Линейный тяговый орган скважинной насосной установки

 

Использование: добыча нефти, на любых нефтяных скважинах с плунжерными насосами, преимущественно со значительной глубиной. Сущность изобретения: линейный тяговый орган выполнен в виде металлической ленты, имеющей двояковогнутое поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b. Боковые кромки образованы дугами с радиусом r=0,5 h, сопрягаемыми с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам , где n= 0,4-1, 3 ил.

Изобретение относится к области оборудования для добычи нефти, в частности к скважинным насосным установкам для подъема нефти плунжерным способом.

Известен гибкий тяговый орган в виде каната /1/, соединенный с колонной насосных штанг, связанный с плунжером скважинной насосной установки. Недостатком применения гибкого тягового органа в виде каната является невозможность его введения через сальниковое уплотнение в скважину, что приводит к необходимости присоединения к нему колонны штанг. Следствием этого является ограниченная глубина скважины, частые поломки штанг и оборудования, высокие эксплуатационные затраты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому линейному тяговому органу является пакет металлических лент, соединенный с плунжером и наматываемый на барабан наземного привода скважинной насосной установки /2/. Ленты пакета выполнены прямоугольными. Недостатком такого решения является низкая долговечность и усталостная прочность линейного тягового органа, который объясняется тем, что его обрывы происходят по кромкам в результате концентрации в них напряжений при имеющих место перекосах, серповидности ленты (отклонение от прямолинейности кромок) и других технологических причинах.

Решаемая изобретением задача - увеличение грузоподъемности, повышение долговечности и усталостной прочности линейного тягового органа скважинной насосной установки, выполненного, по меньшей мере, из одной ленты.

Поставленная задача достигается тем, что линейный тяговый орган, имеющий поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b, имеет двояковогнутое поперечное сечение. Его боковые кромки образованы дугами с радиусом r= 0,5h, сопрягаемым с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам , где коэффициент n=0,4-1.

Придание поперечному сечению линейного тягового органа указанной формы снизит напряжение и их концентрацию по кромкам, а также обеспечит преимущественное напряжение средней части ленты и, тем самым, повысит долговечность и усталостную прочность линейного тягового органа.

Выбор формы и соотношение размеров поперечного сечения линейного тягового органа поясняется следующими положениями.

В случае прямоугольного поперечного сечения ленты ее боковые кромки имеют острые грани, которые при наличии микродефектов поверхности или металла являются концентраторами напряжений, приводящими при циклических напряжениях к развитию макротрещин и разрушению линейного тягового органа. В связи с этим необходимо скруглить кромки радиуса r=0,5h.

Поскольку обрыв линейного тягового органа всегда начинается с кромки, необходимо кромки разгрузить, сосредоточив основную часть нагрузки по середине ленты. Это можно достигнуть, если поверхности ленты по ее ширине выполнить по радиусам R, сопрягающимся с дугами радиусом r, образующими кромки ленты.

Длина хорды образующего выемку по ширине тягового органа легмента с радиусом R и с высотой (стрелой) h равна Подкоренное выражение формулы (I) можно упростить, если принять во внимание, что в реальных условиях величина h² является бесконечно малой по сравнению с 2R h Тогда вместо (I) можем написать Стрела сегмента h может быть выражена как доля толщины ленты h: h = kh, (3) , где K <1 (из практических соображений, не ослабляя сечения ленты, можно принять K = 0,05-0,125).

Отсюда получим .

С другой стороны, значение хорды a можно определить следующим образом (фиг. 1): a = b - 2r = b - h.

Приравняв равенства (4) и (5) и решив их относительно R, получим
,
или, приняв 8k = n,
,
где n = 0,4-1
На фиг. 1 показана форма поперечного сечения линейного тягового органа согласно изобретению, а на фиг. 2 и 3 приведены характер приложения распределенной продольной нагрузки q и растягивающих напряжений _p в сечении предлагаемого (фиг. 2) и существующего (фиг. 3) линейного тягового органа.

Линейный тяговый орган 1 имеет двояковогнутое поперечное сечение. Вогнутые поверхности по ширине выполнены радиусом
,
где n = 0,4-1,
b - ширина прямоугольника, в которую вписано сечение органа,
h - его высота, а длина хорды сегмента с радиусом R. Боковые кромки выполнены радиусом r = 0,5h. К приводу установки ленты прикреплены зажимами 2.

Линейный тяговый орган работает следующим образом.

Линейный тяговый орган 1 прикрепляется одним концом к плунжеру насосной установки, а другим - к приводу с помощью зажимов 2, например клиновых, повторяющих форму ее средней части по радиусу R на ширине a. Благодаря этому при натяжении линейного тягового органа усилием P погонная поперечная нагрузка прикладывается к нему на ширине, равной a. Эпюра растягивающих напряжений _p (фиг. 2) плавно снижается к кромкам ленты, вплоть до нуля. Такая схема напряженного состояния сечения позволяет разгрузить кромки ленты и обеспечить повышение долговечности линейного тягового органа и его усталостной прочности.

В отличие от этого при использовании ленты с прямоугольным поперечным сечением (фиг. 3) погонная нагрузка q прикладывается по всей ее ширине, а растягивающие напряжения _p на кромках имеют такие же значения, как и по ее середине. Такая схема напряженного состояния кромок неблагоприятна и приводит к снижению долговечности и усталостной прочности линейного тягового органа.

Пример. При b = 50 мм, h = 4 мм, n = 0,7 получим r = 2 мм; R = 755,7 мм; a = 46 мм.

Предлагаемый тяговый орган целесообразно использовать на любых нефтяных скважинах при добыче нефти плунжерными насосами. Преимущественное применение он может найти на скважинах со значительной глубиной.

Формула изобретения

Линейный тяговый орган скважинной насосной установки в виде металлической ленты, имеющей поперечное сечение, вписанное в прямоугольник высотой h и шириной b, отличающийся тем, что он имеет двояковогнутое поперечное сечение, причем его боковые кромки образованы дугами с радиусом r 0,5 h, сопрягаемыми с поверхностями, выполненными по ширине ленты по радиусам

где n 0,4 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3