СКВАЖИННАЯ ШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано в скважинных штанговых насосных установках в горной, нефтяной и газовой промышленности для подъема жидкости из скважин с больших глубин.

Известны скважинные штанговые насосные установки, в которых штанговый насос связан с колонной полых штанг, представляющих собой цепь штанг, последовательно соединенных между собой съемными муфтами и размещенных в среде, заполненной жидкостью [1].

Штанги в известных штанговых колоннах изготавливают из стальных стержней, имеющих сплошное сечение. Такие штанги просты конструктивно, технологичны, имеют высокий предел прочности, высокий модуль упругости. Недостатком таких штанг является большой удельный вес. Известны также скважинные штанговые насосные установки, в которых штанги выполнены из материала с меньшим, чем у стали, удельным весом. Известна скважинная штанговая насосная установка, в которой штанги выполнены из материала с меньшим, чем у стали, удельным весом. Так, например, в ряде случаев используется стеклопластик [2].

Эти штанги имеют также высокую коррозионную стойкость. Для создания обычно резьбового соединения со съемными муфтами такие штанги снабжаются стальными наконечниками, приклеиваемыми к стержню штанги эпоксидными смолами, а для натягивания штанг, когда они плохо работают на сжатие, на конце штанговой колонны подвешивают стальные штанги-утяжелители (“тяжелый низ”).

Стальные детали в составе штанговой колонны существенно снижают эффект от применения облегченных материалов, в связи с чем реальное снижение веса всей стеклопластиковой колонны не превышает 50% по сравнению со стальной колонной.

Кроме того, при изготовлении таких штанг возникает ряд проблем, связанных, например, с изготовлением стержневой части, так и их клеевого соединения со стальными наконечниками, которое может оказаться недостаточно надежным, особенно в условиях массового производства, а также при эксплуатации возникает большая вытяжка под нагрузкой, трудность извлечения из скважины при обрыве и т.п. В ряде случаев, например для скважин большой глубины, такое снижение веса может оказаться недостаточным.

Известна скважинная штанговая насосная установка, содержащая установленный в колонне насосно-компрессорных труб штанговый насос, в цилиндре которого размещен плунжер, связанный с колонной полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными соединениями [3].

Известные штанговые установки содержат цепь полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными муфтами, размещенных в среде, заполненной жидкостью, и имеющих внутренние полости, изолированные от этой жидкости.

Внутренние полости полых штанг в известных штанговых насосных установках используют для подачи в скважину различных технологических жидкостей или для организации второго потока пластовой жидкости при отборе из двух пластов. В обоих случаях внутренние полости заполнены жидкостью, поэтому так же, как и в случае штанг со стержнями сплошного сечения, влияние выталкивающей силы будет незначительным.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является создание штанговой насосной установки, в которой штанговая колонна была облегченной, за счет увеличения действующей на нее выталкивающей силы.

Эта задача достигается тем, что в скважинной штанговой насосной установке, содержащей установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, в цилиндре которого размещен плунжер, связанный с колонной полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными соединениями, в каждой полой штанге колонны образованы изолированные друг от друга вакуумированные или заполненные газом полости, при этом штанги выполнены из металла с малым удельным весом, например из высокопрочных алюминиевых или титановых сплавов, с поверхностью, защищенной от коррозии. Внутренние полости полых штанг содержат герметичные пробки, жестко закрепленные на концах полых штанг, с образованием переходников, посредством которых полая штанга соединена со съемными соединениями. Полые штанги снабжены зарядными устройствами для заполнения внутренних полостей газом под давлением, при этом зарядное устройство размещено в нижней части полой штанги, а на входе в зарядное устройство установлена заглушка, с возможностью снятия на период заполнения внутренних полостей газом.

Выполнение скважинной насосной установки со штангами, имеющими малый удельный вес, за счет правильного подбора материала, позволяет изготавливать штанги с малым наружным диаметром.

Благодаря размещению внутри штанги полости наружный диаметр полой штанги увеличен по сравнению со штангой, имеющей сплошное сечение, т.е. увеличен объем вытесняемой штангой жидкости, а поскольку внутренняя полость штанги заполнена газом, имеющим ничтожный вес по сравнению с жидкостью, возрастает выталкивающая сила, действующая на штангу в сторону уменьшения ее веса. Оптимальным вариантом при этом является тот случай, когда площадь поперечного сечения полой штанги эквивалентна площади сечения сплошной штанги, равной несущей способности.

Для повышения надежности работы штанговой установки в случае нарушения герметичности в соединении полых штанг со съемными соединениями предпочтительно исполнение, когда внутренние полости каждой полой штанги изолированы друг от друга.

С целью упрощения сборки штанговой колонны на месте каждая полая штанга установки может выполняться в виде отдельного узла, для чего внутренние полости полых штанг изолированы герметичными пробками, жестко закрепленными, например сваркой, резьбой и т.п., на концах полых штанг с образованием переходников, посредством которых полая штанга соединена со съемными соединениями, например, муфтами.

