RU2123137C1

RU2123137C1 - Well pumping unit

Info

Publication number: RU2123137C1
Application number: RU96117901A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Зубаиров; Б.З. Султанов
Original assignee: Уфимский государственный нефтяной технический университет
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-12-10

Abstract

FIELD: lifting oil from wells. SUBSTANCE: pumping unit includes tube string, screw pump, sucker rod string, double-stage reduction gear with hermetic casing, collar seal and supporting bearing. Pump spindle secured on sucker rod string is connected with driven gear wheel of reduction gear. Drive shaft of reduction gear holds movable gear cluster; intermediate shaft holds driven gear wheels of high-speed and low-speed stages mounted for engagement with one toothed rim of movable gear cluster. EFFECT: enhanced reliability and durability of unit. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, а именно к насосному, применяемому для извлечения нефти из скважин. The invention relates to oilfield equipment, namely to pumping equipment used to extract oil from wells.

Известна установка [1], содержащая погружной винтовой насос, насосно-компрессорные трубы, колонну штанг, выполняющую роль приводного вала ротора насоса, и наземный привод насоса, включающий двигатель, ременную передачу, редуктор с вертикальными валами, автономные узлы подвески колонны штанг и герметизации линии нагнетания. Недостатками такой установки является сложность и большая трудоемкость регулирования подачи насоса изменением частоты вращения ротора, которая достигается сменой шкивов ременной передачи, большие габариты наземного оборудования за счет применения ременной передачи и автономных узлов подвески колонны штанг и узла герметизации линии нагнетания, надежность и недолговечность ременной передачи, ненадежность узла герметизации. A known installation [1], comprising a submersible screw pump, tubing, a rod string acting as a drive shaft of a pump rotor, and a surface pump drive including an engine, a belt drive, a gearbox with vertical shafts, autonomous suspension units for the rod string and sealing the line injection. The disadvantages of this installation are the complexity and laboriousness of regulating the pump supply by changing the rotor speed, which is achieved by changing the pulleys of the belt drive, the large dimensions of the ground equipment due to the use of the belt drive and self-contained suspension units of the rod string and the sealing unit of the discharge line, the reliability and fragility of the belt transmission, unreliability of the sealing unit.

Наиболее близким техническим решением является погружная насосная установка [2], содержащая колонну насосно-компрессорных труб, винтовой насос, колонну штанг, редуктор с герметичным кожухом, манжетное уплотнение и кольцевой фильтр, установленный между полостью редуктора и линией нагнетания, и опорный подшипник. Недостатками такой установки является большая трудоемкость регулирования производительности насоса, осуществляемая сменой шкивов ременной передачи, большие габариты ременной передачи, ненадежность системы герметизации и сложность ее ремонта или замены, ненадежность системы смазки, т. к. смазывающая способность откачиваемой жидкости, используемой в качестве смазки для редуктора, зависит от ее состава, и в первую очередь от содержания воды, большие габариты, невысокая грузоподъемность и сложность конструктивного обеспечения равномерного распределения нагрузки по рядам подшипника, большие нагрузки на колонну штанг, особенно в верхней части, складывающиеся от веса столба жидкости и собственного веса колонны, большие силы трения штанг о трубы в местах искривления скважин, растущие с увеличением глубины скважин. The closest technical solution is a submersible pumping unit [2], which contains a tubing string, a screw pump, a rod string, a gearbox with a tight casing, a lip seal and an annular filter mounted between the gearbox cavity and the discharge line, and a support bearing. The disadvantages of this installation are the great complexity of regulating the performance of the pump, carried out by changing the pulleys of the belt drive, the large dimensions of the belt drive, the unreliability of the sealing system and the complexity of its repair or replacement, the unreliability of the lubrication system, since the lubricity of the pumped liquid used as lubricant for the gearbox , depends on its composition, and first of all on the water content, large dimensions, low carrying capacity and the complexity of structural support uniform th load distribution on the bearing rows, big load on the column rods, especially in the upper part, folding of the weight of the liquid column and the column of its own weight, a large force of friction on the rod pipe in the field curvature well, increasing with increasing depth of wells.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является расширение функциональных возможностей и повышение надежности и долговечности скважинной насосной установки. The technical problem posed in the present invention is to expand the functionality and increase the reliability and durability of the downhole pumping unit.

