RU221892U1 - Привод скважинного штангового насоса - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технологии механизированной добычи нефти, а, точнее к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии. Сущность полезной модели заключается в том, что привод скважинного штангового насоса содержит электромеханический узел и уравновешивающее устройство, электромеханический узел выполнен в виде мотора-редуктора, на выходном валу которого установлена зубчатая шестерня, взаимодействующая с зубчатой рейкой, а уравновешивающее устройство включает гидроцилиндр с поршнем, подпоршневая полость которого сообщена с пневмогидравлическим аккумулятором, причём основной шток, связанный с поршнем, обеспечивает возможность соединения с колонной штанг СШН, а дополнительный шток, установленный соосно и оппозитно основному штоку и выведенный за пределы гидроцилиндра, связан с ближайшим концом зубчатой рейки, при этом мотор-редуктор и гидроцилиндр смонтированы на вышке, установленной на общей с пневмогидравлическим аккумулятором платформе. Техническим результатом является упрощение конструкции привода СШН и повышение надёжности его работы за счёт того, что привод СШН представляет собой гибридное устройство, в котором объединены конструкционно простой и надёжный электромеханический узел и обычный гидроцилиндр, являющийся частью уравновешивающего устройства. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к технологии механизированной добычи нефти, а точнее, к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.

К настоящему времени наибольшее распространение в качестве привода скважинных штанговых насосов (СШН) получили балансирные станки-качалки (СК). Данный тип привода имеет значительные преимущества такие как высокие надежность, долговечность и энергоэффективность.

Типичная конструкция СК содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока. 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 канатной подвеской колонны штанг насоса. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и компенсирует нагрузку со стороны левой части балансира [SU 1333838].

Типичными недостатками практически любого СК являются:

1. Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.

2. Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом привода (капитальные затраты).

3. Высокая стоимость замены СК или ее узлов вследствие большой массы.

4. Низкий срок службы редуктора из-за 100% продолжительности включения.

5. Неудовлетворительное центрирование канатной подвески, обусловленное неточностью изготовления головки балансира и приводящее к ускоренному износу устьевого уплотнения.

6. Неудобство перестановки пальцев шатунов.

7. Высокая трудоемкость перемещения противовесов в процессе уравновешивания.

8. Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, что снижает безопасность обслуживания.

Следует отметить, что конструкция СК продолжает совершенствоваться, избавляясь от части перечисленных выше недостатков. В частности, это достигается путем выполнения привода СШН 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.

Наряду с балансирными СК, последние 30 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода СШН, отличающиеся значительным конструктивным разнообразием.

Так, относительно широкое распространение получили цепные приводы СШН, которые позволяют значительно увеличить длину хода полированного шока 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.

Кинематическая и конструктивная сложности описанного безбалансирного цепного привода СШН, несмотря на существенное превосходство его по техническим параметрам над традиционными СК, ведет к значительному снижению надежности его работы.

Высокая доля геолого-технических мероприятий в структуре ремонтов скважин явилась одной из существенных причин увеличения объемов применения гидравлических приводов СШН, главным преимуществом которых стала относительно высокая мобильность и быстрота монтажа после проведения подземного ремонта на скважине.

Примером конструкции гидравлического привода СШН является таковой, описанный в патенте SU 1585552. Привод содержит гидравлический цилиндр, шток которого связан с помощью муфты и колонны 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.

Основными недостатками описанного гидравлического привода СШН являются следующие:

наличие насосного блока, отличающегося конструктивной сложностью, для которого необходима подготовка основания;

повышенное энергопотребление, ввиду отсутствия, уравновешивающего колонну штанг устройства;

низкая надежность при работе в условиях пониженных температур, характерных для северных регионов;

наличие гидравлических шлангов, работающих под давлением, что ведет к снижению уровня безопасности;

относительно дорогое профилактическое обслуживание.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является гидравлический привод СШН, описанный в RU 2196923. Его конструкция свободна от ряда недостатков аналогов, в частности, высокого энергопотребления, компенсируемого уравновешивающим устройством, которое связано с приводом подъема колонны штанг.

