ГИДРОФИЦИРОВАННЫЙ ПРИВОД ГЛУБИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к нефтедобыче и может быть использована для повышения эффективности извлечения пластовых жидкостей и добычи нефти из малодебитных нефтяных скважин.
Полезная модель также может быть использована для анализа отказов основных узлов штангового насоса (привода, напорной арматуры, глубинного оборудования) с помощью динамограмм.
Известен привод глубинного штангового насоса (см. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти; Учебное пособие для вузов. - М: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003. - рис.9.2-9.3 на с.12-13; с.18 «Измерение нагрузок на штанги, динамограф»). Привод глубинного штангового насоса содержит станок-качалку, предназначенный для восприятия нагрузок, действующих в точке подвеса штанг в течение насосного цикла, колонну штанг, колонну НКТ, плунжер насоса, цилиндр насоса, клапаны, глубинный динамограф для измерения нагрузок за период насосного цикла.
Условия работы привода глубинного штангового насоса и основных элементов подземного оборудования, например, колонны штанг связаны с длительным контактом со скважинной продукцией и переменными во времени нагрузками (растягивающими, сжимающими, изгибающими и крутящими). Из-за инерционных нагрузок от веса штанг в продукции скважины (в жидкой и газовой фазах) при перемещении штока меняются упругие деформации, как на штоке, так и на штангах и трубах, вследствие чего происходят различные нарушения в работе элементов подземного оборудования, влияющие на работу всей глубиннонасосной установки.
Для выявления нарушений в работе элементов подземного оборудования привод снабжен глубинным динамографом, установленным в нижней части колонны штанг (над плунжером насоса) для измерения изменения нагрузок за период насосного цикла. Графическое отображение изменений нагрузок происходит на динамограммах в виде замкнутых фигур, размеры которых зависят от действующих усилий и длины хода полированного штока (G и S). По форме фигур, зависящих от работы всей глубиннонасосной установки (ее подземной части), судят о нарушениях в различных элементах подземного оборудования. Динамограммы позволяют оперативно выявлять нарушения в работе установки и принимать соответствующие меры.
Поскольку известный привод глубинного штангового насоса снабжен станком-качалкой, то для измерения нагрузок требуется частичный демонтаж этого станка, что занимает некоторое время (иногда до нескольких часов). Из-за демонтажа станка-качалки подключение и отключение динамографа носит периодический характер. Многократный демонтаж станка-качалки и периодическое подключение (отключение) динамографа и ' его подъем на поверхность повышают трудоемкость эксплуатации привода и приводят к прерыванию процесса добычи нефти, что снижает производительность привода.
Недостатками известного привода глубинного штангового насоса являются:
- трудоемкость эксплуатации привода из-за необходимости периодического демонтажа станка-качалки на протяжении всего насосного цикла работы;
- недостаточная производительность привода, так как имеет место прерывание процесса добычи нефти;
- трудоемкость подъема-опускания динамографа, его подключения (отключения) и замера (съема) динамограмм.
Известна система гидродинамического исследования работы нефтяных скважин, оборудованных гидрофицированным приводом, состоящим из глубинного скважинного штангового насоса, колонны штанг насоса, плунжера, цилиндра насоса, геофизических кабелей, бронированных проводов, электропроводок (см. патент RU 2077735 «Система гидродинамического исследования работы нефтяных скважин»), выбранный в качестве ближайшего аналога.
Известная система гидродинамического исследования работы нефтяных скважин позволяет получать информацию о работе глубинного скважинного штангового насоса путем регистрации динамограмм и выявления давления на буфере и в затрубном пространстве на протяжении всего межремонтного периода без подъема приборов на поверхность, кроме того, система позволяет получать информацию о пластовом и забойном давлении. Система содержит подвешенный на кабеле в заданном интервале ствола глубинный прибор, содержащий датчик давления, датчик измерения состава жидкости, датчики дебита жидкости и температуры и служащий для измерения пластового и забойного давлений,
Глубинный прибор соединен с блоком наземной аппаратуры и подвешивается на геофизическом кабеле совместно с глубинным штанговым насосом в заданном интервале на весь межремонтный период.
