Устройство соединения колонны штанг с наземным приводом Российский патент 2024 года по МПК E21B17/02 F04B47/02 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройству соединения колонны штанг погружного насоса с наземным приводом с контролем состояния насоса.

Известно устройство контроля работы глубинного штангового насоса (патент RU № 2236582, МПК F04B 47/00, E21B 47/00, опубл. 20.09.2004 Бюл. № 26), содержащее глубинный датчик перемещения плунжера насоса на основе магниточуствительных элементов, равномерно расположенных на немагнитной вставке в колонну насосно-компрессорных труб над плунжером глубинного насоса, кольцевой постоянный магнит, закрепленный на штанге в районе немагнитной вставки и формирователь импульсов, связанный с глубинным датчиком перемещения, причем в него дополнительно введены датчик верхней мертвой точки станка качалки, первый и второй контроллеры и устройство автономного питания, причем первый контроллер установлен в районе устья скважины и его вход соединен с выходом датчика верхней мертвой точки, второй контроллер установлен рядом с глубинным датчиком перемещения и его первый и второй входы связаны соответственно с первым и вторым выходами глубинного датчика перемещения через формирователь импульсов, а устройство автономного питания установлено рядом с глубинным датчиком перемещения и осуществляет электропитание глубинного датчика перемещения, второго контроллера и формирователя импульсов, при этом в процессе установки устройства контроля глубинного штангового насоса перед началом спуска глубинного датчика перемещения проводят синхронизацию работы первого и второго контроллеров путем подачи сигнала сброс на входы сброса контроллеров.

Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, настройки и обслуживания из-за наличия большого количества датчиков и контроллеров, расположенных как на поверхности, так и самой скважине, отсутствие защиты от переходных и ударных процессов в верхней мертвой точке (ВМТ) и нижней мертвой точке (НМТ) из-за отсутствия демпфирующих устройств, что приводит к сокращению межремонтного периода (на практике использования штанг без демпфирования на месторождениях Республики Татарстан (РТ) на 15- 30% - чем глубже расположен насос, тем больше сокращается межремонтный период) и, как следствие, увеличению времени обслуживания и непродуктивного простоя штангового насоса.

Наиболее близким по технической сущности является устройство соединения колонны штанг с наземным приводом (патент RU № 2766128, МПК F04B 47/02, опубл. 08.02.2022 Бюл. № 4), включающее нижнюю траверсу, соединенную соосно с верхом полированного штока колонны штанг с возможностью продольного перемещения вверх, верхнюю траверсу, соединенную соосно с тягой привода с возможностью продольного перемещения вниз, и боковыми продольными штоками, соединенными соответствующими концами с верхней и нижней траверсами, причем полированный шток соединен с нижней траверсой при помощи полой втулки с внутренней конусной поверхностью, сужающейся сверху-вниз, под клинья, фиксирующие верх полированного штока, и внутренней резьбой сверху под установочную гайку, опирающуюся сверху на торец полированного штока, между полой втулкой и нижней траверсой установлен упругий демпфер с датчиком нагрузки, который функционально связан с блоком управления привода, а конец каждого штока оснащен соответственно верхним и нижним упорами, расположенными соответственно сверху верхней и снизу нижней траверс, в которые штоки вставлены с возможностью ограниченного упорами продольного перемещения, при этом между верхним упором каждого штока и верхней траверсой установлен упругий демпфер.

Недостатками данного устройства являются низкая надежность и малая информативность, связанные с наличием трех нерегулируемых упругих демпферов, склонных к неравномерной деструкции со временем, а выход из строя одного их демпферов приводит к перекосу траверсы и/или неправильной работе датчика нагрузки, информирующего только о выходе из строя штангового насоса.

Техническим результатом является создание устройства соединения колонны штанг с наземным приводом, позволяющего повысить надежность за счет использования одного демпфера в виде пневмоцилиндра с поршнем, изготовленным с возможностью регулировки жесткости отдачи за счет нагнетания внутрь газа, и контролировать работоспособность демпфера и штангового насоса за счет контроля величины хода поршня внутри цилиндра.

Техническое решение осуществляет устройство соединения колонны штанг с наземным приводом, включающее соединение полированного штока с траверсой через демпфер, оснащенный информационными датчиками, которые функционально связаны с блоком управления привода.