В случае работы установки на большой глубине, где на стенки полых штанг действует высокое наружное давление, во избежание деформации стенок и нарушения их несущей способности, внутренние полости полых штанг могут быть заполнены газом под давлением, компенсирующим давление внешней среды.

Для заполнения внутренних полостей полых штанг газом под давлением полые штанги снабжаются зарядными устройствами, например обратными клапанами для газа.

Для повышения надежности работы полой штанги зарядное устройство предпочтительно размещать в нижней части полой штанги при ее установке в скважине, а на входе в зарядное устройство должна устанавливаться заглушка, снимаемая на период заполнения внутренних полостей газом.

При нижнем размещении зарядного устройства в случае его разгерметизации газ остается во внутренней полости и продолжает, по крайней мере, частично, выполнять свое назначение.

На фиг.1 представлен общий вид скважинной штанговой насосной установки.

На фиг.2 - соединение полых штанг со съемными соединениями с изоляцией внутренних полостей штанг друг от друга.

На фиг.3 - соединение полых штанг съемными соединениями через переходники, жестко закрепленные на концах штанг и герметизирующие их внутренние полости.

На фиг.4 - полая штанга установки, снабженная зарядным устройством для заполнения внутренней полости штанги газом под давлением и с заглушкой на входе в зарядное устройство.

Скважинная штанговая насосная установка содержит установленный в скважине в колонне насосно-компрессорных труб 1 штанговый насос 2, в цилиндре 3 которого размещен плунжер 4, связанный с колонной полых штанг 5, последовательно соединенных между собой съемными соединениями, выполненными, например, в виде муфт 6. Колонна полых штанг имеет верхнюю 7 и нижнюю 8 концевые штанги, связанные, соответственно, при помощи полированного штока 9 с приводом установки (на чертежах не показан) и с плунжером 4 насоса. Колонна насосно-компрессорных труб размещена внутри обсадной трубы 10, образующей стенки скважины, закреплена на выходе скважины и снабжена выходным патрубком 11 с вентилем 12. Полые штанги 5 имеют внутренние полости 13, которые могут быть заполнены газом, либо вакуумированы при помощи специального вакуумного насоса. Полированный шток 9 уплотнен при помощи уплотнения 14. Штанги 5 выполнены из металла с малым удельным весом, например из высокопрочных алюминиевых или титановых сплавов, с поверхностью, защищенной от коррозии.

Для изоляции внутренних полостей 13 каждой полой штанги друг от друга имеется глухая съемная муфта 15 (фиг.2).

С целью удобства монтажа полых штанг на месте эксплуатации их выполняют в виде отдельных узлов, для чего на концах полых штанг 5 жестко закрепляют переходники 16 (фиг.3), герметизирующие внутренние полости полых штанг и обеспечивающие связь полых штанг 5 со съемными муфтами 6.

Для зарядки внутренних полостей полых штанг 5 газом под давлением в нижней части (при установке в скважине) полой штанги помещается зарядное устройство 17 (фиг.4) в виде обратного клапана и заглушка 18 на входе в обратный клапан, съемная на период зарядки.

Предлагаемая скважинная штанговая насосная установка работает следующим образом.

Подъем штанговой колонны 5 под действием привода и последующее опускание ее под действием силы тяжести сообщает возвратно-поступательное движение связанному со штангой колонной 5 плунжеру 4 в цилиндре 3. В результате происходит всасывание пластовой жидкости из скважины и нагнетание ее в колонну насосно-компрессорных труб 1, по которой жидкость поднимается на поверхность и через патрубок 11 с вентилем 12 отводится к потребителю.

При подъеме штанговая колонна нагружается растягивающим осевым усилием от действия веса поднимаемого столба жидкости и веса самой колонны, а при опускании на штанговую колонну действует только вес колонны. Учитывая сопротивление перетекающей жидкости, трение в сопряженных парах и т.п., для гарантированного опускания штанговой колонны требуется некоторый фиксированный вес, который, как показывает практика, для плунжеров диаметром 70...120 мм составляет величину порядка 250...300 кг и обычно сосредотачивается вблизи плунжера (“тяжелый низ”).

Таким образом, максимальная осевая нагрузка на штанговую колонну определяется весом жидкости колонны и “тяжелого низа” с учетом динамического фактора.

Указанная нагрузка воспринимается стенками полых штанг и определяет (с учетом прочностных характеристик материала) их толщину, а следовательно, и вес штанг в воздухе. Наружный диаметр штанги определяется условием достаточности проходного сечения для жидкости, поднимаемой по насосно-компрессорным трубам (НКТ), и внутренним диаметром НКТ. С учетом расчетной при таком диаметре толщины стенки полой штанги может быть определен объем внутренней полости, заполняемой газом, и величина выталкивающей силы.

