насосная установка

Формула изобретения

Насосная установка, содержащая 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, отличающаяся тем, что наполнитель выполнен твердотельным, верхний конец которого прикреплен к грузоподъемному устройству, а нижний конец прикреплен к нижнему концу штока, возвратно-поступательные движения которого осуществляются за счет подъема и опускания наполнителя.

Описание изобретения к патенту

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.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является насосная установка, известная по патенту на изобретение RU 2378534 С1, МПК⁷ 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 снижении напряженного состояния штока, 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 твердотельным, верхний конец которого прикреплен к грузоподъемному устройству, а нижний конец прикреплен к нижнему концу штока, возвратно-поступательные движения которого осуществляются за счет подъема и опускания наполнителя.

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 - компрессорную трубу (не показано). Верхний конец штока 4 плунжера 5 установлен на устье скважины 6. Шток 4, выполнен в виде набора труб с твердотельным наполнителем 7 внутри. С целью увеличения хода плунжера 5 шток 4 выполнен из материала с низким модулем упругости, например из сплава алюминия. Наполнитель 7 может быть выполнен, например, из набора металлических труб или стержней. Верхний конец наполнителя 7 прикреплен к грузоподъемному устройству 8, например, к штоку гидроцилиндра, а нижний конец наполнителя 7 прикреплен к плунжеру 5 или к нижнему концу штока 4. К нижнему концу штока 4 с помощью муфты 9, также крепится плунжер 5. Плунжер 5 выполнен полым. 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: верхний конец наполнителя 7 перемещается вверх грузоподъемным устройством 8, например, на величину 3 м. Так как нижний конец наполнителя 7 прикреплен к нижнему концу штока 4, шток 4 укорачивается и выдвигает плунжер 5 из цилиндра!, создавая разрежение в рабочей полости цилиндра 1. Впускной клапан 12 цилиндра 1 открывается и газожидкостная смесь (показана стрелками) заполняет рабочую полость цилиндра 1. Затем верхний конец наполнителя 7 задвигается грузоподъемным устройством в шток 4, например, на глубину 3 м. При этом шток 4 вытягивается и заглубляет плунжер 5 в цилиндр 1 до соприкосновения с впускным клапаном 12 (см. фиг.2) и вытесняет газожидкостную смесь (показана стрелками) из цилиндра 1 в скважину и через патрубки 13 на поверхность.

Так как нерабочий объем Б цилиндра 1 составляет менее 3% от полного объема цилиндра 1, 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 плунжера 5 и откачивания газожидкостной смеси.

После вытеснения газожидкостной смеси из цилиндра 1 в скважину грузоподъемное устройство 8 снова приподнимает верхний конец наполнителя 7 и цикл повторяется.

Чтобы обеспечить подачу жидкости 254 м³ /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 Е=72 ГПа;

- длина штока L=3000 мм;

- площадь плунжера 0,0044177 м²;

- ход плунжера L=4 м;

- подача жидкости за один цикл 0,01767 м³;

- число ходов в минуту 10.

При этом растягивающие напряжения в штоке при растяжении его на 4 м составляют:

т.е почти в 3 раз меньше предела текучести материала штока. Это обеспечивает надежную работу установки в течении длительного периода.

Таким образом, изобретение позволяет получить технический результат, выражающийся в снижении напряженного состояния штока, повышении напора и в обеспечении работоспособности насосной установки при значительном содержании газа в скважинной жидкости.