RU167305U1

RU167305U1 - LINEAR DRIVE DEEP PUMP PUMP

Info

Publication number: RU167305U1
Application number: RU2016126910/06U
Authority: RU
Inventors: Петър Петров Петков; Ани Петрова Петкова; Владимир Евгеньевич Брунман; Андрей Николаевич Волков; Ольга Владимировна Кочнева; Кирилл Владимирович Балабанов
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-12-27

Abstract

1. Линейный привод штангового глубинного насоса, включающий вертикальный корпус с фланцем для связи с устьем скважины, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий реечную передачу, образованную взаимодействующими между собой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых связана с полированным штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем, отличающийся тем, что реечная передача содержит рейку, снабженную цевками, которые взаимодействуют с зубьями шестерни с профилем, выполненным по эквидистанте к гипоциклоиде.2. Линейный привод по п. 1, отличающийся тем, что каждая цевка установлена в рейке с возможностью вращения вокруг своей оси.1. A linear actuator of a sucker rod pump, including a vertical housing with a flange for communication with the wellhead, the outside of which is mounted a drive mechanism, including a rack and pinion gear, formed by interacting racks and gears, the first of which is connected to the polished pump rod, and the second through the transmission is kinematically connected with a reversing engine, characterized in that the rack and pinion gear contains a rack equipped with handles that interact with the gear teeth with a profile made m equidistant to a hypocycloid. 2. The linear actuator according to claim 1, characterized in that each pin is mounted in a rail with the possibility of rotation around its axis.

Description

Полезная модель относится, в широком смысле, к технологии механизированной добычи нефти, а точнее - к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.The utility model relates, in a broad sense, to the technology of mechanized oil production, and more precisely to the design of technical means that ensure the implementation of this technology.

К настоящему времени наибольшее распространение в качестве установок привода штанговых глубинных насосов (ШГН) получили балансирные станки-качалки (СК). Данный тип привода имеет значительные преимущества такие как высокие надежность, долговечность и энергоэффективность.To date, the most widely used as the installation of the drive sucker rod pumps (SHG) received balancing rocking machines (SK). This type of drive has significant advantages such as high reliability, durability and energy efficiency.

Типичная конструкция СК содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока с винтами динамометрирования. Балансир установлен на основании с рамой. Правая часть балансира с противовесами, траверсой и шатунами, отсоединенными от кривошипов, всегда тяжелее левой части балансира с его головкой и канатом канатной подвески. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и его компенсирует колонна штанг насоса, посаженная на зажим [SU 1333838].A typical SK design contains a balancer with a head connected to the gearbox through cranks through connecting rods with fingers, and a rope suspension of a polished rod with dynamometer screws. The balancer is installed on the base with the frame. The right side of the balancer with counterweights, traverse and connecting rods, disconnected from the cranks, is always heavier than the left part of the balancer with its head and rope suspension cable. In this regard, the balancer torque is clockwise and compensates for by the pump rod string mounted on the clamp [SU 1333838].

Типичными недостатками практически любого СК являются:Typical disadvantages of almost any SC are:

- Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.- High metal consumption and relatively high cost of transportation.

- Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом привода (капитальные затраты).- The need to prepare a concrete base or pile field before mounting the drive (capital costs).

- Высокая стоимость замены СК или ее узлов вследствие большой массы.- The high cost of replacing the SC or its components due to the large mass.

- Низкий срок службы редуктора из-за 100% продолжительности включения.- Low gearbox life due to 100% duty cycle.

- Неудовлетворительное центрирование канатной подвески, обусловленное неточностью изготовления головки балансира и приводящее к ускоренному износу устьевого уплотнения.- Poor centering of the cable suspension, due to inaccuracy in the manufacture of the head of the balancer and leading to accelerated wear of the wellhead seal.

- Неудобство перестановки пальцев шатунов.- The inconvenience of rearranging the fingers of the connecting rods.

- Высокая трудоемкость перемещения противовесов в процессе уравновешивания.- The high complexity of moving the balances in the process of balancing.

- Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, что снижает безопасность обслуживания.- The presence of a large number of open moving mechanisms, which reduces the safety of service.

