RU2191925C1

RU2191925C1 - Movable-electrode tube oil pumping unit

Info

Publication number: RU2191925C1
Application number: RU2001103272A
Authority: RU
Inventors: В.О. Астанин; Б.В. Литвинов; В.М. Сергиенко; К.И. Старчеус; В.В. Хомяков
Original assignee: ООО "Сибирь-Мехатроника"
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-10-27

Abstract

FIELD: drives of oil-well sucker rod pump units directly articulated with casing pipes. SUBSTANCE: movable-electrode tube oil pumping unit includes electric motor, screw converter for conversion of rotary motion to translational motion and energy recuperator containing pneumatic cylinders and receivers. Said movable-electrode tube oil pumping unit is provided with electric motor mounted on housing. Electric motor shaft is articulated with screw of screw converter mounted in bearings. Motion nut of screw converter is articulated with motion rods running in through holes of end shield and connected with axial force transfer member. Pneumatic cylinder body is connected with movable-electrode tube oil pumping unit housing; piston rod of pneumatic cylinder is received by through hole of end shield and is articulated with axial force transfer member. Ends of exhaust branch pipes of pneumatic cylinder are received by holes of electric motor protective casing. EFFECT: reduced mass of pumping unit; increased service life. 6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике для добычи нефти, в частности к приводу скважинных штанговых насосных установок, непосредственно сочлененных с обсадными трубами, и может быть использовано при добыче пластовых жидкостей из нефтяных и других скважин. The invention relates to techniques for oil production, in particular to the drive of well sucker rod pump units directly connected to casing pipes, and can be used in the production of formation fluids from oil and other wells.

Известна мехатронная нефтекачалка (патент США 3691858, кл. Н 02 К 7/10, "Электропривод"), содержащая корпус, электродвигатель, жестко сочлененный с корпусом, преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из винта, соединенного посредством передаточного звена, например редуктора, с валом электродвигателя, и ходовой гайки, сочлененной посредством трубы с элементом передачи осевого усилия. Known mechatronic oil pump (US patent 3691858, CL N 02 K 7/10, "Electric"), comprising a housing, an electric motor, rigidly articulated with the housing, a rotational motion translational translator, consisting of a screw connected via a transmission link, such as a gear, with an electric motor shaft, and a driving nut articulated by means of a pipe with an axial force transmission element.

Недостатком известной мехатронной нефтекачалки, работающей в режиме однонаправленной осевой нагрузки (например, за счет веса штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважине), является повышенное энергопотребление из-за невозможности обеспечения рекуперации энергии посредством ее накопления в пассивном режиме холостого хода (например, при опускании штанговой колонны в скважину) и использовании ее в активном режиме (например, при подъеме нефти на поверхность земли). A disadvantage of the known mechatronic oil pump operating in the unidirectional axial load mode (for example, due to the weight of the rod string and the plunger pump in the oil well) is the increased energy consumption due to the inability to ensure energy recovery through its accumulation in the passive idle mode (for example, when lowering the rod columns into the well) and its use in active mode (for example, when lifting oil to the surface of the earth).

Известна также мехатронная нефтекачалка (а.с. СССР 989139, кл. F 04 В 47/02, "Привод скважинной штанговой насосной установки"), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения, содержащая фундамент с рельсовыми путями, корпус, электродвигатель, жестко соединенный с корпусом, блок управления с датчиками реверса, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из гайки, жестко сочлененной с ротором электродвигателя, и ходового винта, механический рекуператор энергии, включающий в себя два вращающихся элемента с размещенными на них гибкими звеньями, концы которых шарнирно соединены с одной стороны с противовесом, а с другой - с траверсой, связанной с колонной насосных штанг. Also known is a mechatronic oil pump (AS USSR 989139, class F 04 B 47/02, "Well sucker rod pump drive"), which is the prototype of the present invention, containing a foundation with rail tracks, a housing, an electric motor rigidly connected to the housing, a control unit with reverse sensors, a rotary to translational screw transducer consisting of a nut rigidly coupled to the electric motor rotor and a lead screw, a mechanical energy recuperator including two rotating elements with nnym them flexible links, the ends of which are hinged on one side with a counterweight on the other - with cross connected with the rod string.