Привод скважинного штангового насоса (СШН) по RU 2196923 содержит гидроцилиндр, установленный над устьем скважины. Наружный цилиндр и внутренний цилиндр гидроцилиндра соединены прочно и герметично между собой через нижнее днище. На наружном цилиндре установлено верхнее днище, на котором размещен цилиндрический кожух. В полости, образованной между концентрично расположенными наружным и внутренним цилиндрами и нижним днищем, установлен цилиндрический ступенчатый поплавок, выполненный из концентрично расположенной наружной оболочки и внутренней оболочки, нижнего днища и верхнего днища с образованием замкнутой герметичной кольцевой полости. В верхней части поплавка установлена крышка, соединенная посредством гибкой связи (троса) с подвеской устьевого штока. На наружном цилиндре установлены концевые выключатели. Полость сообщена через трубопровод, на котором размещены вентили, с внутренней полостью пневмогидроаккумулятора (пневмогидравлический аккумулятор). Последний снабжен вентилятором и его приводом (например, электродвигателем), управляемым вентилем, предохранительным клапаном, устройством для компенсации утечки рабочей жидкости через вентиль.

Привод СШН работает следующим образом. Перед запуском и при необходимости во время работы заполняют через вентиль рабочей жидкостью (водой, антифризом, маслом) пневмогидроаккумулятор и сообщающийся с ним гидроцилиндр через трубопровод и вентиль до уровня, обеспечивающего достижение выталкивающей силы на поплавке, уравновешивающей основную часть общей массы колонны штанг и поплавка в объеме 80%. Затем, производят установку концевых выключателей в положениях, соответствующих положению поплавка в верхней и нижней мертвых точках, расстояния между которыми равно заданной длине хода устьевого штока. При положении поплавка в нижней мертвой точке происходит срабатывание концевого выключателя и через управляющее устройство формируется сигнал на управляемый вентиль. Сжатый воздух, поступающий от вентилятора, вытесняет рабочую жидкость из пневмогидроаккумулятора в гидроцилиндр и обеспечивает всплытие поплавка и подъем колонны скважинного штангового насоса. При достижении поплавком верхней мертвой точки происходит срабатывание концевого выключателя и через управляющее устройство формируется сигнал для сброса через управляющий вентиль сжатого воздуха из полости пневмогидроаккумулятора, в результате чего колонна штанг скважинного штангового насоса под действием неуравновешенной массы колонны штанг и поплавка перемещается вниз. При закрытии вентиля обеспечивается при необходимости фиксации колонны штанг в положении ее нахождения в этот момент. Слив рабочей жидкости из системы производится при открытии вентиля.

Привод СШН прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в сложности конструкции насосного блока, включающего гидроцилиндр, который сочетает в себе две функции: первая - возвратно-поступательное перемещение штока скважинного насоса и вторая уравновешивание общей массы колонны штанг и поплавка. Такое устройство гидроцилиндра предполагает наличие в последнем конструкционных элементов, которые являются общими как для собственно гидроцилиндра, так и для уравновешивающего устройства, выполненного в виде пневмогидроаккумулятора. Это обстоятельство имеет значительное влияние на эксплуатационную надежность привода СШН в связи с тем, что ремонтно-профилактические работы со средством перемещения штока скважинного насоса или уравновешивающего устройства ведут к прекращению работы всего привода СШН из-за необходимости полной разборки последнего. Снижению надежности работы привода СШН способствует и насыщенность средства управления жидкостными вентилями, особенно в условиях пониженных температур.

Таким образом, задачей полезной модели является упрощение конструкции привода СШН и повышение его эксплуатационной надежности.

Поставленная задача решается за счет того, что привод скважинного штангового насоса, содержит электромеханический узел и уравновешивающее устройство, электромеханический узел выполнен в виде мотор-редуктора, на выходном валу которого установлена зубчатая шестерня, взаимодействующая с зубчатой рейкой, а уравновешивающее устройство включает гидроцилиндр с поршнем, подпоршневая полость которого сообщена с пневмогидравлическим аккумулятором, причем основной шток, связанный с поршнем, обеспечивает возможность соединения с колонной штанг СШН, а дополнительный шток, установленный соосно и оппозитно основному штоку, и выведенный за пределы гидроцилиндра, связан с ближайшим концом зубчатой рейки, при этом мотор-редуктор и гидроцилиндр смонтированы на вышке, установленной на общей с пневмогидравлическим аккумулятором платформе.

Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции привода СШН и повышение надежности его работы за счет того, что привод СШН по полезной модели представляет собой гибридное устройство, в котором объединены конструкционно простой и надежный электромеханический узел, и обычный гидроцилиндр, являющийся частью уравновешивающего устройства.

На чертеже представлено схематическое изображение общего вида привода СШН для добычи нефти.

Привод скважинного штангового насоса относится к безбалансирным техническим средствам, предназначенным для механизированной добычи нефти.

Привод СШН, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, содержит электромеханический узел и уравновешивающее устройство. Электромеханический узел содержит мотор-редуктор 1, на выходном валу которого установлена зубчатая шестерня 2, находящаяся в постоянном взаимодействии с зубчатой рейкой 3.

Устройство, уравновешивающее вес колонны штанг СШН - уравновешивающее устройство 4, включает гидроцилиндр 5, содержащий поршень 6, связанный посредством штока 7 с колонной штанг 8. Со стороны противоположной штоку 7 на поршне 6 смонтирован дополнительный шток 9, установленный соосно и оппозитно основному штоку 7 и выведенный за пределы гидроцилиндра 5. Конец штока 9 жестко связан с ближайшим концом зубчатой рейки 3.

Уравновешивающее устройство 4, кроме гидроцилиндра 5, включает пневмогидравлический аккумулятор, содержащий баллон 10, закрепленный на платформе 11 с помощью опор 12 и на 70-80% заполненный рабочей жидкостью 13, в качестве которой может быть использован, например, антифриз. Баллон 10 в полости 14 над поверхностью рабочей жидкости заполняется сжатым воздухом или другим, также под давлением, нейтральным газом. Внутренняя полость баллона 10 в зоне его днища 15 сообщена с внутренней подпоршневой полостью гидроцилиндра 5 с помощью трубопровода 16.

Как мотор-редуктор 1, так и гидроцилиндр 5, оба крепятся на вышке 17, в частности, последний посредством консолей 18. Вышка 17 установлена на общей платформе 11.

На чертеже, прилагаемом к описанию, намеренно не показаны элементы средства управления приводом СШН, такие как конечные выключатели, ограничивающие длину хода зубчатой рейки, датчики давления воздуха в баллоне 10 и датчики, определяющие величину утечки рабочей жидкости, устройство компенсации этой утечки, жидкостные вентили и т.п.Это объясняется тем, что средство управления не является сущностным предметом полезной модели.

Работает привод СШН следующим образом.

Предварительно, исходя из веса подвижных частей СШН, включая, в первую очередь, вес колонны штанг 8, осуществляют при нижнем положении поршня 6 в гидроцилиндре 5 заполнение рабочей жидкостью 13 (антифризом) полости баллона 10 примерно на 80% его объема, исключая, при этом, наличие воздуха под поршнем 6. Затем, оставшиеся 20% объема баллона 10 заполняют любым из упомянутых выше газов, создавая в нем давление, адекватное (эквивалентное) 90% веса подвижных частей на штоке 7. Таким образом, на мотор-редуктор 1 будет приходиться всего 10% от общей нагрузки веса подвижных частей СШН, которые должны быть учтены при расчете мощности электродвигателя на подъем колонны штанг 8.

При соблюдении указанных условий, средством управления работой привода СШН задается величина возвратно-поступательного хода зубчатой рейки 3, который осуществляется при движении вниз под действием веса подвижных частей СШН, что способствует рекуперации энергии на электродвигателе. Для движения рейки 3 вверх в работу включается привод СШН. Процесс добычи нефти состоит в организации возвратно-поступательного движения перемещения колонны штанг 8.

Claims (1)

1. Привод скважинного штангового насоса (СШН), содержащий электромеханический узел и уравновешивающее устройство, электромеханический узел выполнен в виде мотор-редуктора, на выходном валу которого установлена зубчатая шестерня, взаимодействующая с зубчатой рейкой, а уравновешивающее устройство включает гидроцилиндр с поршнем, подпоршневая полость которого сообщена с пневмогидравлическим аккумулятором, причем основной шток, связанный с поршнем, обеспечивает возможность соединения с колонной штанг СШН, а дополнительный шток, установленный соосно и оппозитно основному штоку и выведенный за пределы гидроцилиндра, связан с ближайшим концом зубчатой рейки, при этом мотор-редуктор и гидроцилиндр смонтированы на вышке, установленной на общей с пневмогидравлическим аккумулятором платформе.