способ применения глубинного штангового насоса

Формула изобретения

Способ применения глубинного штангового насоса, при котором определяют плотность и динамическую вязкость перекачиваемой жидкости, диаметр плунжера, выбирают запорные элементы и устанавливают их во всасывающем и нагнетательном клапанах глубинного штангового насоса, отличающийся тем, что массу запорных элементов выбирают в зависимости от динамической вязкости и плотности жидкости, плотности материала запорного элемента всасывающего и нагнетательного клапанов, диаметра плунжера и плотности материала запорных элементов по формуле

для всасывающего клапана

для нагнетательного клапана

где М_всас - масса запорного элемента всасывающего клапана, кг;

М_нагнет - масса запорного элемента нагнетательного клапана, кг;

d_пл - диаметр плунжера насоса, м;

₁ - определенная величина вязкости откачиваемой жидкости, для которой выбирают насос, мПас;

₂ - верхний предел паспортного значения динамической вязкости жидкости, мПас;

_ж - плотность откачиваемой жидкости, кг/м³;

_з,э - плотность материала запорного элемента, кг/м³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, в частности к добыче нефти из скважины глубинными штанговыми насосами.

Известен способ применения штанговых насосов невставного типа НГН2 и вставного типа НГВ1 (Грайфер В.И., Ишемгужин С.Б., Яковенко Г.А. Оптимизация добычи нефти глубинными насосами., Казань, Татарское книжное издательство, 1973, 216, ил., см. стр. 58, 65), в котором используются всасывающие и нагнетательные клапаны с двумя шариками, предназначенные для режимов работы насосов со скоростью откачки менее 34 м/мин в скважинах с высоким динамическим уровнем.

Недостатком указанного способа является невозможность эксплуатации данных насосов на высоковязких скважинных жидкостях, в частности, из-за недостаточности веса запорных элементов для своевременной посадки их на седло обратного клапана, вследствие чего увеличиваются утечки жидкости через обратные клапаны.

Наиболее близким по техническому решению и назначению является способ применения глубинного штангового насоса (А.М. Пирвердян. Гидромеханика глубиннона-сосной эксплуатации, М.: Недра, 1965, 192 с.: ил., с. 101), устанавливающий зависимость посадочной скорости запорного элемента клапана на седло:

- прямо пропорционально коэффициенту пропорциональности (зависящему от размеров клапана, его конструкции и т.д.), измеренной площади плунжера штангового насоса, измеренному числу качаний, измеренной длины хода, удельному весу жидкости;

- обратно пропорционально измеренному весу запорного элемента.

Недостатком указанного способа является невозможность его применения в процессе подбора глубинного штангового насоса для откачки высоковязких скважинных сред, так как:

- не учтено влияние вязкости откачиваемой жидкости;

- отсутствует однозначно определяемое значение коэффициента пропорциональсти.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа применения глубинного штангового насоса для перекачивания скважинной жидкости с вязкостью, превышающей паспортную величину для данного насоса, за счет выбора массы запорных элементов всасывающего и нагнетательного клапанов в зависимости от динамической вязкости и плотности жидкости, диаметра плунжера и плотности материала запорных элементов.

Техническая задача решается использованием способа применения глубинного штангового насоса, при котором определяют плотность и динамическую вязкость перекачиваемой жидкости, диаметр плунжера, выбирают запорные элементы и устанавливают их в обратном всасывающем и нагнетательном клапанах глубинного штангового насоса.