Достоинством известной мехатронной нефтекачалки является наличие механического рекуператора энергии в виде противовеса, компенсирующего вес штанговой колонны с плунжерным насосом, благодаря которому снижается мощность электродвигателя и, как результат, уменьшается энергопотребление привода. The advantage of the well-known mechatronic oil pump is the presence of a mechanical energy recuperator in the form of a counterweight, compensating for the weight of the rod string with a plunger pump, which reduces the motor power and, as a result, reduces the energy consumption of the drive.

Недостатками известной мехатронной нефтекачалки являются пониженный ресурс, обусловленный консольностью закрепления винта преобразователя вращательного движения в поступательное и негерметичностью корпуса привода за счет наличия в нем прорезей для пропуска гибких элементов, соединяющих через шкив противовес и траверсу, связанную с колонной насосных штанг, что предопределяет возможность заноса посредством гибких элементов загрязнений из атмосферы на винт преобразователя вращательного движения в поступательное. Недостатком известной нефтекачалки является также значительная собственная масса, обусловленная наличием противовеса. Кроме того, известная мехатронная нефтекачалка характеризуется недостаточным вентиляционным обдувом электродвигателя вследствие низкой частоты вращения управляемого реверсивного электродвигателя при непосредственном сочленении ротора с винтовым преобразователем вращательного движения в поступательное. Вращение вентилятора, сочлененного с валом электродвигателя, с частотой, значительно меньшей по сравнению с номинальной, обуславливает неэффективность работы встроенного вентилятора. Это обстоятельство предопределяет необходимость использования в мехатронной нефтекачалке электродвигателя заведомо большей мощности, что неизбежно приведет к возрастанию ее массы. The disadvantages of the known mechatronic oil pump are a reduced resource due to the cantilever of fixing the screw of the rotary motion transducer to the translational and leakage of the drive housing due to the presence of slots in it for the passage of flexible elements connecting the counterweight and the traverse through the pulley connected to the pump rod string, which determines the possibility of skidding flexible elements of pollution from the atmosphere to the screw of the converter of rotational motion into translational. A disadvantage of the known oil pump is also a significant dead weight due to the presence of a counterweight. In addition, the well-known mechatronic oil pump is characterized by insufficient ventilation blowing of the electric motor due to the low speed of the controlled reversible electric motor with direct articulation of the rotor with a screw transducer of rotational motion into translational. The rotation of the fan, coupled to the motor shaft, with a frequency significantly lower than the nominal one, determines the inefficiency of the built-in fan. This circumstance predetermines the necessity of using an obviously higher power motor in the mechatronic oil pump, which will inevitably lead to an increase in its mass.

Задачей изобретения является создание мехатронной нефтекачалки с увеличенным ресурсом и уменьшенной общей массой. The objective of the invention is the creation of a mechatronic oil pump with an increased resource and a reduced total mass.

Это достигается тем, что мехатронная нефтекачалка, содержащая корпус, электродвигатель, сочлененный с корпусом, блок управления с датчиками реверса, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из ходовой гайки и винта, сочлененного посредством передаточного звена с валом электродвигателя, снабжена минимум одним пневмоцилиндром, сочлененным с корпусом нефтекачалки, который, в свою очередь, снабжен подшипниковым щитом с минимум двумя сквозными отверстиями, винт преобразователя установлен в подшипнике указанного щита, ходовая гайка снабжена минимум одним штоком, расположенным в одном из сквозных отверстий щита и своим концом сочлененным с элементом передачи осевого усилия, поршневой шток пневмоцилиндра расположен в другом сквозном отверстии подшипникового щита и сочленен с элементом передачи осевого усилия, электродвигатель мехатронной нефтекачалки снабжен защитным кожухом с минимум одним отверстием, пневмоцилиндр снабжен выхлопным патрубком, конец которого расположен в указанном отверстии. This is achieved by the fact that the mechatronic oil pump, comprising a housing, an electric motor articulated with the housing, a control unit with reverse sensors, a rotary translational screw translator, consisting of a running nut and a screw, articulated by means of a transmission link with the motor shaft, is equipped with at least one pneumatic cylinder, articulated to the oil pump housing, which, in turn, is equipped with a bearing shield with at least two through holes, the converter screw is installed in the bearing of the specified shield, the running nut is equipped with at least one rod located in one of the through holes of the shield and its end articulated with the axial force transmission element, the piston rod of the pneumatic cylinder is located in the other through hole of the bearing shield and articulated with the axial force transmission element, the mechatronic oil pump motor is equipped with a protective casing with at least one hole, the pneumatic cylinder is equipped with an exhaust pipe, the end of which is located in the specified hole.

