Стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса Российский патент 2021 года по МПК F04B51/00 F04B47/02 

Изобретение относится к исследованиям в области добычи нефти, в частности к лабораторно-измерительной технике для моделирования процессов работы установок скважинных штанговых насосов, позволяющей фиксировать колебательные процессы в колонне штанг, оценить потребляемую мощность установки и, как следствие, себестоимость добываемой нефти.

Известен стенд для испытания скважинных штанговых и винтовых насосов, содержащий механизм возвратно-поступательного движения насоса, систему измерения и регистрации параметров насоса, коническую передачу для вращения ротора винтового насоса, цепной привод с шарнирным соединением, электродвигатель с коническим редуктором, насосы закреплены на раме с замковым фиксатором (Патент РФ №2159867 F04B 51/00, 2000 г.).

Недостатком данного изобретения является невозможность моделирования нагрузки на головку балансира станка-качалки в периоде одного цикла.

Известен стенд для исследования сил сопротивления движению колонны штанг в стволе скважины, содержащий имитатор скважины, расположенный в его полости имитатор колонны штанг, выполненный в виде гибкой пружинной подвески, соединенной с датчиками и механизмом возвратно-поступательного движения, с возможностью исследования колонны штанг, оборудованной штанговым насосом, она снабжена штифтом, установленным с возможностью горизонтального перемещения, и двумя грузами, один из которых связан штоком с нижней частью гибкой пружинной подвески, а другой груз связан со штифтом, причем свободный конец штифта взаимодействует со штоком первого груза (Патент СССР №SU 1209832 A F04B 47/02.).

Недостатком данного изобретения является повышенная металлоемкость в связи с необходимостью моделирования всей колонны штанг, малая амплитуда изменения нагрузок.

Задачей изобретения является повышение компактности устройства и расширение диапазона проводимых исследований.

Решаемая задача изобретения и ожидаемый технический результат заключаются в повышении компактности устройства и расширении диапазона проводимых исследований.

Поставленная задача достигается тем, что стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса, содержащий имитатор колонны штанг, груз, связанный со штоком, гибкую пружинную подвеску и самописец с датчиками, согласно предлагаемому техническому решению стенд включает в себя имитатор нагрузки, размещенный на раме станка-качалки, состоящий из зажимающего устройства и упора, самописец с датчиками представлены в виде тензодатчика, установленного на штоке станка-качалки и ваттметра, соединенных с персональным компьютером, а гибкая пружинная подвеска представляет собой пружину с грузом, моделирующую деформации штанговой колонны и установленную на штоке станка-качалки, при этом груз, связанный со штоком, погружен в емкость с вязкой жидкостью.

Кроме того, зажимающее устройство содержит вторую пружину, установленную в цилиндрическом корпусе, и создающую дополнительную нагрузку на шток, при этом силу прижатия, создаваемой второй пружиной, регулируют вращением винта, установленного в резьбовом кронштейне и передают ее через контакты пар трения шток-упор-контактная головка на установленные на них пластины «феродо» тарельчатой направляющей с упорами внутри упомянутого корпуса.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид стенда для моделирования работы установки скважинного штангового насоса, на фиг. 2 - зажимающее устройство, на фиг. 3 - кинематика основных процессов и действующих сил.

Стенд (фигура 1-3) включает в себя станок-качалку 1 и имитатор нагрузки А, для крепления которого предусмотрен кронштейн 2, на котором установлен упор 3 штока 4. Шток 4 подвешен к головке 5 балансира через пружину 6 моделирования деформации штанговой колонны на канатную подвеску 7 с тензодатчиком 8 и проходит через имитатор нагрузки, взаимодействуя с зажимающим устройством 9, через головку 10, образуя пары трения между штоком 4, головкой 10 зажимающего устройства 9 и упором 3. На головке 10 зажимающего устройства 9 и упоре 3 установлены пластины «феродо» 11 и 12 соответственно, имеющие повышенный коэффициент трения. В нижнем конце штока 4 подвешен груз 13, находящийся в емкости 14 с вязкой жидкостью 15.

Зажимающее устройство 9 (фигура 1-3) состоит из цилиндрического корпуса 16, крышек 17 и 18, второй пружины 19, контактной головки 10 с пластинами «феродо» 11, тарельчатой направляющей 20 с внешними упорами, винта 21, установленного в резьбовом кронштейне 22.

