RU2727833C1 - Скважинная штанговая насосная установка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к техническим средствам для подъёма жидкости из скважин и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для добычи нефти скважинными штанговыми насосами. Скважинная штанговая насосная установка содержит силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, соединённый с силовым приводом с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом, две уравновешиваемые линии подъёма жидкости, включающие соответствующие подвески, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещённые в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб, спущенных в скважину. Реверсивный приводной орган выполнен в виде вращающейся части передачи, преобразующей возвратно-поступательное движение реверсивного приводного органа в его вращение, включающей, кроме вращающейся, и подвижные части, которые соединены с подвесками линий подъёма жидкости. Одна из подвижных частей оснащена тормозным механизмом, зафиксированным относительно устья скважины. Подвижные части передачи имеют возможность ограниченного перемещения вдоль своих осей. Расширяются возможности применения скважинной штанговой насосной установки на большем количестве скважин, упрощается регулирование скорости откачки линий подъёма жидкости, повышается надёжность работы, исключаются аварии при работе установки, а также повышается эффективность установки. 5 ил.

Description

Изобретение относится к техническим средствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для добычи нефти скважинными штанговыми насосами.

Известен станок-качалка (патент SU № 682668, МПК F04B 47/02, опубл. 30.08.1979 в бюл. № 32) для привода глубинных штанговых насосов в двухствольных скважинах, установленный на фундаменте, содержащий раму, стойку, балансир, головку балансира и канатную подвеску, причем с целью упрощения конструкции и повышения эффективности его в работе путем осуществления возможности работы насоса во второй, рядом расположенной скважине от холостого хода головки балансира, в нижней части головки балансира, с ее тыльной стороны установлен роликовый узел для крепления канатной подвески, а рама снабжена стрелой, причем на фундаменте установлена дополнительная стойка, взаимодействующая со стрелой и имеющая ось, на которой установлен шкив.

Недостатками устройства являются необходимость строительства фундамента под стойку, отсутствие возможности индивидуального регулирования скорости откачки для каждой скважины, а также усложнение конструкции станка-качалки и повышенная металлоемкость.

Известен станок-качалка (патент RU № 2457361, МПК F04B 47/02, опубл. 27.07.2012 в бюл. № 21), содержащий на выполненном из рамы и стойки каркасе электродвигатель, редуктор, кривошипно-шатунный механизм, балансир с противовесом, подвеску, связанную с колонной насосных штанг, причем подвеска выполнена в виде ленты, например, металлической, закрепленной одним концом на каркасе, а другим концом с колонной насосных штанг, причем лента охватывает два направляющих шкива, один из которых установлен на балансире, а другой - на кронштейне, размещенный на раме. Станок-качалка дополнительно может содержать направляющий шкив, установленный на раме и охватываемый лентой, закрепленной одним своим концом на балансире. Станок-качалка дополнительно может содержать подвеску, выполненную в виде ленты, например, из синтетического материала, закрепленной одним концом к каркасу, а другим концом со второй колонной насосных штанг, причем лента охватывает два дополнительных направляющих шкива, один из которых установлен на балансире, а другой - на кронштейне.

Недостатками устройства являются сложность обеспечения достаточной надежности работы металлической ленты в течение всего срока службы станка-качалки, особенно на станках-качалках по вариантам II (станок-качалка с удлинением хода колонны штанг до 3-х крат) и III (станок-качалка для одновременного привода двух штанговых насосов в одной скважине с возможностью индивидуального регулирования отбора жидкости), в которых лента многократно перегибается, сложность уплотнения ленты в устьевой арматуре, сложность конструкции варианта III, необходимость изменения конструкции станка-качалки (головка балансира заменена на шкив), а также необходимость остановки установки на продолжительное время для изменения параметров (длины хода, частоты качания).