Новым является то, что массу запорных элементов выбирают в зависимости от динамической вязкости и плотности жидкости, плотности материала запорного элемента всасывающего и нагнетательного клапанов, диаметра плунжера и плотности материала запорных элементов по формуле

для всасывающего клапана

для нагнетательного клапана

где М_всас - масса запорного элемента всасывающего клапана, кг;

М_нагнет - масса запорного элемента нагнетательного клапана, кг;

d_пл - диаметр плунжера насоса, м;

₁ - определенная величина вязкости откачиваемой жидкости, для которой выбирают насос, мПас;

₂ - верхний предел паспортного значения динамической вязкости жидкости, мПас;

_ж - плотность откачиваемой жидкости, кг/м³;

_з.э. - плотность материала запорного элемента, кг/м³.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом способе, т.е. о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

В процессе проведения экспериментов бьща установлена следующая зависимость скорости посадки запорного элемента на седло клапана:

где - - скорость посадки запорного элемента на седло клапана, м/с;

V_з.э. - объем запорного элемента, м³;

_з.э. - плотность материала запорного элемента, кг/м³;

_ж - плотность откачиваемой жидкости, кг/м³;

r - радиус запорного элемента, м;

- динамическая вязкость жидкости, мПас.

Плотность запорного элемента определяется выражением

где m_з.э.с. - масса стандартного запорного элемента, кг;

V_з.э.с. - объем стандартного запорного элемента, м³.

Из формулы (3) следует, что для сохранения работоспособности клапана скорость посадки запорного элемента должна оставаться постоянной независимо от свойств перекачиваемой жидкости, для этого необходимо либо увеличить объем запорного элемента, либо его плотность, что в конечном счете приводит к увеличению массы запорного элемента. Подставляя формулу (4) в формулу (3), принимая, что масса запорного элемента увеличилась до М при перекачке более вязкой жидкости, производя все необходимые преобразования и подставляя в левую часть параметры при перекачке более высоковязкой жидкости, а в правую параметры стандартного насоса, получим

откуда следует

Как известно, объем шара определяется выражением

Принимая, что радиус стандартного шарика равен:

- для всасывающего клапана

- для нагнетательного клапана

где 0,75 и 0,62 - коэффициенты отношения диаметров плунжера и шарика (см. каталог “Ижнефтемаш” - Глубинные штанговые насосы, ред. 2-2001,131 л, стр. 58-59, 109).

Перепишем формулу (7), выделив в явном виде диаметр плунжера и вязкость отдельно для всасывающего и нагнетательного клапанов:

- для всасывающего клапана

- для нагнетательного клапана

Допускается отклонение массы запорных элементов всасывающего и нагнетательного клапанов в пределах 10% от значения, полученного по формулам (1) и (2), то есть в пределах точности изготовления этих элементов, без ухудшения рабочих свойств клапанов.

Пример

Необходимо эксплуатировать скважину, в которой находится жидкость плотностью 750 кг/м³ с динамической вязкостью 100 мПас. Для этого планируется применить скважинный глубинный насос с условным диаметром плунжера 44,45 мм. В качестве запорного элемента во всасывающем и нагнетательном клапанах применяются шарики соответственно диаметрами 34,925 и 28,575 мм с плотностью материала 7800 кг/м³. В паспорте на глубинный штанговый насос находим, что он применяется для перекачки жидкостей вязкостью до 25 мПас.

Исходные данные для расчета: d_пл=0,044374 м, ₁=100 мПас, ₂=25 мПас, _ж=750 кг/м³.

Из формул (1) и (2) получаем М_всас=0,6 кг, М_нагнет=0,36 кг. Т.е. для рассматриваемых условий эксплуатации масса запорного элемента всасывающего клапана должна составлять 0,6 кг, а нагнетательного клапана 0,36 кг, в то время как масса серийных запорных элементов составляет 0,174 и 0,096 кг. Недостающий вес компенсируем дополнительным грузом: 0,6-0,174=0,426 кг и 0,36-0,096=0,164 кг.

Использование предлагаемого способа позволяет применять глубинный штанговый насос для откачки скважинной жидкости с вязкостью, превышающей паспортную величину для данного насоса, за счет выбора массы запорных элементов всасывающего и нагнетательного клапанов для конкретных скважинных условий в зависимости от динамической вязкости и плотности перекачиваемой жидкости, диаметра плунжера и плотности материала запорных элементов.