Следует отметить, что конструкция СК продолжает совершенствоваться, избавляясь от части перечисленных выше недостатков. В частности, это достигается путем выполнения привода ШГН в виде подвижного контргруза, размещаемого на балансире с возможностью возвратно-поступательного перемещения по всей его длине, при этом контргруз снабжен автономным электроприводом. Примерами таких СК являются конструкции, описанные в патенте на изобретение SU 1267045 и в патенте на полезную модель CN 202117637, в первом из которых привод включает канатную систему перемещения контргруза, а во втором - привод выполнен в виде электрического линейного двигателя.It should be noted that the design of the SC continues to improve, getting rid of some of the above disadvantages. In particular, this is achieved by executing the SHGN drive in the form of a movable counterweight placed on the balancer with the possibility of reciprocating movement along its entire length, while the counterload is equipped with an autonomous electric drive. Examples of such SK are the designs described in the patent for the invention SU 1267045 and in the patent for utility model CN 202117637, in the first of which the drive includes a cable system for moving the counterweight, and in the second - the drive is made in the form of an electric linear motor.

Наряду с балансирными СК, последние 25 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода ШГН, отличающееся значительным конструктивным разнообразием.Along with balancing SCs, over the past 25 years, a new direction has been intensively developing, which is defined as unbalanced drives of SHGN, characterized by a significant structural variety.

Так, относительно широкое распространение получили цепные приводы ШГН, которые позволяют значительно увеличить длину хода полированного штока и тем самым добиться оптимального режима экономии электроэнергии и увеличить наработку подземного оборудования на отказ. В патенте SU 1479697 описана установка для длинноходовой глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин. Она содержит вертикально установленную на устье скважины ферму с размещенными на ней вращающимися блоками, через которые пропущена канатная подвеска, соединенная одним концом с полированным штоком, расположенной в скважине колонны штанг, а другим концом - с противовесом. В ферме установлена, параллельно полированному штоку, приводная от двигателя через редуктор цепная передача с ведущей и ведомой звездочками. Канатная подвеска дополнительно соединена через ползун, установленный в направляющих, с приводным роликом цепной передачи. Последняя установлена в дополнительных параллельных направляющих, из которых наружные направляющие выполнены в зоне расположения звездочек. Направляющие ползуна расположены вертикально и совместно с направляющими цепной передачи соединены с фермой. Ползун непосредственно связан с канатной подвеской, которая соединена с приводным роликом цепной передачи при помощи дополнительно установленного в ползуне поворотного шатунного пальца.So, the ShGN chain drives have become relatively widespread, which can significantly increase the stroke length of the polished rod and thereby achieve an optimal mode of energy saving and increase the time between underground equipment for failure. In the patent SU 1479697, an installation is described for a long-stroke deep-well pumping operation of oil wells. It contains a truss vertically mounted at the wellhead with rotating blocks placed on it, through which a rope suspension is passed, connected at one end to a polished rod located in the well of the rod string and the other end to a counterweight. The farm is installed, parallel to the polished rod, driven from the engine through a gearbox chain transmission with a drive and driven sprockets. The cable suspension is additionally connected via a slider mounted in the rails to the drive roller of the chain drive. The latter is installed in additional parallel rails, of which the outer rails are made in the area of the sprockets. The slide rails are arranged vertically and, together with the chain drive rails, are connected to the truss. The slider is directly connected to the cable suspension, which is connected to the drive roller of the chain drive with the help of an additional connecting rod pin installed in the slider.

Кинематическая и конструктивная сложности описанной безбалансирной цепной установки ШГН, несмотря на существенное превосходство ее по техническим параметрам над традиционными СК ведут к значительному снижению надежности ее работы.The kinematic and structural complexity of the described unbalanced chain installation of SHGN, despite its significant superiority in technical parameters over traditional SC, lead to a significant decrease in the reliability of its operation.