Эта задача достигается тем, что в известной скважинной насосной установке, включающей колонну насосно-компрессорных труб, винтовой насос, колонну штанг, двухступенчатый редуктор с герметичным кожухом, монтажное уплотнение и опорный подшипник, шпиндель насоса, закрепленный на колонне штанг, соединен с ведомым зубчатым колесом редуктора, при этом на ведущем валу редуктора размещен подвижный блок шестерен, а на промежуточном валу размещены ведомые зубчатые колеса быстроходной и тихоходной ступеней, установленные с возможностью взаимодействия с одним из зубчатых венцов подвижного блока шестерен. Такое решение позволяет оперативно и с минимальными трудозатратами регулировать производительность насоса, а использование ведущей шестерни тихоходной ступени в качестве ведомого колеса быстроходной ступени позволяет уменьшить число зубчатых колес на промежуточном валу, а следовательно, длину валов и габариты редуктора в целом, уменьшить напряжение изгиба, прогибы и повороты концевых сечений валов, что повышает долговечность и надежность валов и подшипников. Установка снабжена, дополнительно к манжетному, щелевым уплотнением, образуемым внутренней поверхностью внутреннего прилива корпуса редуктора и шпинделем, и торцевым уплотнением, размещенным между буртом шпинделя и верхним торцом внутреннего прилива корпуса редуктора, который выполнен на уровне плоскости разъема редуктора, что позволило максимально увеличить длину щелевого уплотнения и облегчить доступ к манжетному уплотнению во время ремонта или замены его. Применение трех последовательно установленных уплотнений повышает надежность герметизации линии нагнетания и долговечность работы редуктора за счет исключения попадания откачиваемой жидкости во внутреннюю полость редуктора. Для соединения ведомого зубчатого колеса со шпинделем установка снабжена стяжным фланцем и двухпозиционным стяжным механизмом, с помощью которого обеспечивается подъем бурта шпинделя над верхним торцом внутреннего прилива корпуса редуктора на регламентированную величину (верхняя позиция) во время работы установки и посадка шпинделя буртом на торец прилива (нижняя позиция) во время ремонта манжетного уплотнения. Установка снабжена дискретно установленными на колонне штанг комплексами из радиально-упорных подшипников и компенсирующих муфт и соответственно дискретно установленными на насосно-компрессорных трубах упорами для радиально-упорных подшипников. This task is achieved by the fact that in a well-known downhole pump installation, including a tubing string, a screw pump, a rod string, a two-stage gearbox with a sealed casing, a mounting seal and a thrust bearing, a pump spindle fixed to the rod string is connected to the driven gear gearbox, while on the drive shaft of the gearbox there is a movable block of gears, and on the intermediate shaft there are driven gears of the high-speed and low-speed stages, installed with the possibility of interaction action with one of the gear rims of the movable gear block. This solution allows you to quickly and efficiently control the pump performance, and the use of the driving gear of the low-speed stage as the driven wheel of the high-speed stage allows you to reduce the number of gears on the intermediate shaft, and therefore, the length of the shafts and the dimensions of the gearbox as a whole, reduce bending stress, deflection and rotations of shaft end sections, which increases the durability and reliability of the shafts and bearings. The installation is equipped, in addition to the lip seal, with a gap seal formed by the inner surface of the internal tide of the gear housing and the spindle, and an end seal placed between the spindle collar and the upper end of the internal tide of the gear housing, which is made at the plane of the gearbox connector, thereby maximizing the length of the gap seals and facilitate access to the lip seal during repair or replacement. The use of three sequentially installed seals increases the reliability of the sealing of the discharge line and the durability of the gearbox by eliminating the ingress of pumped liquid into the internal cavity of the gearbox. To connect the driven gear to the spindle, the installation is equipped with a coupling flange and a two-position coupling mechanism, with the help of which the spindle shoulder is raised above the upper end of the internal tide of the gear housing by a regulated amount (upper position) during installation and the spindle is mounted with the shoulder on the end of the tide (lower position) during the repair of the lip seal. The unit is equipped with complexes of angular contact bearings and compensating couplings that are discretely mounted on the rod string and, respectively, stops for angular contact bearings that are discretely mounted on tubing.

Такое исполнение позволяет снизить осевую нагрузку на упорный подшипник редуктора, уменьшить силы трения штанг о трубы, а следовательно, и износ, повысить надежность и долговечность колонны штанг за счет снижения напряжений растяжений. This design allows you to reduce the axial load on the thrust bearing of the gearbox, reduce the friction forces of the rods on the pipe, and therefore wear, increase the reliability and durability of the rod string by reducing tensile stresses.

На чертеже представлена скважинная насосная установка. The drawing shows a downhole pumping unit.