Также мехатронная нефтекачалка может быть снабжена подшипниковым щитом и минимум одним ресивером, одна из торцовых поверхностей которого соединена с подшипниковым щитом, а другая - с опорным щитом. Also, the mechatronic oil pump can be equipped with a bearing shield and at least one receiver, one of the end surfaces of which is connected to the bearing shield, and the other to the supporting shield.

Кроме того, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена датчиками скорости перемещения и положения штангового насоса, датчиком уровня нефти в скважине, установленным на устьевой части обсадной трубы. In addition, the mechatronic oil pump can be equipped with sensors for the speed of movement and the position of the rod pump, an oil level sensor in the well, mounted on the wellhead of the casing.

Также мехатронная нефтекачалка может быть снабжена тормозом, фиксирующим ходовую гайку преобразователя вращательного движения в поступательное в требуемом положении. Also, the mechatronic oil pump can be equipped with a brake, which fixes the running nut of the transducer of rotational motion to translational in the required position.

Кроме того, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена шарнирным элементом, неподвижная часть которого соединена с пьедесталом, жестко сочлененным с обсадной трубой нефтескважины, а подвижная часть сочленена с опорным щитом. In addition, the mechatronic oil pump can be equipped with a hinge element, the fixed part of which is connected to a pedestal rigidly articulated with the casing of the oil well, and the movable part is articulated with a support shield.

Также, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена, как минимум, тремя расчалками. Also, the mechatronic oil pump can be equipped with at least three braces.

На чертеже изображена предложенная мехатронная нефтекачалка (система управления работой электродвигателя и датчики реверса не приводятся). The drawing shows the proposed mechatronic oil pump (the control system of the electric motor and the reverse sensors are not given).