Высокая доля геолого-технических мероприятий в структуре ремонтов скважин явилась одной, но существенной причиной, увеличения объемов применения гидравлических приводов ШГН, главным преимуществом которых стала относительно высокая мобильность и быстрота монтажа после проведения подземного ремонта на скважине. Примером конструкции гидравлического привода ШГН является таковой, описанный в патенте SU 1585552. Привод содержит гидравлический цилиндр, шток которого связан муфтой и колонной штанг с плунжером скважинного насоса, перемещающегося в погружном цилиндре, расположенном в скважине. Кроме того, привод снабжен распределительным устройством, источником питания, гидромотором переменного рабочего объема, электродвигателем и маховиком. Реверсирование направления движения штока осуществляется посредством планки с кулачком, взаимодействующим с распределителем реверса. Привод включает в себя также переливной клапан, обратные клапана, регулируемые дроссели, бак, реле тока и разгрузочный клапан. Штоковая полость первого цилиндра подсоединена распределительным устройством к линиям нагнетания и слива. Валы гидромотора, источника питания и электродвигателя жестко связаны между собой. Источник питания сообщен линией всасывания с баком.The high share of geological and technical measures in the structure of well repairs was one, but a significant reason, the increase in the use of hydraulic drives of SHGN, the main advantage of which was the relatively high mobility and speed of installation after underground repairs at the well. An example of the design of the hydraulic drive SHGN is that described in the patent SU 1585552. The drive contains a hydraulic cylinder, the rod of which is connected by a coupling and a column of rods with a plunger of a downhole pump moving in a submersible cylinder located in the well. In addition, the drive is equipped with a switchgear, a power source, a variable displacement hydraulic motor, an electric motor and a flywheel. Reversing the direction of movement of the rod is carried out by means of a strap with a cam interacting with the reverse distributor. The actuator also includes an overflow valve, non-return valves, adjustable chokes, a tank, a current relay and an unloading valve. The rod cavity of the first cylinder is connected by a switchgear to the discharge and discharge lines. The shafts of the hydraulic motor, power source and electric motor are rigidly interconnected. The power source is connected by a suction line to the tank.

Основными недостатками гидравлических приводов ШГН являются следующие:The main disadvantages of the SHGN hydraulic drives are the following:

- наличие насосного блока, для которого необходима подготовка основания;- the presence of a pump unit, for which preparation of the base is necessary;

- наличие гидравлических шлангов, работающих под давлением, что ведет к снижению уровня безопасности;- the presence of hydraulic hoses operating under pressure, which leads to a decrease in the level of safety;

- относительно дорогое профилактическое обслуживание.- relatively expensive preventative maintenance.

Последние десять лет ведутся интенсивные работы в направлении создания принципиально нового привода ШГН, отличающегося мобильностью, надежностью, невысокой стоимостью и простотой обслуживания. В этом плане, представляется возможным выделить две идеологии, основанные на использовании различных принципов механического преобразования вращательного движения двигателя в возвратно-поступательное перемещение рабочего органа, под которым понимается полированный шток привода ШГН. Условно, эти принципы можно определить как винтовой и реечный, т.е. заключающиеся в использовании винтового и реечного механизмов соответственно, которые совместно с двигателем и трансмиссиями образуют, так называемые, линейные приводы ШГН.Over the past ten years, intensive work has been carried out towards the creation of a fundamentally new SHGN drive, characterized by mobility, reliability, low cost and ease of maintenance. In this regard, it seems possible to distinguish two ideologies based on the use of various principles of mechanical conversion of the rotational movement of the engine into reciprocating movement of the working body, which is understood as the polished rod of the actuator SHGN. Conventionally, these principles can be defined as screw and rack, i.e. consisting in the use of screw and rack gears, respectively, which together with the engine and transmissions form the so-called linear drives of SHGN.

