Стенд для випробування приводів свердловинних штангових насосних установок

Винахід стосується галузі нафтового машинобудування, а саме випробовування приводів свердловинних штангови х насосних установок. Відомий стенд для випробовування приводів свердловинних штангови х насосних установок [1], який містить навантажувальний пристрій у виді вантажу перемінної маси, зв'язаного з підвіскою і гнучкою ланкою привода, який імітує вагу колони насосних штанг, а також додатковий навантажувальний пристрій, що імітує вагу стовпа свердловинної рідини в колоні насосних труб за допомогою тиску підпору рідини, що подається по магістралі з ємності. Додатковий пристрій виконаний у вигляді гідроциліндрів з розміщеними в них поршнями зі штоками, противаги постійної маси і поліспаста, кратність якого постійна. Штоки гідроциліндрів жорстко зв'язані з противагою постійної маси і через поліспасти з вантажем перемінної маси. Надпоршневі порожнини гідроциліндрів з'єднані за допомогою паралельно встановлених у магістралі подачі робочої рідини регулювальних пристроїв: дроселя і зворотного клапана з ємністю робочої рідини, а підпоршневі порожнини через магістраль, дросель і зворотний клапан - з атмосферою. Підвіска зв'язана з випробуваним приводом за допомогою штока. Противага постійної маси зв'язана з рамкою стенда через поліспаст. Незважаючи на те, що конструкція вищевказаного стенду для випробовування приводів штангових установок реалізує ідеальний закон навантаження привода, існує відмінність умов навантаження приводу від тих що діють в свердловині, оскільки конструкцією не передбачено врахування втрати ходу плунжера із-за пружності колони штанг та насосно-компресорних труб. Даний стенд не дозволяє моделювати критичний режим, який виникає при роботі приводу, а саме - поступового збільшення навантаження привода без його зупинки, яке на практиці спричиняється процесом парафінування свердловин. Найближчим за технічною суттю є стенд для випробовування приводів свердловинних штангови х насосних установок [2], який містить навантажувальний пристрій у вигляді вантажу змінної маси, зв'язаного з підвіскою і гнучкою ланкою приводу, що імітує вагу колони насосних штанг і стовпа рідини в колоні насосних труб при ході вгору, а також додатковий навантажувальний пристрій у вигляді гідроциліндра односторонньої дії, в корпусі якого розміщений поршень, що імітує вагу стовпа рідини в колоні насосних труб при ході вниз за допомогою тиску підпору робочої рідини, що подається по магістралі з ємності, причому порожнина корпусу гідроциліндра і ємність робочої рідини з'єднані через регулювальний пристрій у вигляді зворотного клапана і дроселя. Зв'язок вантажу перемінної маси з підвіскою і гнучкою ланкою приводу здійснений через виконаний рухомим корпус гідроциліндра, на якому концентрично розміщений вище згаданий вантаж, а поршень гідроциліндра встановлений нерухомо щодо його корпусу і виконаний порожнім, причому вантаж змінної маси розміщений у нижній частині рухомого корпусу гідроциліндра для зменшення радіальних навантажень. Дана схема стенду для випробовування приводів свердловинних штангових установок в основному імітує режим навантаження приводу, однак конструкція основного навантажувального пристрою вимагає значної маси вантажів, оскільки вона використовується при навантаженні привода при ході вгору, а додатковий навантажувальний пристрій, виконаний в виді гідроциліндра односторонньої дії з нерухомим поршнем та рухомим корпусом, використовується для створення тиску підпора, який зменшує вагу основного навантажувального пристрою при ході вниз. Існує відмінність умов навантаження приводу від тих, що діють в свердловині, оскільки не врахована втрата ходу плунжера із-за пружності колони штанг та насосно-компресорних труб, що приводить до зміщення періоду дії максимального навантаження, не передбачена можливість роботи гідроциліндрів з неповним заповненням їх рідиною, що має місце при експлуатації свердловини і приводить до додаткового навантаження приводу. Не врахована можливість моделювання критичних режимів: парафінування свердловини, заклинювання плунжера. Задача, що ставилась при створенні винаходу - вдосконалення стенду для випробовування приводу свердловинних штангови х насосів за рахунок введення конструктивних елементів, які б реалізували схему дії закону зміни навантаження максимально наближеної до діючої на привід при видобуванні рідини з свердловини, шляхом введення пружного елементу для моделювання жорсткості колони насосних штанг, введення пневматичної системи для моделювання роботи привода при неповному заповненні циліндра насоса рідиною та гальмівного пристрою для моделювання зростання навантаження на привід при парафінуванні і заклинюванні плунжера глибинного насоса. Поставлена задача вирішується тим, що у відомий стенд для випробовування приводів свердловинних штангови х насосних установок, що містить основний навантажувальний пристрій, з'єднаний з підвіскою та гнучкою ланкою, який включає в себе вантаж змінної маси, та додатковий