Скважинная насосная установка состоит из винтового насоса, включающего статор 1 и ротор 2, колонны насосно-компрессорных труб 3, колонны штанг 4, двигателя 5, редуктора, содержащего корпус 6 с внутренним приливом 7, крышку 8, ведущий вал 9, на котором размещен подвижный блок шестерен 10, промежуточный вал с ведомыми зубчатыми колесами 12 быстроходной ступени, и колесом-шестерней 13 тихоходной ступени, шпиндель 14, соединенный с ведомым зубчатым колесом 15 посредством стяжного фланца 16, двухпозиционного стяжного механизма 17 и винтов 18, упорный подшипник 19, манжетное уплотнение 20, торцевое уплотнение 21, щелевое уплотнение 22. В колонну штанг 4 включены дискретно установленные комплексы из компенсирующих муфт 23 и радиально-упорных подшипников 24, взаимодействующих с упорами 25, установленными в колонне насосно-компрессорных труб 3. A downhole pump installation consists of a screw pump, including a stator 1 and a rotor 2, a tubing string 3, a rod string 4, an engine 5, a gearbox containing a housing 6 with an internal tide 7, a cover 8, a drive shaft 9, on which the movable gear unit 10, an intermediate shaft with driven gears 12 of a high-speed stage, and a gear wheel 13 of a low-speed stage, a spindle 14 connected to a driven gear 15 by a coupling flange 16, a two-position coupling mechanism 17 and screws 18, a thrust bearing IK 19, lip seal 20, mechanical seal 21, gap seal 22. Discrete assemblies of compensating couplings 23 and angular contact bearings 24 interacting with stops 25 installed in the tubing string 3 are included in the rod string 4.

Скважинная насосная установка работает следующим образом. Крутящий момент от двигателя 5 поступает на ведущий вал 9 редуктора, затем через одну из сопряженных пар зубчатых венцов блока шестерен 10 и ведомых зубчатых колес быстроходной ступени промежуточному валу 11, затем через шестерню 13 ведомому колесу 15 тихоходной ступени и через стяжной фланец 16, шпиндель 14, которой находится в верхней (рабочей) позиции, колонну штанг 4 с компенсирующими муфтами 24 ротору 2 винтового насоса. Откачиваемая жидкость проходит через отверстия в упорах 25 и радиально-упорных подшипниках 24, поднимается по внутренней полости колонны насосно- компрессорных труб 3 до устья и поступает в приемный коллектор (не показан). Для изменения производительности насоса блок шестерен 12 с помощью механизма перемещения блока (не показан) перемещается в требуемом осевом направлении до вхождения в зацепление соответствующего зубчатого венца блока шестерен 10 с одним из ведомых зубчатых колес 12 быстроходной ступени или с шестерней 13 тихоходной ступени. В последнем случае передаточное отношение редуктора определяется только отношением числа зубьев ведомого колеса 15 к числу зубьев соответствующего венца блока шестерен, а промежуточный вал работает в режиме оси, т.е. не испытывает напряжений кручения. Радиальная нагрузка, возникающая в зацеплении блока шестерен 10 с шестерней 13, компенсируется радиальной нагрузкой в зацеплении шестерни с ведомым колесом 15, что повышает долговечность и надежность вала и подшипника. Downhole pumping unit operates as follows. Torque from the engine 5 is supplied to the drive shaft 9 of the gearbox, then through one of the conjugate pairs of gears of the gear block 10 and the driven gears of the high-speed stage to the intermediate shaft 11, then through the gear 13 of the driven wheel 15 of the low-speed stage and through the coupling flange 16, spindle 14 , which is located in the upper (working) position, the rod string 4 with expansion joints 24 to the rotor 2 of the screw pump. The pumped liquid passes through the holes in the stops 25 and the angular contact bearings 24, rises along the inner cavity of the tubing string 3 to the mouth and enters the intake manifold (not shown). To change the pump performance, the block of gears 12, using the block moving mechanism (not shown), moves in the required axial direction until the corresponding gear rim of the block of gears 10 engages with one of the driven gears 12 of the high-speed stage or with the gear 13 of the low-speed stage. In the latter case, the gear ratio of the gearbox is determined only by the ratio of the number of teeth of the driven wheel 15 to the number of teeth of the corresponding crown of the gear block, and the countershaft operates in the axis mode, i.e. does not experience torsional stress. The radial load occurring in the engagement of the gear block 10 with the gear 13 is compensated by the radial load in the engagement of the gear with the driven wheel 15, which increases the durability and reliability of the shaft and bearing.