Известен линейный привод ШГН, содержащий опору, на которой установлен мотор-редуктор с жестко укрепленной на нижнем конце его ведомого вала гайкой и ходовой винт, жестко соединенный со штангой. На ходовом винте выполнены попарно противоположно направленные ленточные нарезки, при этом в каждой паре верхние выходы ленточных нарезок, как и нижние выходы, выполнены с плавным переходом друг в друга, образуя бесконечную ленту. В гайке напротив каждой нарезки ходового винта выполнено сквозное горизонтально расположенное отверстие, в которое вставлена с возможностью вращения соосно расположенная цилиндрическая обойма с выполненным на ней в форме горизонтального прямоугольника пазом со стороны ходового винта. В пазе цилиндрической обоймы размещен с возможностью вращения на оси горизонтально установленный ролик с выступающей наружу паза частью, которая введена в нарезку бесконечной ленты, состоящей из вышеупомянутых нарезок. Ведомый вал мотор-редуктора выполнен в виде трубы, а ходовой винт установлен в ведомом валу коаксиально, причем длина ведомого вала больше длины прямого или обратного хода ходового винта. Ведомый вал установлен в опоре на подшипниках [RU 2482332].Known linear actuator SHGN, containing a support on which a gear motor is mounted with a nut rigidly attached to the lower end of its driven shaft and a lead screw rigidly connected to the rod. On the lead screw, oppositely directed tape cuts are made in pairs, while in each pair the upper outputs of the tape cuts, as well as the lower outputs, are made with a smooth transition into each other, forming an endless ribbon. In the nut opposite each thread of the lead screw there is a through horizontal hole, into which a coaxially located cylindrical ferrule with a groove made on it in the form of a horizontal rectangle from the lead screw side is inserted for rotation. In the groove of the cylindrical cage, a horizontally mounted roller with an outwardly protruding part of the groove, which is inserted into a cut of an endless tape consisting of the aforementioned cuts, is rotatably rotated on the axis. The driven shaft of the gearmotor is made in the form of a pipe, and the lead screw is installed coaxially in the driven shaft, and the length of the driven shaft is greater than the length of the forward or reverse lead screw. The driven shaft is mounted in a bearing on bearings [RU 2482332].

Благодаря выполнению ходового винта с попарно противоположно направленными ленточными нарезками, образующими бесконечную ленту, отпадает необходимость изменять направление вращения электродвигателя. Однако предлагаемая конструкция ходового винта представляется технологически сложно выполнимой и в условиях длительной, практически безостановочной, эксплуатации малонадежной. Износ ролика и ленточных нарезок способен значительно повлиять на работоспособность привода.Thanks to the implementation of the lead screw with pairwise oppositely directed tape cuts forming an endless tape, there is no need to change the direction of rotation of the electric motor. However, the proposed design of the lead screw is technologically difficult to perform and in conditions of prolonged, almost non-stop, operation unreliable. Wear of the roller and tape cuts can significantly affect the performance of the drive.

Использование реечного механизма в приводе ШГН в сравнении с винтовым выглядит более перспективным особенно в плане реализации вышеназванных требований, предъявляемых к приводам ШГН.The use of the rack and pinion mechanism in the SHGN drive in comparison with the screw one looks more promising especially in terms of the implementation of the above requirements for SHGN drives.

Известен линейный привод ШГН, который содержит неподвижно установленный на устье скважины и жестко связанный с последней посредством фланцевого соединения вертикальный корпус, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий зубчатую реечную передачу, образованную взаимодействующими зубчатой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых связана с блестящим штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем [US 8555984].A linear SHG drive is known, which comprises a vertical housing rigidly mounted on the wellhead and rigidly connected to the latter by means of a flange connection, the drive mechanism is mounted on the outside, including a rack and pinion gear formed by interacting gear rack and gear gear, the first of which is connected to the shiny pump rod and the second is kinematically connected via a transmission to a reversible engine [US 8555984].

Несмотря на очевидные достоинства описанного привода, последний обладает недостатком, который относится к конструкции собственно зубчатой реечной передачи и выражается, во-первых, в технологической сложности изготовления рейки с модулем значительной величины, во-вторых, в характере взаимодействия зубьев рейки и шестерни, основанном на трении скольжения, и поэтому подверженных значительному износу, учитывая существующие нагрузки на привод ШГН, снижающий надежность работы привода в целом, в-третьих, низкой ремонтоспособности, выражающейся в необходимости замены всей рейки при разрушении или недопустимом износе хотя бы одного зуба.Despite the obvious advantages of the described drive, the latter has a drawback that relates to the design of the actual rack and pinion gear and is expressed, firstly, in the technological complexity of manufacturing a rack with a module of significant magnitude, and secondly, in the nature of the interaction of the teeth of the rack and pinion, based on sliding friction, and therefore subject to significant wear, given the existing load on the drive of the SHGN, which reduces the reliability of the drive as a whole, and thirdly, low maintainability, expressing ysya the need to replace the entire rail fracture or unacceptable wear of at least one tooth.