навантажувальний пристрій у вигляді гідравлічного циліндра односторонньої дії, в корпусі якого розміщений поршень, де порожнина корпусу гідравлічного циліндра і ємність робочої рідини зв'язані між собою через регулювальний пристрій, утворений системою регулювальних дроселів та клапанів, згідно з винаходом додатково введено пневматичну систему, пружний елемент, розміщений між основним навантажувальним пристроєм та приводом, та гальмівний пристрій, встановлений в верхній частині штока поршня гідравлічного циліндра, причому поршень виконаний рухомим відносно нерухомого корпусу гідравлічного циліндра. Конструкція стенду, введенням додаткового пружного елемента, забезпечує навантаження приводу схемою закону зміни навантаження, максимально наближеного до діючого на привід при видобуванні рідини з свердловини, при цьому моделюється жорсткість колони насосних штанг, яка вибирається такою, щоб деформація пружного елементу відповідала деформації колони насосних штанг та розраховується в залежності від компоновки глибинного обладнання. Введенням додаткової пневматичної системи моделюється процес незаповнення гідравлічного циліндра глибинного насосу рідиною, причому кількість повітря введеного в циліндр гідравлічного насоса розраховується в залежності від коефіцієнта наповнення насоса рідиною. Введенням додаткового гальмівного пристрою моделюється зростання навантаження на привід при парафінуванні колони штанг та насосно-компресорних труб. Величина притискання гальмівних колодок до штоку поршня вибирається такою, що відповідає зростанню навантаження приводу при ході вгору та його зменшенню при ході вниз, в залежності від кількості відкладеного парафіну на штанги та тр уби. При моделюванні заклинювання плунжера відбувається раптова зупинка штоку поршня гальмівним пристроєм, що викликає різке зростання навантаження приводу. Введенням конструкції гідравлічного циліндра односторонньої дії з рухомим поршнем відносно нерухомого корпусу гідравлічного циліндра дозволяє зменшити масу основного навантажувального пристрою, оскільки підвищенням тиску рідини, що діє на поршень гідравлічного циліндра, моделюється зростання навантаження приводу, вагою рідини, що знаходиться в свердловині, під час руху підвіски вгору. Ва га вантажу змінної маси вибирається такою, щоб реалізувати процес навантаження приводу при русі вниз колони штанг, зануреної в рідину, яка відкачується з свердловини. Винахід ілюструється схемами, де на фіг.1 зображено схему стенду для випробовування приводів свердловинних штангови х насосних установок. На фіг.2 зображено схему зміни навантаження приводу свердловинної штангової насосної установки, що моделюється стендом. На ділянці АВ проходить процес сприйняття навантаження на початку руху штанг вгору, при цьому штанги де формуються на величину l . Таким чином, початок максимального навантаження приводу відстає від початку р уху штанг вгору. На ділянці ВС діє постійне максимальне навантаження, яке складається з ваги штанг, занурених в рідину та ваги стовпа рідини над плунжером. На ділянці СД починається процес передачі ваги рідини з штанг на насосно-компресорні труби, внаслідок якого штанги скорочуються на величину l , і мінімальне навантаження починає діяти з запізненням і відстає від початку руху штанг вниз. На ділянці ДА діє мінімальне навантаження рівне масі штанг, занурених в рідину. На фіг.3 зображено закон навантаження приводу свердловинної штангової насосної установки, що моделюється стендом, при неповному заповнені циліндру глибинного насосу. При цьому умови навантаження приводу є більш важкі, оскільки при русі плунжера глибинного насосу вниз на ділянці EF вага стовпа рідини, що знаходиться над ним, не відразу передається на штанги, із-за наявності газу в циліндрі. Стенд для випробовування приводів свердловинних штангових насосних установок містить основний навантажувальний пристрій у виді вантажу 1 перемінної маси, який імітує вагу колони штанг та додатковий навантажувальний пристрій в вигляді гідравлічного циліндра 2 з одностороннім штоком, який імітує вагу рідини, що знаходиться в свердловині та гідропневматичну навантажувальну систему, що складається з ємності робочої рідини 3, крану 4, дроселя 5 та зворотних клапанів 6, 7, газового балона 8, пневматичного клапана з дистанційним керуванням 9, які зв'язані з гідравлічним циліндром системою трубопроводів на якій розміщується манометр 10. Між основним навантажувальним пристроєм 1 та приводом 11 розміщується гнучка ланка 12, підвіска 13 та пружний елемент 14, що імітує жорсткість колони штанг. В вер хній частині штоку поршня 15 гідравлічного циліндра 2 розміщується гальмівний пристрій 16, який імітує збільшення навантаження приводу при парафінуванні свердловини та при заклинюванні плунжера штангового глибинного насоса. Додатковий навантажувальний пристрій, виконаний у вигляді гідравлічного циліндра 2 з розміщеним в ньому поршнем 15, з'єднаним жорстко з основним навантажувальним пристроєм 1, а корпус гідравлічного циліндра в нижній частині утворює нерухоме