Новым является то, что демпфер изготовлен в виде пневмоцилиндра, соединенного с траверсой или с полированным штоком, с поршнем, шток которого соединен с полированным штоком или траверсой соответственно, а информационные датчики установлены на верхний и нижний внутренний торец пневмоцилиндра для срабатывания при взаимодействии с поршнем, выше и ниже которого пневмоцилиндр оснащен ниппелями с клапанами для нагнетания газа и удержания соответствующего давления внутри, обеспечивающего регулировку упругости демпфера и перемещение поршня при работе привода без взаимодействия с торцами пневмоцилиндра, который также оборудован сверху и снизу разрушаемыми при превышении допустимого давления шайбами для сброса давления внутри пневмоцилиндра, при этом шток снаружи и внутри пневмоцилиндра снабжен двумя соответствующими метками для определения длины рабочего хода поршня во время работы наземного привода.

На фиг. 1 изображен общей вид демпфера устройства в изометрии.

На фиг. 2 изображен вид сверху демпфера.

На фиг. 3 изображен разрез А-А фиг. 2.

На фиг. 4 изображена увеличенная верхняя часть демпфера в разрезе Б-Б фиг. 2.

Устройство соединения колонны штанг (не показаны) с наземным приводом (не показан) включает соединение полированного штока 1 (фиг. 1) колонны штанг (не показана) с траверсой (не показана) через демпфер, оснащенный информационным датчиками 2 (фиг. 3) (показаны условно), которые функционально связаны с блоком управления (БУ - не показан) наземного привода. Демпфер изготовлен в виде пневмоцилиндра 3 (фиг. 1-4), соединенного с траверсой (резьбой, клиновым соединением, контргайкой и/или т.п. -не показано) или с полированным штоком 1 (сваркой, муфтой, резьбой или т.п. - фиг. 1 и 3), с поршнем 4, шток 5 которого соединен (резьбой, муфтами, фланцами и/или т.п. - не показано) с полированным штоком 1 (не показано) или траверсой соответственно. Датчики 2 (фиг. 3), соединенные с БУ кабелем или беспроводной связью (не показано), установлены на верхний и нижний внутренние торцы пневмоцилиндра 3 для сработки при взаимодействии с поршнем 4, выше и ниже которого пневмоцилиндр 3 оснащен ниппелями 6 и 7 соответственно с клапанами 8 для нагнетания газа и удержания соответствующего внутри пневмоцилиндра 3 давления, обеспечивающего регулировку упругости демпфера и перемещение поршня 4 при работе привода без взаимодействия с торцами пневмоцилиндра 4. Датчики 2 могут изготавливаются из пьезоэлектрического материала, токопроводящего материала, замыкающихся контактом или т.п. - автор на это не претендует. Клапаны 8 могут изготавливаться в виде поджатых (пружиной сжатия, растяжения, упругой пластиной или т.п.) к седлу запорных элементов (шара, конуса, диска или т.п.) любой известной конструкции - автор на это не претендует. Пневмоцелиндр 3 (фиг. 4) также оборудован сверху и снизу разрушаемыми при превышении допустимого давления шайбами 9 для сброса давления внутри. Шайбы 9 могут изготавливаться в виде мембраны тарированной толщиной запрессованной, вклеенной, зафиксированной полой резьбовой втулкой или т.п. (показано условно) в пневмоцилиндре 3. Толщину мембраны шайбы 9 и допустимое давление определяют для каждого наземного привода и штангового насоса эмпирическим путем в ходе испытаний (замеряя нагрузки на траверсе и штангах динамометром (не показан), исходя из прочностных характеристик колонны штанг (из паспорта изделия).

Для удобства контроля за перемещением шток 5 (фиг. 4) снаружи и внутри (не показано) пневмоцилиндра 3 снабжен двумя соответствующими метками 10 (нанесенными на поверхность штока 5 кольцевыми выборками, цветовыми точками, штрихами или кольцами, цветными или магнитными метками или т.п. - автор на это не претендует) для определения длины рабочего хода поршня 4 (фиг. 3) во время работы наземного привода без взаимодействия с датчиками 2.

Конструктивные элементы, технологические соединения и уплотнения, не влияющие на работоспособность устройства, на чертежах (фиг. 1 - 4) не показаны или показаны условно.

Устройство соединения колонны штанг с наземным приводом работает следующим образом.

Пневмоцилиндр 3 (фиг. 1) демпфера в сборе доставляется на скважину для соединения устьевого полированного штока 1 колонны штанг с траверсой наземного привода. Пневмоцилиндр 3 соединяют с траверсой или с полированным штоком 1, а шток 5 - с полированным штоком 1 или траверсой соответственно.