Таким образом, задачей полезной модели является упрощение технологии изготовления реечной передачи, а также повышение надежности ее работы и улучшение условий проведения ремонтных работ.Thus, the objective of the utility model is to simplify the manufacturing technology of rack and pinion transmission, as well as increase the reliability of its operation and improve the conditions for repair work.

Поставленная задача достигается за счет того, что в линейном приводе ШГН, включающем вертикальный корпус с фланцем для связи с устьем скважины, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий реечную передачу, образованную взаимодействующими между собой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых связана с полированным штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем, реечная передача содержит рейку, снабженную цевками, которые взаимодействуют с зубьями шестерни с профилем, выполненным по эквидистанте к гипоциклоиде. При этом каждая цевка установлена в рейке с возможностью вращения вокруг своей оси.The task is achieved due to the fact that in the linear drive SHGN, including a vertical housing with a flange for communication with the wellhead, the outside of which is mounted a drive mechanism that includes a rack gear formed by interacting racks and gears, the first of which is connected with a polished rod pump, and the second through the transmission is kinematically connected with the reversing engine, the rack and pinion gear contains a rack equipped with tines that interact with the gear teeth with a profile, equidistant to hypocycloid. In addition, each foregrip is mounted in a rail with the possibility of rotation around its axis.

Технический результат полезной модели состоит в упрощении конструкции реечной передачи за счет выполнения рейки с цевками, являющейся более технологичной при изготовлении и обеспечивающей собственно конструкцией цевок значительное уменьшение сил трения взаимодействующих элементов образованного зубчатого механизма. В целом предлагаемое усовершенствование ведет к повышению надежности линейного привода ШГН.The technical result of the utility model is to simplify the design of the rack and pinion gear due to the implementation of the rack with the sprockets, which is more technologically advanced in the manufacture and provides the sprocket itself with a significant reduction in the friction forces of the interacting elements of the formed gear mechanism. In general, the proposed improvement leads to an increase in the reliability of the linear ShGN drive.

На фиг. 1 дано схематическое изображение линейного привода ШГН.In FIG. 1 is a schematic illustration of a linear drive SHGN.

На фиг. 2 изображено сечение по опорному концу цевки, размещенному в игольчатом подшипнике, установленном в балке.In FIG. 2 shows a cross-section along the supporting end of the forearm placed in a needle bearing mounted in the beam.