Вес столба жидкости, действующей на ротор, передается через первый от насоса радиально-упорный подшипник 24 упору 25 и далее колонне труб 3. Муфты 23 компенсируют радиальные, угловые и осевые смещения относительно друг друга двух соединяемых участков колонны штанг, причем благодаря запасу осевого хода нижний конец верхнего участка колонны штанг становится свободно подвешенным. Муфты 23 установлены непосредственно над радиально-упорными подшипниками, т.е. образуют с ними комплексы, благодаря чему исключается возможность потери устойчивости части колонны штанг между подшипником и муфтой под действием собственного веса. The weight of the liquid column acting on the rotor is transmitted through the first angular contact bearing 24 from the pump 24 to the stop 25 and then to the pipe string 3. The couplings 23 compensate for the radial, angular and axial displacements of the two connecting sections of the rod string relative to each other, and due to the lower axial range the end of the upper section of the rod string becomes freely suspended. Clutches 23 are mounted directly above the angular contact bearings, i.e. form complexes with them, thereby eliminating the possibility of loss of stability of a part of the rod string between the bearing and the clutch under its own weight.

Остальные комплексы, количество и место установки которых зависит от глубины и профиля скважины, служат для передачи веса колонны штанг насосно-компрессорным трубам, благодаря чему регулируются напряжения растяжения в колонне штанг и повышается ее надежность и долговечность. Применение комплексов из радиально-упорных подшипников и компенсирующих муфт позволяет свести к минимуму осевую нагрузку на упорный подшипник 19 редуктора, что повышает его надежность и долговечность, а т.к. размеры этого подшипника в основном определяют размеры редуктора, то уменьшаются габариты и металлоемкость привода. Для замены элементов манжетного уплотнения 20 шпиндель 14 с помощью двухпозиционного стяжного механизма 17 осаживается вниз до посадки его бурта на верхний торец внутреннего прилива 7 корпуса 6, затем раскрепляются винты 18 и снимается стяжной фланец 16. В это время герметизация линии нагнетания от дневной поверхности осуществляется за счет щелевого уплотнения 22 и торцевого уплотнения 21, работающего в статистическом режиме. The remaining complexes, the number and location of which depends on the depth and profile of the well, are used to transfer the weight of the rod string to the tubing, due to which tensile stresses in the rod string are regulated and its reliability and durability are increased. The use of complexes of angular contact bearings and compensating couplings allows to minimize the axial load on the thrust bearing 19 of the gearbox, which increases its reliability and durability, as Since the dimensions of this bearing mainly determine the dimensions of the gearbox, the dimensions and metal consumption of the drive are reduced. To replace the elements of the lip seal 20, the spindle 14 with the two-position clamping mechanism 17 is deposited down until its collar fits on the upper end of the inner tide 7 of the housing 6, then the screws 18 are loosened and the coupling flange 16 is removed. At this time, the discharge line is sealed from the surface for due to the gap seal 22 and the mechanical seal 21 operating in a statistical mode.

Положительный эффект достигается за счет нетрудоемкого оперативного регулирования производительности насоса изменением частоты вращения ротора насоса, а следовательно, выбором оптимального режима работы пласта, сокращением частоты и длительности простоев установок, вызываемых необходимостью ремонта деталей редуктора и элементов уплотнения, повышением экологической безопасности за счет сведения к минимуму вероятности излива жидкости за счет повышения надежности и долговечности установки. The positive effect is achieved due to the non-laborious operational control of the pump performance by changing the rotor speed of the pump, and therefore by choosing the optimal mode of the formation, reducing the frequency and duration of plant downtime caused by the need to repair gear parts and sealing elements, increasing environmental safety by minimizing the likelihood spill of liquid by increasing the reliability and durability of the installation.

Предлагаемое изобретение может быть использовано на месторождениях с любыми технико-технологическими параметрами, скважины которого оснащены глубинными насосами с наземными вращателями колонны штанг. The present invention can be used in fields with any technical and technological parameters, the wells of which are equipped with deep pumps with surface rotators of the rod string.

Claims

1. A downhole pump installation, including a tubing string, a screw pump, a boom string, a two-stage gearbox with a sealed housing, a lip seal and a thrust bearing, characterized in that the pump spindle mounted on the boom string is connected to the gear driven gear wheel, at the same time, a movable block of gears is placed on the drive shaft of the gearbox, and on the intermediate shaft the driven gears of the high-speed and low-speed steps are installed, installed with the possibility of interaction with one of the teeth atyh rims movable gear unit.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a gap seal formed by the inner surface of the internal tide of the gear housing and the spindle, and an end seal located between the spindle shoulder and the upper end of the internal tide of the gear housing, which is made at the level of the connector plane gearbox.

3. The installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a coupling flange connecting the driven gear wheel to the spindle, and a two-position coupling mechanism, ensuring the repair and working position of the spindle.

4. The installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with complexes discretely mounted on the rod string, each consisting of an angular contact bearing and a compensating sleeve mounted directly above the angular contact bearing, and accordingly discretely mounted on the tubing string stops for angular contact bearings.