Результат интеллектуальной деятельности: Стенд для моделирования работы установки скважинного штангового насоса

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.