше предела текучести материала штока.
Таким образом, изобретение позволяет получить технический результат, выражающийся в повышении напора и обеспечении работоспособности насосных установок при значительном содержании газа в скважинной жидкости.