Затем при помощи наземного привода траверсу тянут вверх до движения полированного штока 1 и взаимодействия поршня 4 с датчиком 2 (отмечается сработкой на БУ) со стороны выдвинутого на максимум штока 2, внутренняя метка 10 (фиг. 4) которого также оказывается снаружи пневмоцилиндра 3. Наземный привод останавливают и фиксируют стопором (не показан), а через ниппель 6 с клапаном 8 (фиг. 3) со стороны штока 5 нагнетают воздушным компрессором (не показан) газ с контролем давления до смещения поршня 4 со штоком 5, а внутренней метки 10 (фиг. 4) - внутрь пневмоцилиндра 1. При этом уравновешивается давлением газа масса колонны штанг, плунжера штангового насоса и столба жидкости выше этого плунжера.

Далее при помощи наземного привода траверсу опускают вниз до движения полированного штока 1 и взаимодействия поршня 4 с датчиком 2 (отмечается сработкой на БУ) с обратной стороны вошедшего внутрь пневмоцилиндра 3 на максимум штока 2, наружная метка 10 (фиг. 4) которого оказывается внутри пневмоцилиндра 3. Наземный привод останавливают и фиксируют стопором (не показан), а через ниппель 7 (фиг. 3) с клапаном 8 с обратной стороны от штока 5 нагнетают воздушным компрессором (не показан) газ с контролем давления до смещения поршня 4 со штоком 5, а наружной метки 10 (фиг. 4) - из пневмоцилиндра 1. При этом уравновешивается давлением газа исключается взаимодействие поршня 4 с торцем и датчиком 2 пневмоцилиндра 3 при работе наземного привода.

После чего производят пробный пуск наземного привода с погружным насосом. Добиваются устойчивого притока продукции пласта из скважины (не показаны) и останавливают его работу. Описанным выше способом нагнетанием и стравливанием газа через клапаны 8 (фиг. 3) ниппелей 6 и 7 сверху и снизу поршня 4 соответственно добиваются, чтобы внутренняя и внешняя метки 10 при работе наземного привода находились соответственно внутри и снаружи пневмоцилиндра 3, а поршень 4 не взаимодействовал с датчиками 2 на его внутренних торцах. Окончательное давление в пневмоцилиндре 3 сверху и снизу поршня 4 фиксируют в дежурном журнале и базе данных (БД) данной скважины.

После чего наземный привод со штанговым насосом запускают в работу, а демпфер смягчает переходные процессы особенно в ВМТ и НМТ наземного привода за счет сжимаемости газа, находящегося под давлением внутри пневмоцилиндра 3.

Обслуживающая бригада периодически, делая обход, контролирует за положением меток 10 (фиг. 4) на штоке 5.

Если внутренняя метка 10 выходит за пределы пневмоцилиндра 3 без взаимодействия поршня 4 (фиг. 3) с меткой 2, то проверяют давление через ниппель 6 в пневмоцилиндре 3 со стороны штока 5. При давлении ниже зафиксированного в журнале или БД компрессором нагнетают до этого давления и наблюдают за поведением демпфера. При повторном снижении давления, то демпфер заменяют на новый или отремонтированный с настройкой давления внутри пневмоцилиндра 3 через ниппели 6 и 7. При выходе внутренней метки 10 (фиг. 4) за пределы пневмоцилиндра 3 после установки необходимого давления, то это свидетельствует о повышенном сопротивлении плунжера в штанговом насосе при ходе вверх.

Если наружная метка 10 входит в пневмоцилиндр 3 без взаимодействия поршня 4 (фиг. 3) с меткой 2, то проверяют давление через ниппель 7 в пневмоцилиндре 3 со обратной стороны штока 5. При давлении ниже зафиксированного в журнале или БД компрессором нагнетают до зафиксированного при установке давления и наблюдают за поведением демпфера. При повторном снижении давления, то демпфер заменяют на новый или отремонтированный с настройкой давления внутри пневмоцилиндра 3 через ниппели 6 и 7. При входе внутренней метки 10 (фиг. 4) внутрь пневмоцилиндра 3 после установки необходимого давления, то это свидетельствует о повышенном сопротивлении плунжера в штанговом насосе при ходе вниз.

В одном или в обоих описанных выше случаях проводят технологические работы по снижению сопротивления движению плунжера в штанговом насосе: закачку реагентов для растворения асфальтосмолистопарафиновых отложений (АСПО), нагрева продукции на входе штангового насоса, промывку ПАВ и/или т.п.

В случае увеличения сопротивления перемещению плунжера в штанговом насосе (наружная я и/или внутренняя метки 10 все на большее расстояние входит внутрь и/или выходит из пневмоцилиндра 3 соответственно) принимают решение об внеплановом извлечении из скважины технологическом обслуживании плунжерного насоса.