з'єднання з стояком 17. Надпоршнева порожнина корпусу гідравлічного циліндра 2 з'єднана за допомогою паралельно встановлених у магістралі подачі робочої рідини регулювальних пристроїв: дроселя 5 і зворотних клапанів 6 та 7 з ємністю 3 робочої рідини, а між зворотними клапанами 6 та 7 розміщується магістраль пневматичної системи, яка містить газовий балон 8, кран 18, пневматичний клапан з дистанційним керуванням 9. Стенд, зображений на фіг.1 працює в такий спосіб: рух виконавчого механізму приводу 11 передається через гнучк у ланку 12, підвіску 13 та пружний елемент 14 до штоку поршня 15 насоса односторонньої дії, який рухається в циліндрі 2 і на якому жорстко закріплено вантаж 1, що імітує вагу колони штанг. Робочий цикл складається з двох фаз - робочої, при русі поршня 15 вгору, коли на привід 11 діє максимальне навантаження та фази холостого ходу, при його русі вниз, коли на привід 11 діє мінімальне навантаження. В свою чергу робочий цикл складається з процесу сприйняття навантаження на ділянці АВ (фіг.2) та р усі при максимальному навантаженні на ділянці ВС, а також з циклу холостого ходу, який складається з процесу зняття навантаження на ділянці СД та роботі приводу при мінімальному навантаженні на ділянці ДА. Під час робочого ходу поршень 15 здійснює рух в циліндрі 2 від нижньої мертвої точки до верхньої мертвої точки, положення яких залежать від геометричних характеристик приводу 11. На початку руху поршня 15 вгору на нього діють сили ваги основного навантажувального пристрою 1 та сила тиску рідини на поршень 15, що знаходиться в циліндрі 2 в порожнині над поршнем. На початку робочого ходу підвіска 13 рухається вгор у, але дія вище вказаних сил спричиняє розтяг пружного елементу 14 і поршень 15 знаходиться в стані спокою до тих пір поки сила пружності, що виникає внаслідок розтягу пружного елементу 14 не стане рівною силі опору, яка складається з ваги вантажів 1 та сили тиску рідини на поршень 15. Далі, підвіска 13, пружний елемент 14, які зв'язані між собою та вантажами 1 за допомогою гнучкої ланки 12 та поршень 15 рухаються вгору разом, витісняючи рідину в тр убопровід, що під'єднаний до верхньої порожнини гідравлічного циліндра 2. При цьому на привід 11 діє максимальне навантаження, значення якого регулюється дроселем 5 та контролюється за допомогою манометра 10. Під час руху поршня 15 вгору крани 4 та 18 відкриті, а повітряний клапан дистанційного керування 9 та зворотні клапани 6 та 7 закриті і рідина витискається через дросель 5 в ємність 3. Робоча фаза, на протязі якої імітуються сили, що діють на привід свердловинної штангової установки при русі штанг вгор у, діє до тих пір поки поршень 15 не досягне верхньої мертвої точки, і після того як підвіска 14 почне рухатись вниз, починається фаза холостого ходу. На початку ходу поршня 15 вниз на привід 11 діє сила ваги вантажів 1, проти напрямку якої діє сила тертя гальмівного пристрою 16 об шток поршня 15 та сила, що діє при всмоктуванні рідини з ємності 3 на поршень 15. В результаті дії цих сил пружний елемент 14 буде скорочуватись до ти х пір, поки сила його розтягу не досягне значення сили опору рідини, що засмоктується в гідравлічний циліндр 2 над поршнем 15. При цьому імітується процес зняття навантаження та дія мінімального навантаження на привід 11. Клапани 6 та 7 відкриті і, оскільки вони створюють менший опір ніж дросель 5, рідина, проходячи через них, потрапляє в порожнину корпусу гідравлічного циліндра 2, заповнюючи простір над поршнем 15. Пневматичний клапан дистанційного керування 9 відкривається при русі поршня 15 вниз в тому випадку коли необхідно змоделювати рух поршня при неповному заповненні корпусу гідравлічного циліндра 2 рідиною з ємності 3. Цей випадок моделює роботу привода 11 при неповному заповнені корпусу циліндра 2 робочою рідиною із-за наявності в ній газу, що має місце при експлуатації свердловин з високим газовим фактором. При цьому змінюється закон навантаження привода 11, оскільки наявність повітря над поршнем 15 призводить до зміни процесу спадання навантаження привода 11 (фіг.3). При відкритому пневматичному клапані дистанційного керування 9 зворотній клапан 6 закритий, що запобігає попаданні газу в ємність робочої рідини 3, а клапан 7 відкритий. Після закриття пневматичного клапана дистанційного керування 9 відкривається клапан 6 і в порожнину над поршнем 15 гідравлічного циліндра 2 починає потрапляти рідина. Регулюючи час, на протязі якого пневматичний клапан 9 знаходиться в відкритому стані, можна змінювати ступінь заповнення корпусу гідравлічного циліндра 2 рідиною, що впливає на закон зміни навантаження приводу. Силою притискання колодок гальмівного пристрою 16 до штока поршня 15 регулюється значення мінімальної сили, що діє на привід. Раптове включення гальмівного пристрою 16 при русі підвіски вгору моделює заклинювання плунжера заглибного насоса при якому різко зростає навантаження всіх елементів приводу 11. Посилання: 1. А.с. СССР №1255749, Бюл. №33, 07.09.1986р. 2. А.с. СССР №1488557, Бюл. №23, 23.06.1989р.