В процессе работы привода при перемещении колонны штанг глубинного насоса и хода штока цилиндра под воздействием инерционных нагрузок от их веса меняются упругие деформации штанг, штока и других элементов привода, которые могут приводить к нарушениям в работе подземного оборудования, к отказам привода и всей глубиннонасосной установки.
Для устранения негативных воздействий инерционных нагрузок от веса штанг, хода штока и других подвижных узлов привода необходима постоянная регистрация изменяемых нагрузок на привод и их корректировка (например, длины хода штока цилиндра) в течение всего периода насосного цикла.
Недостатками известного гидрофицированного привода глубинного штангового насоса являются:
- низкая надежность работы привода и возможные сбои в работе, отсутствие оперативности в выявлении нарушений, возникающих от инерционных нагрузок (растягивающих, сжимающих, изгибающих и крутящих) от веса штанг глубинного насоса и хода штока;
- датчик (датчики) давления замеряет пластовое и забойное давления и не предназначен для замера параметров, с помощью которых возможно выявление негативных воздействий от инерционных нагрузок на штангах и на штоке при его перемещении;
- сложная конструкция глубинного прибора, в котором размещены датчики (в том числе датчик давления);
- значительная стоимость привода из-за содержащихся в нем дорогостоящих геофизических кабелей, бронированных проводов, электропроводок, датчиков (для динамометрии) давления.
Задачей предложенной полезной модели (вариантов выполнения) является возможность выявления нарушений в работе привода, возникающих от инерционных нагрузок (растягивающих, сжимающих, изгибающих и крутящих) на элементах привода от веса штанг и хода полированного штока с помощью динамограмм.
Техническим результатом предложенной полезной модели (вариантов выполнения) является:
- оперативность выявления нарушений в работе привода, возникающих от инерционных нагрузок (растягивающих, сжимающих, изгибающих и крутящих) от веса штанг и хода полированного штока;
- повышение надежности привода и предотвращение сбоев в его работе за счет обеспечения возможности оперативного анализа изменений инерционных нагрузок на элементах привода с помощью динамограмм;
- упрощение конструкции привода;
- снижение стоимости привода;
- упрощение эксплуатации привода на протяжении всего насосного цикла работы;
- повышение производительности привода за счет исключения перерывов в процессе добычи нефти.
Технический результат достигается тем, что в гидрофицированном приводе глубинного скважинного штангового насоса, содержащем силовой гидронасос, соединенный с гидроцилиндром, шток которого соединен с колонной штанг глубинного насоса, блок наземной аппаратуры, соединенный с измерительным блоком, датчики давления, напорную арматуру, маслопроводы, согласно первого варианта полезной модели, блок наземной аппаратуры содержит управляющее устройство, выход которого подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра, измерительный блок содержит датчики давления масла, вход одного из которых соединен с поршневой полостью гидроцилиндра для подачи на датчик давления из поршневой полости, вход другого - с штоковой полостью гидроцилиндра для подачи на датчик давления из штоковой полости, а выходы соединены с входами управляющего устройства.
Технический результат достигается тем, что в гидрофицированном приводе глубинного скважинного штангового насоса, содержащем силовой гидронасос, соединенный с гидроцилиндром, шток которого соединен с колонной штанг глубинного насоса, блок наземной аппаратуры, соединенный с измерительным блоком, датчик давления, напорную арматуру, маслопроводы, согласно второго варианта полезной модели, блок наземной аппаратуры дополнительно содержит управляющее устройство, выход которого подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра, измерительный блок содержит датчик давления масла, вход которого соединен с штоковой полостью гидроцилиндра для подачи на датчик давления из штоковой полости, а выход соединен с входом управляющего устройства.
Технический результат достигается тем, что в гидрофицированном приводе глубинного скважинного штангового насоса, содержащем силовой гидронасос, соединенный с гидроцилиндром, шток которого соединен с колонной штанг глубинного насоса, блок наземной аппаратуры, соединенный с измерительным блоком, датчик давления, напорную арматуру, маслопроводы, согласно третьего варианта полезной модели, блок наземной аппаратуры дополнительно содержит управляющее устройство, выход которого подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра, измерительный блок содержит дифференциальный датчик давления масла для измерения давления между штоковой и поршневой полостями, первый вход датчика соединен со штоковой, а второй вход - с поршневой полостью, а его выход соединен с входом управляющего устройства.