Линейный привод ШГН содержит несущий корпус 1, выполненный в виде полой цилиндрической трубы, которая снабжена фланцем 2, соединяемым посредством болтового соединения 3 с устьем скважины, представленной трубой 4. Снаружи несущего корпуса 1, в его средней части, смонтирован механизм привода ШГН, который включает реечную передачу, преобразующую вращательное движение электродвигателя в возвратно-поступательное движение рейки. Реечная передача образована зубчатой шестерней 5 и рейкой 6, взаимодействующими между собой. При этом рейка 6 снабжена цевками 7, которые смонтированы между парой параллельных балок 8. В связи с этим, далее, рейка будет именоваться как цевочная рейка, а реечная передача - как цевочная передача. Каждая цевка 7 установлена с возможностью вращения за счет того, что ее концевые части 9 установлены в игольчатых подшипниках 10, корпуса 11 которых расположены в соответствующих отверстиях балок 8. В связи с тем, что рейка выполнена цевочной, рабочий профиль зубьев шестерни выполняется по эквидистанте к гипоциклоиде [Руководящие технические материалы. Цевочное зацепление. РТМ 31 4005-76. Центральное бюро научно-технической информации Министерства морского флота СССР, Москва, 1977, с. 81]. В несущем корпусе 1 установлена неподвижная каретка 12 снабженная четырьмя роликами 13, упирающимися в балки 8, при этом каждый ролик 13 имеет реборды с двух сторон. Зубчатая шестерня 5 через трансмиссию, заключенную в корпус 14, кинематически связана с электродвигателем 15. Цевочная рейка 6 с помощью муфты 16 связана через штангу 17 с полированным штоком (не показан) насоса.The linear actuator SHGN contains a bearing housing 1 made in the form of a hollow cylindrical pipe, which is equipped with a flange 2 connected by a bolt connection 3 to the wellhead represented by a pipe 4. Outside of the bearing housing 1, in its middle part, a drive mechanism SHGN is mounted, which includes rack and pinion, converting the rotational movement of the electric motor into reciprocating motion of the rack. The rack and pinion gear is formed by a gear 5 and a rack 6, interacting with each other. In this case, the rail 6 is equipped with trunnions 7, which are mounted between a pair of parallel beams 8. In this regard, further, the rail will be referred to as the pin rail, and the rack gear - as the pin drive. Each pin 7 is mounted for rotation due to the fact that its end parts 9 are mounted in needle bearings 10, the housing 11 of which are located in the corresponding holes of the beams 8. Due to the pin being made pin, the working profile of the gear teeth is performed according to the equidistant to hypocycloid [Guiding technical materials. Chain linkage. RTM 31 4005-76. Central Bureau of Scientific and Technical Information, Ministry of the Navy of the USSR, Moscow, 1977, p. 81]. In the bearing housing 1, a fixed carriage 12 is installed, equipped with four rollers 13 resting against the beams 8, each roller 13 having flanges on both sides. The gear gear 5 through a transmission enclosed in the housing 14 is kinematically connected to the electric motor 15. The pin 6 using the clutch 16 is connected through a rod 17 with a polished rod (not shown) of the pump.

Работа линейного привода ШГН заключается в придании возвратно-поступательного перемещения цевочной рейке 6, а значит и связанному с ней блестящему штоку насоса, за счет реверсивного вращения электродвигателя 15 с частотой, задаваемой системой управления линейным приводом, которая отвечает и за длину хода.The operation of the linear actuator SHG consists in imparting reciprocating movement to the pin bar 6, and hence the shiny pump rod associated with it, by reversing the rotation of the electric motor 15 with a frequency set by the linear actuator control system, which is also responsible for the stroke length.

Преимущество цевочной передачи перед другими видами зубчатых механизмов заключается:The advantage of the pin drive over other types of gear mechanisms is:

во-первых, в конструктивной и технологической простоте цевочной рейки, изготовление которой не требует применения специального оборудования как, например, при изготовлении рейки с эвольвентным зацеплением;firstly, in the constructive and technological simplicity of the pin rail, the manufacture of which does not require the use of special equipment, such as, for example, in the manufacture of a rail with involute engagement;

во-вторых, применение цевочной передачи позволяет получить рейку меньшей массы из-за отсутствия в процессе взаимодействия шестерни и рейки радиального усилия, изгибающего рейку;secondly, the use of a pin drive allows you to get a lath of lower mass due to the absence of a radial force bending the rail during the interaction of the gear and the rack;

в-третьих, вращающиеся относительно своих осей цевки уменьшают потери на трение и снижают износ поверхностей зубьев шестерни.thirdly, yaw rods rotating relative to their axes reduce friction losses and reduce wear of gear teeth surfaces.

Перечисленные преимущества позволяют увеличить надежность и долговечность работы линейного привода в целом.These advantages can increase the reliability and durability of the linear drive as a whole.

Claims

1. A linear actuator of a sucker rod pump, including a vertical housing with a flange for communication with the wellhead, the outside of which is mounted a drive mechanism, including a rack and pinion gear, formed by interacting racks and gears, the first of which is connected to the polished pump rod, and the second through the transmission is kinematically connected with a reversing engine, characterized in that the rack and pinion gear contains a rack equipped with handles that interact with the gear teeth with a profile made m equidistant to a hypocycloid.

2. The linear actuator according to claim 1, characterized in that each pin is mounted in a rail with the possibility of rotation around its axis.