ЛИНЕЙНЫЙ ТЯГОВЫЙ ОРГАН СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1998 года по МПК F04B47/00 

Изобретение относится к области оборудования для добычи нефти, в частности к скважинным насосным установкам для подъема нефти плунжерным способом.

Известен гибкий тяговый орган в виде каната /1/, соединенный с колонной насосных штанг, связанный с плунжером скважинной насосной установки. Недостатком применения гибкого тягового органа в виде каната является невозможность его введения через сальниковое уплотнение в скважину, что приводит к необходимости присоединения к нему колонны штанг. Следствием этого является ограниченная глубина скважины, частые поломки штанг и оборудования, высокие эксплуатационные затраты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому линейному тяговому органу является пакет металлических лент, соединенный с плунжером и наматываемый на барабан наземного привода скважинной насосной установки /2/. Ленты пакета выполнены прямоугольными. Недостатком такого решения является низкая долговечность и усталостная прочность линейного тягового органа, который объясняется тем, что его обрывы происходят по кромкам в результате концентрации в них напряжений при имеющих место перекосах, серповидности ленты (отклонение от прямолинейности кромок) и других технологических причинах.

Решаемая изобретением задача - увеличение грузоподъемности, повышение долговечности и усталостной прочности линейного тягового органа скважинной насосной установки, выполненного, по меньшей мере, из одной ленты.

Поставленная задача достигается тем, что линейный тяговый орган, имеющий поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b, имеет двояковогнутое поперечное сечение. Его боковые кромки образованы дугами с радиусом r= 0,5h, сопрягаемым с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам , где коэффициент n=0,4-1.

Придание поперечному сечению линейного тягового органа указанной формы снизит напряжение и их концентрацию по кромкам, а также обеспечит преимущественное напряжение средней части ленты и, тем самым, повысит долговечность и усталостную прочность линейного тягового органа.

Выбор формы и соотношение размеров поперечного сечения линейного тягового органа поясняется следующими положениями.

В случае прямоугольного поперечного сечения ленты ее боковые кромки имеют острые грани, которые при наличии микродефектов поверхности или металла являются концентраторами напряжений, приводящими при циклических напряжениях к развитию макротрещин и разрушению линейного тягового органа. В связи с этим необходимо скруглить кромки радиуса r=0,5h.

Поскольку обрыв линейного тягового органа всегда начинается с кромки, необходимо кромки разгрузить, сосредоточив основную часть нагрузки по середине ленты. Это можно достигнуть, если поверхности ленты по ее ширине выполнить по радиусам R, сопрягающимся с дугами радиусом r, образующими кромки ленты.

Длина хорды образующего выемку по ширине тягового органа легмента с радиусом R и с высотой (стрелой) δh равна

Подкоренное выражение формулы (I) можно упростить, если принять во внимание, что в реальных условиях величина δh² является бесконечно малой по сравнению с 2R• δh
Тогда вместо (I) можем написать

Стрела сегмента δh может быть выражена как доля толщины ленты h:
δh = k•h, (3) ,
где K <1 (из практических соображений, не ослабляя сечения ленты, можно принять K = 0,05-0,125).

Отсюда получим
.

С другой стороны, значение хорды a можно определить следующим образом (фиг. 1):
a = b - 2r = b - h.

Приравняв равенства (4) и (5) и решив их относительно R, получим
,
или, приняв 8k = n,
,
где n = 0,4-1
На фиг. 1 показана форма поперечного сечения линейного тягового органа согласно изобретению, а на фиг. 2 и 3 приведены характер приложения распределенной продольной нагрузки q и растягивающих напряжений σ_p в сечении предлагаемого (фиг. 2) и существующего (фиг. 3) линейного тягового органа.

Линейный тяговый орган 1 имеет двояковогнутое поперечное сечение. Вогнутые поверхности по ширине выполнены радиусом
,
где n = 0,4-1,
b - ширина прямоугольника, в которую вписано сечение органа,
h - его высота, а длина хорды сегмента с радиусом R. Боковые кромки выполнены радиусом r = 0,5h. К приводу установки ленты прикреплены зажимами 2.

Линейный тяговый орган работает следующим образом.

Линейный тяговый орган 1 прикрепляется одним концом к плунжеру насосной установки, а другим - к приводу с помощью зажимов 2, например клиновых, повторяющих форму ее средней части по радиусу R на ширине a. Благодаря этому при натяжении линейного тягового органа усилием P погонная поперечная нагрузка прикладывается к нему на ширине, равной a. Эпюра растягивающих напряжений σ_p (фиг. 2) плавно снижается к кромкам ленты, вплоть до нуля. Такая схема напряженного состояния сечения позволяет разгрузить кромки ленты и обеспечить повышение долговечности линейного тягового органа и его усталостной прочности.

В отличие от этого при использовании ленты с прямоугольным поперечным сечением (фиг. 3) погонная нагрузка q прикладывается по всей ее ширине, а растягивающие напряжения σ_p на кромках имеют такие же значения, как и по ее середине. Такая схема напряженного состояния кромок неблагоприятна и приводит к снижению долговечности и усталостной прочности линейного тягового органа.

Пример. При b = 50 мм, h = 4 мм, n = 0,7 получим r = 2 мм; R = 755,7 мм; a = 46 мм.

Предлагаемый тяговый орган целесообразно использовать на любых нефтяных скважинах при добыче нефти плунжерными насосами. Преимущественное применение он может найти на скважинах со значительной глубиной.

Использование: добыча нефти, на любых нефтяных скважинах с плунжерными насосами, преимущественно со значительной глубиной. Сущность изобретения: линейный тяговый орган выполнен в виде металлической ленты, имеющей двояковогнутое поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b. Боковые кромки образованы дугами с радиусом r=0,5 h, сопрягаемыми с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам , где n= 0,4-1, 3 ил.

Линейный тяговый орган скважинной насосной установки в виде металлической ленты, имеющей поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b, отличающийся тем, что он имеет двояковогнутое поперечное сечение, причем его боковые кромки образованы дугами с радиусом r 0,5 h, сопрягаемыми с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам

где n 0,4 1.