Учитывая, что диаметр скважин, как правило, ограничен в том числе и экономическими факторами, выталкивающая сила, которая зависит от объема внутренней полости в полых штангах, т.е., в конечном счете, от диаметра скважины, может оказаться недостаточной для уравновешивания штанговой колонны, изготовленной с использованием стальных полых штанг. Поэтому целесообразен переход на облегченные материалы полых штанг с использованием выталкивающей силы в качестве дополнительного фактора снижения веса штанговой колонны.

Использование настоящего изобретения позволит увеличить глубину откачки штанговой насосной установкой. В этом случае, во избежание разрушения полых штанг высоким внешним давлением, внутренние полости штанг заполняются газом под давлением, компенсирующим внешнюю нагрузку. Учитывая прочностные характеристики самой полой штанги как оболочки, а также то, что заполнение газом происходит на поверхности, где после заполнения стенки полых штанг нагружаются внутренним давлением, величина внутреннего давления подбирается так, чтобы, с одной стороны, в достаточной мере подкреплять стенки полой штанги при действии внешней нагрузки, а с другой стороны, не допускать их разрушения внутренним давлением.

В зависимости от глубины погружения сверх глубины, при котором полые штанги самостоятельно выдерживают внешнее давление, избыточное внутреннее давление в полых штангах может быть разным. Поэтому на указанных глубинах могут применяться только штанги с изолированными одна от другой внутренними полостями.

Использование настоящего изобретения позволит повысить глубину откачки скважинными штанговыми насосными установками, снизить вес штанговой колонны до нулевого (без учета “тяжелого низа”) с обеспечением равной и минимальной осевой нагрузки на все штанги независимо от их расположения по длине штанговой колонны, снизить нагрузку на приводной механизм, уменьшить его размеры, вес, упростить требование к уравновешивающему устройству или отказаться от него. Кроме того, изобретение позволит сохранить технологические и эксплутационные преимущества, которые обеспечивает использование в конструкции металлов, вместо искусственных и пластиковых материалов.

Источники информации

1. А.Г.Молчанов, В.Л.Чичеров. Нефтепромысловые машины и механизмы. М.: Недра, 1976, с. 36-40.

2. А.Г. Матвейчук. Опыт применения стеклопластиковых насосных штанг за рубежом, M., 1989.

3. А.Г.Молчанов, В.Л.Чичеров. Нефтепромысловые машины и механизмы. М.: Недра, 1976, рис. 1.18.

Установка предназначена для использования в области насосостроения, в горной, нефтяной и газовой промышленности при подъеме жидкости из скважин. В скважинной штанговой насосной установке, содержащей установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, в цилиндре которого размещен плунжер, связанный с колонной полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными соединениями, в каждой полой штанге колонны образованы изолированные друг от друга вакуумированные или заполненные газом полости. Штанги выполнены из металла с малым удельным весом, например из высокопрочных алюминиевых или титановых сплавов, с поверхностью, защищенной от коррозии. Внутренние полости полых штанг содержат герметичные пробки, жестко закрепленные на концах полых штанг с образованием переходников, посредством которых полая штанга соединена со съемными соединениями. Полые штанги снабжены зарядными устройствами для заполнения внутренних полостей газом под давлением, при этом зарядное устройство размещено в нижней части полой штанги, а на входе в зарядное устройство установлена заглушка, с возможностью снятия на период заполнения внутренних полостей газом. Выполнение скважинной насосной установки со штангами, имеющими малый удельный вес, за счет правильного подбора материала, позволяет изготавливать штанги с малым наружным диаметром, позволит повысить глубину откачки скважинными штанговыми насосными установками, снизить нагрузку на приводной механизм, уменьшить его размеры, вес, упростить требование к уравновешивающему устройству или отказаться от него. Это позволит сохранить технологические и эксплутационные преимущества, которые обеспечивает использование в конструкции металлов вместо искусственных и пластиковых материалов. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Скважинная штанговая насосная установка, содержащая установленный в колонне насосно-компрессорных труб скважинный насос, в цилиндре которого размещен плунжер, связанный с колонной полых штанг, последовательно соединенных между собой съемными соединениями, отличающаяся тем, что в каждой полой штанге колонны образованы изолированные друг от друга вакуумированные или заполненные газом полости, при этом штанги выполнены из металла с малым удельным весом, например из высокопрочных алюминиевых или титановых сплавов, с поверхностью, защищенной от коррозии.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренние полости полых штанг содержат герметичные пробки, жестко закрепленные на концах полых штанг, с образованием переходников, посредством которых полая штанга соединена со съемными соединениями.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что полые штанги снабжены зарядными устройствами для заполнения внутренних полостей газом под давлением, при этом зарядное устройство размещено в нижней части полой штанги, а на входе в зарядное устройство установлена заглушка, с возможностью ее снятия на период заполнения внутренних полостей газом.