Известна глубинно-насосная штанговая установка (патент RU № 2205979, МПК F04B 47/02, опубл. 10.06.2003 в бюл. № 16), содержащая силовой привод, реверсивный приводной орган, уравновешиваемые линии подъема жидкости, включающие канатные подвески, полированные штоки, штанговые колонны и плунжеры поршневых насосов, размещенные в изолированных друг от друга колоннах насосно-компрессорных труб, спущенных в скважину. Уравновешиваемые линии подъема жидкости содержат, по меньшей мере, по одному поршневому насосу различных типоразмеров, а, по меньшей мере, одна пара полированных штоков уравновешиваемой линии посредством траверсы и канатной подвески подсоединена к реверсивному приводному органу, выполненному в виде двуплечего балансира с двумя балансирными головками или в виде ступенчатого блока-шкива, причем, по меньшей мере, две колонны насосно-компрессорных труб скреплены между собой хомутами с интервалом их расположения, равным не более длины волны продольного изгиба одиночной колонны насосно-компрессорных труб под действием напорного усилия плунжера. При одновременно-раздельной эксплуатации двух продуктивных пластов на нижнем пласте, имеющем меньший дебит, установка может быть оснащена поршневым насосом меньшего диаметра, а на верхнем пласте - поршневым насосом большего диаметра или двумя равновеликими по суммарной производительности поршневыми насосами меньшего диаметра, полированные штоки которых через траверсы и канатные подвески подсоединены к реверсивному приводному органу. Установка может быть оснащена двумя парами колонн насосно-компрессорных труб с поршневыми насосами одинакового или различных типоразмеров в каждой паре, причем полированные штоки каждой пары насосов через равноплечие или неравноплечие траверсы подсоединены канатными подвесками к разным плечам реверсивного приводного органа. При одновременно-раздельной эксплуатации двух продуктивных пластов на нижнем пласте, имеющем больший или равный с верхним пластом дебит, установка может быть оснащена поршневым насосом большего диаметра, канатная подвеска этого насоса подсоединена к блоку меньшего диаметра ступенчатого блока-шкива, а канатная подвеска верхнего поршневого насоса меньшего диаметра - к блоку большего диаметра ступенчатого блока-шкива. При одновременно-раздельной эксплуатации двух продуктивных пластов на верхнем пласте, имеющем больший дебит, установка может быть оснащена поршневым насосом большего диаметра, канатная подвеска этого насоса подсоединена к блоку меньшего диаметра ступенчатого блока-шкива, а канатная подвеска нижнего поршневого насоса меньшего диаметра - к большему диаметру сдвоенного блока-шкива. При ступенчатом подъеме жидкости из скважины на верхнем горизонте установка может быть оснащена поршневым насосом большего диаметра, на нижнем горизонте - поршневым насосом меньшего диаметра, канатная подвеска верхнего насоса подсоединена к блоку меньшего диаметра ступенчатого блока-шкива, а канатная подвеска нижнего насоса - к блоку большего диаметра ступенчатого блока-шкива. Реверсивный приводной орган может быть выполнен в виде станка-качалки с двуплечим балансиром, у которого балансирная головка со стороны присоединения шатуна к балансиру оснащена гибким тяговым органом, соединенным со второй канатной подвеской, отклоняющими и направляющим роликами, закрепленными на станине станка-качалки. Реверсивный приводной орган может быть выполнен в виде ступенчатого блока-шкива с отклоняющими роликами, обеспечивающими взаимную ориентацию канатных подвесок и полированных штоков уравновешиваемых линий подъема нефти. Узел соединения канатной подвески, по меньшей мере, с двумя полированными штоками каждой уравновешиваемой линии может быть выполнен в виде траверсы, с которой скреплены полированные штоки, а канатная подвеска соединена с траверсой роликовым или шаровым шарниром, обеспечивающим возможность изменения соотношения плеч между шарниром и местами крепления полированных штоков.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, длина хода и частота хода всех скважинных штанговых насосов одинакова и равна длине хода и частоте качаний силового привода, поэтому согласование скоростей откачки линий подъема жидкости со скоростями притока объектов (пластов) скважины индивидуально возможно только подбором насосов для каждой линии по отдельности, что при оптимизации работы объекта скважины приводит к необходимости замены насоса или насосов бригадой подземного ремонта скважин. Такой способ оптимизации не только затратный из-за необходимости продолжительной остановки скважины, привлечения сторонних организаций и др., но и не позволяет эффективно эксплуатировать пласты скважины из-за ограниченного количества размеров насосов по диаметру плунжера, которые можно спустить в скважину с двумя параллельными колоннами труб, что сужает возможности применения такой установки;

- во-вторых, отказ одного насоса установки с двумя параллельными колоннами труб приводит к отказу всей установки, соответственно простою другого объекта скважины до устранения отказа;

- в-третьих, колонны штанг подсоединены к реверсивному приводному органу с помощью канатных подвесок, что при определенных условиях может привести к проскальзыванию канатов, соответственно к их преждевременному износу;

- в-четвертых, при использовании в качестве силового привода станка-качалки необходимо вмешательство в его конструкцию (усложнение), что нежелательно по причине того, что привод - это покупное изделие, продаваемое отдельно от установки, и изменение его конструкции требует согласования с изготовителем.