Мехатронная нефтекачалка представляет собой совмещенную конструкцию электродвигателя 1, датчиков положения и скорости 2, преобразователя вращательного движения в поступательное, состоящего из ходовой гайки 3 и винта 4, а также пневматического рекуператора энергии, состоящего из пневмоцилиндров 5 и ресиверов 6. Электродвигатель 1 жестко сочленен с корпусом 7, снабженным двумя щитами 8 и 9, в подшипниках 10 и 11 которых установлен винт 4 преобразователя вращательного движения в поступательное. Подшипниковый щит 9 (со стороны элемента передачи осевого усилия 12, сочлененного с колонной штанг 13) снабжен сквозными отверстиями, через которые проходят штоки 14, одним своим концом сочлененные с ходовой гайкой 3, а другим - с элементом передачи осевого усилия 12 (на чертеже в качестве примера показаны два штока 14), а также штоки 15, одним своим концом сочлененные с поршнем 16 пневмоцилиндра 5, а другим - с элементом передачи осевого усилия 12 (на чертеже в качестве примера показаны два штока 15). Винт 4 преобразователя вращательного движения в поступательное сочленен с валом электродвигателя 1. Корпусы 17 пневмоцилиндров 5 (в качестве примера на чертеже представлено два пневмоцилиндра) присоединены к корпусу 7 нефтекачалки. Концевые части выхлопных патрубков 18 пневмоцилиндров 5 (в качестве примера на чертеже представлено два выхлопных патрубка) установлены в отверстиях защитного кожуха 19 электродвигателя 1. Ресиверы 6 (в качестве примера на чертеже представлены четыре цилиндрических ресивера, трубопроводы, их соединяющие, не показаны) одним своим торцом соединены с платформой нефтекачалки 20, другим - с подшипниковым щитом 9. Ресиверы 6, выполняя свое основное назначение, являются одновременно конструктивными элементами фермы, сочленяющей корпус 7 привода с платформой 20 нефтекачалки. Неподвижная часть шарнирного элемента 21 сочленена с пьедесталом 22 (платформа на устьевой части обсадной трубы 23), а подвижная часть сочленена с платформой 20 нефтекачалки. Датчик уровня нефти в скважине 24 (например, акустический глубиномер) установлен на обсадной трубе 23 нефтескважины. Противодействие ветровому напору на мехатронную нефтекачалку осуществляется за счет расчалок 25 (в качестве примера на чертеже представлено четыре расчалки). The mechatronic oil pump is a combined design of an electric motor 1, position and speed sensors 2, a rotary motion translator, consisting of a driving nut 3 and a screw 4, as well as a pneumatic energy recuperator, consisting of pneumatic cylinders 5 and receivers 6. Electric motor 1 is rigidly coupled to the housing 7, equipped with two shields 8 and 9, in the bearings 10 and 11 of which a screw 4 of the transducer of rotational motion to translational is installed. The bearing shield 9 (from the side of the axial force transmission element 12, articulated with the rod string 13) is provided with through holes through which the rods 14 pass, articulated at one end with the spindle nut 3, and the other with the axial force transmission element 12 (shown in two rods 14) are shown as an example, as well as rods 15, one end connected to the piston 16 of the pneumatic cylinder 5, and the other to the axial force transmission element 12 (two rods 15 are shown as an example). The screw 4 of the rotary to translational motion converter is coupled to the shaft of the electric motor 1. The housings 17 of the pneumatic cylinders 5 (two pneumatic cylinders are shown in the drawing) are connected to the oil pump casing 7. The end parts of the exhaust pipes 18 of the pneumatic cylinders 5 (as an example, two exhaust pipes are shown in the drawing) are installed in the holes of the protective casing 19 of the electric motor 1. Receivers 6 (four cylindrical receivers are shown in the drawing, the pipelines connecting them, not shown) are one of their own end connected to the platform 20, the other to the bearing shield 9. Receivers 6, fulfilling its main purpose, are simultaneously structural elements of the farm, articulating the housing 7 of the drive with pl Atforma 20 oil rigs. The fixed part of the hinge element 21 is articulated with the pedestal 22 (the platform on the wellhead of the casing 23), and the movable part is articulated with the platform 20 of the oil pump. The oil level sensor in the well 24 (for example, an acoustic depth gauge) is installed on the casing 23 of the oil well. The wind pressure on the mechatronic oil pump is counteracted by braces 25 (four braces are shown as an example in the drawing).

Мехатронная нефтекачалка работает следующим образом. При подаче напряжения от блока управления на электродвигатель 1 его вал, а следовательно, и сочлененный с ним винт 4 начинают вращаться. Ходовая гайка 3 при этом периодически перемещается в ту или другую сторону в зависимости от направления вращения вала электродвигателя. Периодически в ту или иную сторону будет также перемещаться элемент передачи осевого усилия 12, связанный с ходовой гайкой 3 посредством штоков 14. Наличие щита 9 и установка винта 4 преобразователя вращательного движения в поступательное в двух подшипниках 10 и 11 устраняет консольность винта, имеющую место в прототипе. В результате возрастает прочность конструкции и, как следствие, повышается ресурс нефтекачалки. Герметичность корпуса 7, внутри которого находится преобразователь вращательного движения в поступательное (например, роликовинтовой), предохраняет от загрязнения ходовую гайку 3 и винт 4. В результате уменьшается износ элементов преобразователя и повышается ресурс мехатронной нефтекачалки. Mechatronic oil pump works as follows. When voltage is applied from the control unit to the electric motor 1, its shaft, and therefore the screw 4 connected to it, begin to rotate. In this case, the running nut 3 periodically moves to one side or the other, depending on the direction of rotation of the motor shaft. From time to time, an axial force transmission element 12 will also be moved in one direction or another, connected with the driving nut 3 by means of rods 14. The presence of a shield 9 and installation of the rotary motion converter screw 4 in the translational bearings in two bearings 10 and 11 eliminates the screw cantilever that occurs in the prototype . As a result, the structural strength increases and, as a result, the oil pumping resource increases. The tightness of the housing 7, inside which there is a transducer of rotational motion to translational (for example, a roller screw), protects the spindle nut 3 and screw 4 from contamination. As a result, the wear of the converter elements decreases and the lifetime of the mechatronic oil pump increases.

