ГИБКИЙ ТЯГОВЫЙ ОРГАН СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1998 года по МПК E21B43/00 F04B47/02 

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

Известен гибкий тяговый орган в виде каната, соединенного с колонной насосных штанг, связанных с плунжером скважинной насосной установки [1].

Недостатком применения гибкого тягового органа в виде каната является невозможность его введения в скважину, что приводит к необходимости присоединения к нему колонны штанг. Следствием этого являются органическая глубина скважины, частые поломки штанг и оборудования, высокие эксплуатационные затраты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому гибкому тяговому органу является пакет металлических лент, соединенный с плунжером и наматываемый на барабан наземного привода скважинной насосной установки [2]. Ленты пакета выполнены прямоугольными.

Недостатками такого решения является низкая долговечность и усталостная прочность лент гибкого тягового органа, что объясняется большими дополнительными напряжениями, возникающими при изгибе лент на барабане со знакопеременным циклом.

Задача изобретения - увеличение грузоподъемности, повышение долговечности и усталостной прочности гибкого тягового органа скважинной насосной установки, выполненного по меньшей мере из одной ленты.

Поставленная задача достигается тем, что в гибком тяговом органе, выполненном по меньшей мере в виде одной металлической ленты, согласно изобретению лента выполнена с продольной постоянной кривизной радиусом R_к, лежащим в пределах

где
h - толщина ленты, мм;
E - модуль нормальной упругости материала ленты, кг/мм³;
σ_0,2 - предел текучести материала ленты, кгс/мм³;
l - полная длина гибкого тягового органа, мм.

При этом оптимальный радиус продольной кривизны ленты равен

Придание указанной формы металлической ленте снизит напряжение изгиба ленты на барабане, обеспечит равномерное нагружение ее как на барабане, так и после схода ленты с него, и тем самым увеличит грузоподъемность, повысит долговечность и усталостную прочность гибкого тягового органа установки.

Тяговый орган может состоять из одной ленты или пакета лент.

Заданную продольную кривизну ленты можно получить путем асимметричной прокатки, например, в валках неравного диаметра (3).

Выбор пределов и оптимальной величины радиуса продольной кривизны ленты R_к поясняется следующими положениями.

При намотке на барабан скважинной насосной установки прямолинейной ленты в ней возникают напряжения от ее изгиба, величина которых на ее поверхности равна:

где
R_i - текущий радиус наматываемого витка ленты.

Знак плюс относится к наружной поверхности (растягивающее напряжение), а знак минус - к внутренней поверхности (снижающее напряжение).

Минимальный радиус витка ленты равен радиусу барабана, который может быть определен по формуле:

Максимальный радиус наружного витка ленты R_н будет соответствовать намотке всего гибкого тягового органа на барабан и может быть определен следующим образом.

Вес гибкого тягового органа можно определить двумя способами:
,
где
b - ширина ленты;
γ - объемный вес материала ленты;
l - длина всего гибкого тягового органа.

Приравнивая правые части формул (3) и (4), получим

Расчеты показывают, что второе слагаемое подкоренного выражения в формуле (5) для скважинных насосных установок не превышает 10% от первого слагаемого. Если им пренебречь, то ошибка при определении радиуса R_н не превышает 3%. С учетом этого можно записать:

Толщина намотки всего тягового органа на барабан равна:

Таким образом, радиусы витков ленты на барабане лежат в пределах:

Для снижения напряжений изгиба по сравнению с прямолинейной лентой в два раза (как на барабане, так и после схода с него) целесообразно использовать условие:
R_к = 2R_i (9),
т.е.

Поскольку радиус намотки R_i изменяется от R_б до R_н, примем:

т.е.

Тогда оптимальный радиус кривизны ленты R_к будет равен:

При использовании условия (14) будем иметь следующий характер напряжений изгиба в поверхности ленты (фиг. 1).

На барабане:
наружная поверхность ;
внутренняя поверхность
На прямолинейном участке (после схода с барабана):
наружная поверхность ;
внутренняя поверхность
Здесь σ_и определяется по формуле (1) для изгиба прямолинейной ленты.

Таким образом, использование условия (14) позволяет снизить напряжение изгиба в 2 раза и обеспечить равномерное нагружение ленты как на барабане, так и на прямолинейном участке после ее схода с барабана.

Из сказанного выше следует, что увеличение радиуса кривизны более и его уменьшение менее не позволит существенно снизить напряжение изгиба в ленте, что не дает возможности решить поставленную задачу.

На фиг. 1 показано изменение напряжений изгиба в ленте на барабане и на прямолинейном участке; на фиг. 2 - гибкий тяговый орган в составе скважинной насосной установки; на фиг. 3 - участок гибкого тягового органа в виде ленты с кривизной 1/R_к.

Гибкий тяговый орган состоит по меньшей мере из одной ленты 1, закрепленной на барабане 2, другой конец которой соединен с плунжером 3 насоса, установленным в скважине 4. Гибкий тяговый орган имеет криволинейную форму с продольной постоянной кривизной радиусом R_к, лежащим в пределах:

Гибкий тяговый орган работает следующим образом.

При ходе плунжера 2 насоса вверх любой участок гибкого тягового органа 1 на прямолинейном участке между плунжером 3 и барабаном 2 нагружен растягивающими напряжениями σ_p, возникающими за счет веса столба нефти, собственного веса гибкого тягового органа и трения плунжера в скважине. Кроме того, в нем за счет выпрямления возникают напряжения изгиба согласно условиям (17) и (18), равные . Когда этот участок гибкого тягового органа начинает наматываться на барабан, радиус витка будет меньше, чем радиус кривизны гибкого тягового органа в свободном состоянии. В результате этого за счет намотки в нем будут возникать напряжения изгиба противоположного знака по сравнению с прямолинейным участком, но равные по величине , т.е. будут соблюдаться условия (15) и (16).

При ходе плунжера 3 насоса вниз напряжения изгиба в гибком тяговом органе будут изменяться в обратном порядке.

Пример выполнения гибкого тягового органа:
длина гибкого тягового органа l = 1500 м;
толщина гибкого тягового органа h = 3 мм;
предел текучести материала σ_0,2 = 100 кгс/мм².

Предлагаемый гибкий тяговый орган целесообразно применять на любых нефтяных скважинах при добыче нефти плунжерными насосами с наземным барабанным приводом. Преимущественное применение он может найти на скважинах со значительной глубиной.

Использование: в добыче нефти плунжерным способами, преимущественно на глубоких скважинах. Обеспечивает увеличение грузоподъемности, повышение долговечности и усталостной прочности гибкого тягового органа скважинной установки. Сущность изобретения: устройство состоит по меньшей мере из одной металлической ленты. Лента выполнена с продольной постоянной кривизной радиусом R_к, лежащим в пределах где h - толщина ленты, мм; Е - модуль нормальной упругости ленты; кгс/мм²; σ_0,2 - предел текучести материала ленты, кгс/мм²; l - полная длина гибкого тягового органа, мм. 1 з. п. ф-лы. 3 ил. .

1. Гибкий тяговый орган скважинной насосной установки, выполненный в виде по меньшей мере одной металлической ленты, отличающийся тем, что лента выполнена с продольной постоянной кривизной радиусом R_к, лежащим в пределах

где h - толщина ленты, мм;
E - модуль нормальной упругости материала ленты, кгс/мм²;
σ_0,2 - предел текучести материала ленты, кгс/мм²;
l - полная длина гибкого тягового органа, мм. 2. Гибкий тяговый орган по п.1, отличающийся тем, что радиус продольной кривизны ленты равен
а