Наиболее близкой по технической сущности является скважинная штанговая насосная установка (патент RU № 2614296, МПК F04B 47/02, опубл. 24.03.2017 в бюл. № 9), содержащая силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, соединенный с силовым приводом с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом, две уравновешиваемые линии подъема жидкости разного веса, включающие соответствующие подвески, соединенные с реверсивным приводным органом посредством гибкого элемента, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещенные в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб, спущенных в скважину. Реверсивный приводной орган оснащен барабаном с гибкой тягой, выполненной с возможностью намотки на барабан при вращении реверсивного приводного органа, другой конец гибкой тяги закреплен на различном уровне в пределах высоты силового привода на механизме крепления, который выполнен с возможностью фиксации относительно устья скважины, причем барабан выполнен с возможностью намотки гибкой тяги с последовательным увеличением или уменьшением диаметра намотки для обеспечения соответственно увеличения или уменьшения хода линий подъема жидкости относительно хода силового привода. Конец гибкой тяги может быть закреплен на механизме крепления ниже крайнего нижнего положения приводного органа для обеспечения большего хода более тяжелой линии подъема, выше крайнего нижнего положения приводного органа для обеспечения большего хода более легкой линии подъема или между крайними верхним и нижним положениями приводного органа для обеспечения двойного подъема и спуска хода линий подъема во время одного рабочего цикла силового привода.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, наличие на реверсивном приводном органе барабана с гибкой тягой, которая при отсутствии ее натяжения, что происходит из-за недостаточной разницы нагрузок в точках подвеса линий подъема жидкости или при выравнивании нагрузок хотя бы на какой-то момент времени, или в случае, когда изначально более тяжелая линия подъема жидкости во время цикла работы становится более легкой, что на практике имеет место, провисает, что приводит к аварийным ситуациям (провисанию, зацеплению о выступающие части наземного оборудования и обрыву гибкой тяги, ударам и повреждению других узлов установки и др.), т.к. для работы установки должна быть разница нагрузок в точках подвеса линий подъема жидкости или, по-другому, постоянное натяжение гибкой тяги (сила натяжения гибкой тяги больше нуля без учета потерь), иначе устройство неработоспособно. Наличие гибкой тяги существенно ограничивает применение устройства;

- во-вторых, сложность регулирования скорости откачки линий подъема жидкости из-за необходимости намотки или размотки гибкой тяги (каната) длиной порядка 30 м (расчетная длина тяги, определенная исходя из необходимости обеспечения требуемого диапазона регулирования) на барабан протаскиванием каждого витка (всего на барабане до 33 витков), занимающее на практике до 3 часов работы на высоте около 3 м, при этом установка простаивает. Аналогичная ситуация при обрыве или повреждении гибкой тяги. Описанное выше усложняет и удорожает обслуживание, небезопасно для обслуживающего персонала, как следствие, снижает эффективность известного устройства;

- в-третьих, при применении в устройстве гибкого элемента, например, цепи, соединяющего подвески линий подъема жидкости с реверсивным приводным органом, соответственно в виде звездочки, гибкий элемент (цепь) работает в тяжелых неблагоприятных условиях без смазки, что приводит к быстрому износу, в частности валиков цепи. Для исключения износа необходимо применение более прочных цепей, соответственно, с большими размерами и массой, с организацией их смазки, что усложняет, утяжеляет конструкцию и удорожает изготовление известного устройства.

Техническими задачами изобретения являются расширение возможности применения скважинной штанговой насосной установки на большем количестве скважин за счет исключения барабана с гибкой тягой и гибкого элемента, упрощение регулирования скорости откачки линий подъема жидкости, повышение надежности работы, исключение аварий при работе установки для одновременной раздельной добычи продукции двух объектов (пластов) скважины, а также повышение эффективности установки.

Поставленные технические задачи решаются скважинной штанговой насосной установкой, содержащей силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, соединенный с силовым приводом с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом, две уравновешиваемые линии подъема жидкости, включающие соответствующие подвески, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещенные в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб, спущенных в скважину.

Новым является то, что реверсивный приводной орган выполнен в виде вращающейся части передачи, преобразующей возвратно-поступательное движение реверсивного приводного органа в его вращение, включающей, кроме вращающейся, и подвижные части, которые соединены с подвесками линий подъема жидкости, при этом одна из подвижных частей оснащена тормозным механизмом, зафиксированным относительно устья скважины, подвижные части передачи имеют возможность ограниченного перемещения вдоль своих осей за счет тормозного механизма для увеличения или уменьшения хода линий подъема жидкости относительно хода силового привода.