Использование в качестве рекуператора энергии пневмоцилиндров 5 с ресиверами 6 позволяет существенно снизить собственную массу нефтекачалки, поскольку масса пневмоцилиндра совместно с ресивером значительно меньше массы противовеса, соответствующей массе штанговой колонны и плунжерного насоса (в пределах нескольких тонн). The use of energy of pneumatic cylinders 5 with receivers 6 as a recuperator can significantly reduce the own weight of the oil pump, since the mass of the pneumatic cylinder together with the receiver is much less than the mass of the counterweight corresponding to the mass of the rod string and plunger pump (within a few tons).

Особенностью работы реверсивного электродвигателя, используемого в приводе известной и предлагаемой нефтекачалок, является пониженная частота вращения. Естественно, что штатный вентилятор электродвигателя, находящийся на валу ротора и вращающийся с пониженной скоростью, не может выполнить свою основную функцию - отвод тепла, выделяемого электродвигателем. В результате появляется необходимость либо введения дополнительного вентилятора и электродвигателя, его вращающего, либо использовать реверсивный электродвигатель заведомо большей мощности. И то и другое приводит к увеличению собственной массы нефтекачалки. В предлагаемой конструкции мехатронной нефтекачалки воздух из надпоршневого объема пневмоцилиндров 5 через патрубки 18 поступает внутрь защитного кожуха 19, обтекая поверхность электродвигателя 1. При опускании штанговой колонны поршень 16 пневмоцилиндра движется вниз. Засасываемый из атмосферы воздух обтекает электродвигатель, охлаждая его поверхность. При подъеме нефти из скважины поршень 16 пневмоцилиндра движется вверх, выталкивая надпоршневой воздух в защитный кожух 19. Таким образом, охлаждение электродвигателя осуществляется непрерывно. Наличие достаточно эффективного охлаждения позволяет использовать в приводе электродвигатель меньшей мощности, следствием чего является снижение собственной массы нефтекачалки. A feature of the reversible electric motor used in the drive of the known and proposed oil rigs is a reduced rotational speed. Naturally, a regular electric motor fan located on the rotor shaft and rotating at a reduced speed cannot fulfill its main function - the removal of heat generated by the electric motor. As a result, it becomes necessary either to introduce an additional fan and an electric motor rotating it, or to use a reversible electric motor of obviously greater power. Both that and another leads to an increase in the own mass of the oil pump. In the proposed design of the mechatronic oil pump, air from the piston volume of the pneumatic cylinders 5 through the nozzles 18 enters the protective casing 19, flowing around the surface of the electric motor 1. When lowering the rod string, the piston 16 of the pneumatic cylinder moves down. Air drawn in from the atmosphere flows around the electric motor, cooling its surface. When lifting oil from the well, the piston of the pneumatic cylinder 16 moves upward, pushing the above-piston air into the protective casing 19. Thus, the electric motor is cooled continuously. The presence of sufficiently effective cooling makes it possible to use a lower power electric motor in the drive, which results in a decrease in the own weight of the oil pump.

Конструкция предложенной нефтекачалки позволяет исключить фундамент и установить мехатронную нефтекачалку непосредственно на обсадную трубу 23 нефтескважины, что приводит к дальнейшему снижению массы нефтекачалки. The design of the proposed oil pump allows you to exclude the foundation and install mechatronic oil pump directly on the casing 23 of the oil well, which leads to a further decrease in the mass of the oil pump.