В случае заклинивания плунжера внутри штангового насоса при ходе вверх давление резко возрастает в пневмоцилиндре 3 со стороны штока 5 и превышает допустимое. В результате мембрана шайбы 9 (фиг. 4) рвется, медленно стравливая давление из пневмоцилиндра 3 (для поддержания скорости поршня 4 не выше 0,5 м/с) с этой стороны до взаимодействия поршня 4 (фиг. 3) с соответствующим датчиком 2. Который передает сигнал в БУ для отключения наземного привода. При этом исключаются аварийные ситуации, связанные с обрывом полированного штока или штанг.

В случае заклинивания плунжера внутри штангового насоса при ходе вниз давление резко возрастает в пневмоцилиндре 3 с обратной стороны штока 5 и превышает допустимое. В результате мембрана шайбы 9 (фиг. 4) рвется, медленно стравливая давление из пневмоцилиндра 3 с этой стороны до взаимодействия поршня 4 (фиг. 3) с соответствующим датчиком 2. Который также передает сигнал в БУ для отключения наземного привода.

При этом исключаются аварийные ситуации, связанные с загибом (искривлением) полированного штока 1 или штанг.

Так как устройство имеет возможность регулировки жесткости за счет регулирования давления, нагнетаемого внутрь пневмоцилиндра 3 соответственно выше и ниже поршня 4, и установки шайбы 9 (фиг. 4), срабатывающей на любое допустимое давление, то данный демпфер может использоваться для соединения любого наземного привода (станка-качалки, гидравлического привода, цепного привода или т.п.) с колонной штанг из любого материала (сталь, легированная сталь, стеклопластик и/или т.п). А наличие меток 10 на штоке 5 позволяет контролировать изменения усилие перемещения плунжера в штанговом насосе и проводить технологические операции, увеличивающие срок службы штангового насоса до заклинивания в нем плунжера, или же извлечь штанговый насос до выхода его из строя. Контроль (давления и перемещения меток 10) только за работой одного конструктивно простого демпфера позволяет просто и вовремя заменить вышедший из строя пневмоцилиндр 3 с поршнем 4. Все это в совокупности повышает надежность устройства соединения колонны штанг с наземным приводом.

Предлагаемое устройство соединения колонны штанг с наземным приводом позволяет повысить надежность за счет использования одного демпфера в виде пневмоцилиндра с поршнем, изготовленным с возможностью регулировки жесткости отдачи за счет нагнетания внутрь газа, и контролировать работоспособность демпфера и штангового насоса за счет контроля величины хода поршня внутри цилиндра.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройству соединения колонны штанг погружного насоса с наземным приводом с контролем состояния насоса. Устройство соединения колонны штанг с наземным приводом включает соединение полированного штока с траверсой через демпфер, оснащенный информационными датчиками, функционально связанными с блоком управления привода. Демпфер изготовлен в виде пневмоцилиндра, соединенного с траверсой или с полированным штоком, с поршнем, шток которого соединен с полированным штоком или траверсой соответственно. Информационные датчики установлены на верхний и нижний внутренний торец пневмоцилиндра. Выше и ниже поршня пневмоцилиндр оснащен ниппелями с клапанами для нагнетания газа и удержания соответствующего давления внутри, обеспечивающего регулировку упругости демпфера и перемещение поршня при работе привода без взаимодействия с торцами пневмоцилиндра. Пневмоцилиндр оборудован сверху и снизу разрушаемыми при превышении допустимого давления шайбами для сброса давления внутри пневмоцилиндра. Шток снаружи и внутри пневмоцилиндра снабжен двумя соответствующими метками для определения длины рабочего хода поршня во время работы наземного привода. Обеспечивается повышение надежности устройства соединения колонны штанг с наземным приводом и контроль работоспособности демпфера и штангового насоса. 4 ил.

Устройство соединения колонны штанг с наземным приводом, включающее соединение полированного штока с траверсой через демпфер, оснащенный информационными датчиками, которые функционально связаны с блоком управления привода, отличающееся тем, что демпфер изготовлен в виде пневмоцилиндра, соединенного с траверсой или с полированным штоком, с поршнем, шток которого соединен с полированным штоком или траверсой соответственно, а информационные датчики установлены на верхний и нижний внутренний торец пневмоцилиндра для срабатывания при взаимодействии с поршнем, выше и ниже которого пневмоцилиндр оснащен ниппелями с клапанами для нагнетания газа и удержания соответствующего давления внутри, обеспечивающего регулировку упругости демпфера и перемещение поршня при работе привода без взаимодействия с торцами пневмоцилиндра, который также оборудован сверху и снизу разрушаемыми при превышении допустимого давления шайбами для сброса давления внутри пневмоцилиндра, при этом шток снаружи и внутри пневмоцилиндра снабжен двумя соответствующими метками для определения длины рабочего хода поршня во время работы наземного привода.