В гидрофицированном приводе штангового насоса для движения полированного штока используется гидроцилиндр.
По первому варианту выполнения привода датчики давления масла устанавливаются таким образом, что на один из датчиков подается давление из поршневой полости гидроцилиндра, а на другой - из штоковой полости гидроцилиндра. Выходы датчиков соединены с входами управляющего устройства.
Блок наземной аппаратуры дополнительно содержит управляющее устройство, выход которого подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра.
По параметрам управляющего сигнала устройства регулирования потока жидкости в полостях гидроцилиндра можно вычислить нагрузку на штоке цилиндра и оценить перемещение полированного штока в каждый момент времени, построить по этим данным динамограмму, проанализировать ее и тем самым обеспечить повышение надежности работы привода, предотвратить сбои в его работе и повысить производительность привода за счет исключения перерывов в процессе добычи нефти.
шт.
пор.
шт.
пор.
пор.
шт.
пор.
Поскольку площадь поршня гидроцилиндра и площадь сечения полированного штока известны, то в каждый момент времени можно вычислить нагрузку на штоке как G=P·(S-S)-P·S, где P и P - соответственно давления в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра,
шт.
пор.
S и S - соответственно площади сечения полированного штока и поршня гидроцилиндра.
Перемещение полированного штока в момент времени t можно вычислить как
,
где  - производительность устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости.
Зная параметры нагрузок на штоке цилиндра и перемещения полированного штока в заданный момент времени можно построить динамограмму, имеющую вид замкнутой фигуры яйцеобразной формы.
По построенной динамограмме можно судить об исправности привода насоса, самого насоса, напорной арматуры и глубинного оборудования.
По второму варианту выполнения привода устанавливается датчик давления таким образом, что на него подается давление со штоковой полости гидроцилиндра, а выход соединен с входом управляющего устройства. При работе привода давление в поршневой полости гораздо меньше, чем в штоковой полости, и поэтому его можно считать постоянным и заданным (как правило, нулевым).
шт.
пор.
шт.
Блок наземной аппаратуры также дополнительно содержит управляющее устройство, выход которого подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра. По известным площади поршня гидроцилиндра и площади сечения полированного штока вычисляется нагрузка на штоке G=P·(S-S), и перемещение полированного штока в момент времени t .
Зная параметры нагрузок на штоке цилиндра и перемещения полированного штока в заданный момент времени можно построить динамограмму, имеющую вид замкнутой фигуры яйцеобразной формы.
По построенной динамограмме можно судить об исправности привода насоса, самого насоса, напорной арматуры и глубинного оборудования,
Следовательно, по второму варианту выполнения привода также можно, получать динамограмму и по ней оценивать исправность оборудования, тем самым обеспечить повышение надежности работы привода и предотвратить сбои в его работе, повысить производительность привода за счет исключения перерывов в процессе добычи нефти.
По третьему варианту выполнения привода устанавливается дифференциальный датчик давления масла. Первый вход датчика соединен со штоковой, а второй вход - с поршневой полостью, а его выход соединен с входом управляющего устройства. Блок наземной аппаратуры также дополнительно содержит управляющее устройство, выход которого. подключен к входу устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости гидроцилиндра.
диф.
пор.
шт.
По известным площади поршня гидроцилиндра и площади сечения полированного штока вычисляется нагрузка на штоке G=P·(S-S), и перемещение полированного штока в момент t: времени t: .
Зная параметры нагрузок на штоке цилиндра и перемещения полированного штока в заданный момент времени можно построить динамограмму, имеющую вид замкнутой фигуры яйцеобразной формы.
По построенной динамограмме можно судить об исправности привода насоса, самого насоса, напорной арматуры и глубинного оборудования.
Следовательно, по третьему варианту выполнения привода также можно получать динамограмму и по ней оценивать исправность оборудования, тем самым обеспечить повышение надежности работы привода и предотвратить сбои в его работе, повысить производительность привода за счет исключения перерывов в процессе добычи нефти.
Для регулирования потока жидкости в полостях гидроцилиндра используется пропорциональный гидрораспределитель, или регулируемый насос, или нерегулируемый насос с регулятором оборотов вращения насоса (например, частотный регулятор электропривода насоса), или просто гидроклапан, а также подобные устройства.