Для замера основных параметров станка-качалки 1, а именно нагрузки и потребляемой электродвигателем мощности, на стенде предусмотрены тензодатчик 8 и ваттметр 23. Информация с датчиков передается на ПК 24.

Стенд работает следующим образом.

Имитация веса жидкости на плунжере насоса обеспечивается зажимающим устройством 9, упором 3 и штоком 4. При ходе головки 5 балансира вверх на шток действует вес груза 13 и сила трения, возникающая из-за прижатия штока 4 к зажиму 9, головкой 10 к упору 3 с помощью пружины 19, т.е. эти силы при ходе вверх складываются.

где:

k - коэффициент трения между пластинами «феродо» 11 и 12 и штоком 4;

N - сила прижатия контактной головки 10 к штоку 4.

где:

μ - коэффициент жесткости пружины 19;

Δl - длина сжатия пружины 19.

При ходе головки 5 балансира вниз вес груза 13 способствует перемещению штока 4, а сила препятствует ему, поэтому она снижает усилие от веса груза 13.

где:

m - масса груза 12.

Исходя из формул (3) и (4) разница нагрузок на головку балансира при движении вверх и вниз равна двойной силе трения. Эта разница фиксируется тензодатчиком 8. Растяжение штанг имитируется пружиной 6 моделирования деформации штанговой колонны, которая растягивается/сжимается при движении головки 5 балансира вверх/вниз. Размещение груза 13 в емкости 14 с вязкой жидкостью 15 моделирует гидродинамическое трение колонны штанг.

Сжатие пружины, а соответственно и сила прижатия контактной головки 10 к штоку 4, согласно (2) и (3) регулируется вращением винта 21 и, соответственно, тарельчатой направляющей 20, внутри резьбового кронштейна 22.

Преимуществом стенда для моделирования работы установки скважинного штангового насоса является отсутствие необходимости использования рабочей жидкости с повышенным давлением, снижение металлоемкости, расширенные пределы создания нагрузок на головку балансира станка-качалки и подбора диаметра погружных насосов, возможности определения потребляемой мощности, а значит и оценки себестоимости добываемой нефти.

Изобретение относится к исследованиям в области добычи нефти, в частности к лабораторно-измерительной технике для моделирования процессов работы установок скважинных штанговых насосов, позволяющей фиксировать колебательные процессы в колонне штанг, оценить потребляемую мощность установки и, как следствие, себестоимость добываемой нефти. Стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса содержит имитатор колонны штанг, груз, связанный со штоком, гибкую пружинную подвеску и самописец с датчиками. Стенд включает имитатор нагрузки, размещенный на раме станка-качалки, состоящий из зажимающего устройства и упора. Самописец с датчиками представлены в виде тензодатчика, установленного на штоке станка-качалки, и ваттметра, соединенных с персональным компьютером. Гибкая пружинная подвеска представляет собой пружину с грузом, моделирующую деформации штанговой колонны и установленную на штоке станка-качалки, при этом груз, связанный со штоком, погружен в емкость с вязкой жидкостью. Позволяет оценить потребляемую мощность установки и, как следствие, себестоимость добываемой нефти. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса, содержащий имитатор колонны штанг, груз, связанный со штоком, гибкую пружинную подвеску и самописец с датчиками, отличающийся тем, что стенд включает в себя имитатор нагрузки, размещенный на раме станка-качалки, состоящий из зажимающего устройства и упора, самописец с датчиками представлены в виде тензодатчика, установленного на штоке станка-качалки, и ваттметра, соединенных с персональным компьютером, а гибкая пружинная подвеска представляет собой пружину с грузом, моделирующую деформации штанговой колонны и установленную на штоке станка-качалки, при этом груз, связанный со штоком, погружен в емкость с вязкой жидкостью.

2. Стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса по п. 1, отличающийся тем, что зажимающее устройство содержит вторую пружину, установленную в цилиндрическом корпусе и создающую дополнительную нагрузку на шток, при этом силу прижатия, создаваемую второй пружиной, регулируют вращением винта, установленного в резьбовом кронштейне, и передают ее через контакты пар трения шток-упор-контактная головка на установленные на них пластины «феродо» тарельчатой направляющей с упорами внутри упомянутого корпуса.