Кроме того, наличие датчика 24 уровня нефти в скважине, а также датчиков положения и скорости перемещения плунжерного насоса 2 позволяет организовать замкнутую систему управления работой привода, что предопределяет возможность оперативно изменять величину погружения и скорость перемещения насоса в зависимости от дебита скважины и кондиции нефти, следствием чего является оптимальный характер работы нефтекачалки с максимальным коэффициентом полезного действия и минимальными энергозатратами. In addition, the presence of a sensor 24 of the oil level in the well, as well as position and speed sensors of the plunger pump 2 allows you to organize a closed drive control system, which determines the ability to quickly change the amount of immersion and speed of the pump depending on the flow rate and condition of the oil, resulting which is the optimal nature of the operation of the oil pump with a maximum efficiency and minimum energy consumption.

В предлагаемой нефтекачалке функцию рельсовых путей, обеспечивающих перемещение нефтекачалки по прототипу в сторону от обсадной трубы, выполняет шарнирное звено 21, позволяющее осуществлять наклон нефтекачалки в нужных пределах (за счет изменения длин расчалок), освобождая устье обсадной трубы для регламентных работ на скважине. Таким образом, введение шарнирного звена 21 позволяет устранить фундамент и рельсовые пути и, как следствие, снизить массу мехатронной нефтекачалки и упростить ее конструкцию. In the proposed oil pumping station, the function of the rail tracks that ensure the oil pumping of the prototype to the side of the casing is performed by the hinge link 21, which allows the oil pump to be tilted to the required limits (by changing the lengths of the braces), freeing the casing mouth for routine maintenance on the well. Thus, the introduction of the articulated link 21 allows you to eliminate the foundation and rail tracks and, as a result, reduce the mass of the mechatronic oil pump and simplify its design.

Наличие в предлагаемой мехатронной нефтекачалке тормоза, фиксирующего ходовую гайку 3 и штанговую колонну 13 в требуемом положении, позволяет упростить регламентные работы (например, ремонт и замену пневмоцилиндров). The presence in the proposed mechatronic oil pump of the brake, fixing the driving nut 3 and the rod string 13 in the required position, simplifies routine maintenance (for example, repair and replacement of pneumatic cylinders).

Кроме того, размещение сочлененных с ходовой гайкой 3 штоков 14 в сквозных отверстиях подшипникового щита 9 предопределяет невозможность проворачивания ходовой гайки 3. Вследствие этого, отпадает необходимость в специальных устройствах фиксации ходовой гайки 3 от проворачивания, что приводит к упрощению конструкции. In addition, the placement of the rods 14 connected to the driving nut 3 in the through holes of the bearing shield 9 makes it impossible to turn the driving nut 3. As a result, there is no need for special devices to fix the driving nut 3 from turning, which simplifies the design.

Claims

1. Mechatronic oil pump containing a housing, an electric motor coupled to the housing, an energy recuperator, a control unit with reverse sensors, a rotary translational screw translator, consisting of a nut and a screw coupled by means of a transmission link to the motor shaft, characterized in that it is provided an element of the transmission of axial force, the energy recuperator is made in the form of at least one pneumatic cylinder articulated with an oil pump housing, which, in turn, is equipped with a bearing With at least two through holes, the converter screw is installed in the bearing of the specified shield, the running nut is equipped with at least one rod located in one of the through holes of the shield and its end articulated with the axial force transmission element, the piston rod of the pneumatic cylinder is located in the other through hole of the bearing shield and articulated with an axial force transmission element, the electric motor is equipped with a protective casing with at least one hole, the pneumatic cylinder is equipped with an exhaust pipe, the end of which is located wives in the indicated hole.

2. Mechatronic oil pumping station according to claim 1, characterized in that it is equipped with a support shield, and the energy recuperator has an additional at least one receiver, one end surface of which is connected to the bearing shield and the other to the support shield.

3. Mechatronic oil pumping station according to claim 2, characterized in that it is equipped with a hinge element, the fixed part of which is connected to a pedestal rigidly articulated with the casing of the oil well, and the movable part - with a support shield.

4. Mechatronic oil pump according to claim 1, characterized in that it is equipped with a position sensor, a linear velocity sensor for the axial force transmission element and a well oil level sensor installed on the wellhead of the casing.

5. Mechatronic oil pump according to claim 1, characterized in that the rotary to translational translator is equipped with a brake.

6. Mechatronic oil pumping station according to claim 1, characterized in that it is equipped with at least three braces.