Сущность предложенной полезной модели (вариантов выполнения) поясняется принципиальными схемами гидрофицированного привода.
На фиг.1 показана принципиальная схема гидрофицированного привода по первому варианту выполнения.
На фиг.2 показана принципиальная схема гидрофицированного привода по второму варианту выполнения.
На фиг.3 показана принципиальная схема гидрофицированного привода по третьему варианту выполнения.
Гидрофицированный привод глубинного скважинного штангового насоса по первому варианту выполнения содержит силовой гидронасос 1, соединенный с гидроцилиндром 2, шток 3 которого соединен с колонной штанг 4 глубинного насоса 5, блок наземной аппаратуры 6, соединенный с измерительным блоком 7, напорную арматуру, маслопроводы (на схемах не показаны). Блок наземной аппаратуры 6 содержит управляющее устройство 8, выход которого подключен к входу устройства 9 регулирования потока жидкости в штоковой полости 10 гидроцилиндра 2. Измерительный блок 7 содержит датчики 11 и 12 давления масла, давление на один из которых подается из штоковой полости 10 гидроцилиндра 2, а на другой - из поршневой полости 13 гидроцилиндра 2 и их выходы соединены с входами управляющего устройства 8.
Гидрофицированный привод глубинного скважинного штангового насоса по второму варианту выполнения содержит силовой гидронасос 1, соединенный с гидроцилиндром 2, шток 3 которого соединен с колонной штанг 4 глубинного насоса 5, блок наземной аппаратуры 6, соединенный с измерительным блоком 7, напорную арматуру, маслопроводы (на схемах не показаны). Блок наземной аппаратуры 6 содержит управляющее устройство 8, выход которого подключен к входу устройства 9 регулирования потока жидкости в штоковой полости 10 гидроцилиндра 2. Измерительный блок 7 содержит датчик 11 давления масла, давление на который поступает из штоковой полости 10 гидроцилиндра 2, и его выход соединен с входом управляющего устройства 8.
Гидрофицированный привод глубинного скважинного штангового насоса по третьему варианту выполнения содержит силовой гидронасос 1, соединенный с гидроцилиндром 2, шток 3 которого соединен с колонной штанг 4 глубинного насоса 5, блок наземной аппаратуры 6, соединенный с измерительным блоком 7, напорную арматуру, маслопроводы (на схемах не • показаны). Блок наземной аппаратуры 6 содержит управляющее устройство 8, выход которого подключен к входу устройства 9 регулирования потока жидкости в штоковой полости 10 гидроцилиндра 2. Измерительный блок 7 содержит дифференциальный датчик 11 давления масла, на один из входов которого поступает давление из штоковой полости 10 гидроцилиндра 2, а на другой - из поршневой полости 12, и его выход соединен с входом управляющего устройства 8.
Гидрофицированный привод глубинного скважинного штангового насоса работает следующим образом.
Управляющее устройство формирует закон движения полированного штока посредством выработки выходного управляющего воздействия U на устройство регулирования потока жидкости в штоковой полости. В штоковой и, возможно, поршневой полостях гидроцилиндра устанавливаются датчики давления. Сигналы с датчиков давления поступают на входы управляющего устройства.
Для получения динамограммы мы можем вычислить нагрузку на штоке в зависимости от варианта исполнения как
шт.
пор.
шт.
пор.
пор.
G=P·(S-S)-P·S,
шт.
пор.
шт.
или G=P·(S-S),
диф.
пор.
шт.
или G=P·(S-S),
шт.
пор.
диф.
где P, P, P - соответственно давление в штоковой и поршневой полостях гидроцилиндра или разность давлений между ними,
шт.
пор.
S и S - соответственно площади сечения полированного штока и поршня гидроцилиндра.
Перемещение полированного штока в момент времени t можно вычислить как , где  - производительность устройства регулирования потока жидкости в штоковой полости.
Для построения динамограммы определяют величину  в каждый момент времени. Величину производительности насоса в каждый момент времени можно оценить, зная управляющий сигнал U, выдаваемый на устройство регулирования потока жидкости в штоковой полости, и используя характеристики этого устройства.
По построенной динамограмме оценивают возможность отказов оборудования, предотвращая сбои в работе и обеспечивая надежность работы привода.