На фиг. 1 схематично изображена установка скважинного штангового насоса, вид сбоку; на фиг. 2 - вид А, схематично изображена передача, вид спереди; на фиг. 3-5 - схематично изображена работа установки.

Скважинная штанговая насосная установка содержит силовой привод 1, например, станок-качалку (фиг. 1), цепной привод, гидравлический привод или др. (на фиг. не показаны) с тяговым органом 2, например, канатом, лентой или др., реверсивный приводной орган 3, две уравновешиваемые линии подъема жидкости 4 и 5, включающие соответствующие подвески 6 и 7, полированные штоки 8 и 9, штанговые колонны 10 и 11 и насосы 12 и 13, размещенные в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб 14 и 15, спущенных в скважину 16. Силовой привод 1 подбирается с учетом нагрузок на подвесках 6 и 7 при работе обеих линий подъема жидкости 4 и 5.

Реверсивный приводной орган 3 (фиг. 2) соединен с силовым приводом 1 с возможностью вращения в опорах 17, например, подшипниках качения, или подшипниках скольжения, или т.п. (на фиг. 2 показаны условно), и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом 2.

Реверсивный приводной орган 3 (фиг. 1) выполнен в виде вращающейся части передачи 18, преобразующей возвратно-поступательное движение реверсивного приводного органа 3 в его вращение. В качестве передачи 18 может быть применена реечная или фрикционная, или др. Вращающаяся часть (реверсивный приводной орган 3) передачи 18 может быть или шестерня, или колесо, или др. Подвижными частями 19 и 20 передачи 18 могут быть или зубчатые рейки, или ползуны, или др.

Подвижные части 19 и 20 передачи 18 соединены с подвесками 6 и 7 линий подъема жидкости 4 и 5 соответственно шарнирным, жестким или другим соединением, позволяющим передавать возвратно-поступательное движение от подвижных частей 19 и 20 соответствующим линиям подъема жидкости 4 и 5.

Размеры передачи 18 определяются конструктивно в зависимости от нагрузок на подвесках 6, 7 линий подъема жидкости 4, 5 соответственно и свободного места на устье скважины 16.

Одна из подвижных частей 19 или 20 передачи 18 оснащена тормозным механизмом 21, установленным, например, на силовом приводе 1, например, на стойке балансира станка-качалки, или на устьевой арматуре 22 или на другом фиксированном от вертикального перемещения относительно устья скважины 16 элементе наземного оборудования установки.

Тормозной механизм 21 за счет возможности регулирования тормозного усилия создает сопротивление движению оснащенного им одной из подвижных частей, например, 20 (фиг. 1) передачи 18, что позволяет регулировать величину ее возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси 23. При полностью зажатом тормозном механизме 21 подвижная часть 20 останавливается (величина перемещения равна нулю), а при полностью разжатом - имеет максимальный ход (величина перемещения максимальна). Соответственно из-за взаимодействия вращающейся части (реверсивного приводного органа 3) с подвижными частями 19 и 20, составляющих передачу 18, при регулировании перемещения одной части передачи 18 меняются параметры других. Если подвижная часть, например, 20, передачи 18, оснащенная тормозным механизмом 21, остановлена, то вращающаяся часть (реверсивный приводной орган 3) делает максимальное количество оборотов за время хода силового привода 1 с тяговым органом 2 вверх или вниз, а другая подвижная часть 19 передачи 18 получит максимально возможное перемещение вдоль своей продольной оси 24. Если же подвижная часть 20 передачи 18, оснащенная тормозным механизмом 21, имеет максимальный ход, то вращающаяся часть (реверсивный приводной орган 3) делает минимальное количество оборотов за время хода силового привода 1 с тяговым органом 2 вверх или вниз, а другая подвижная часть 19 передачи 18 получит минимально возможное перемещение. Изменяя ход подвижной части 20 за счет тормозного механизма 21, соответственно, и подвижной части 19 можно добиться близкого соответствия производительности линий подъема жидкости 4 и 5 с дебитом объектов эксплуатации скважины 16. Аналогично установка будет работать при оснащении тормозным механизмом 21 подвижной части 19 передачи 18.

Предпочтительно тормозной механизм 21 располагать на той подвижной части, которая расположена со стороны силового привод 1, т.к. эта подвижная часть будет делать меньшее, чем другая подвижная часть, перемещение, поэтому, с точки зрения компоновки наземного оборудования, необходимо меньше поднимать силовой привод 1 для размещения передачи 18.

Тормозной механизм 21 необходимо располагать или с наружной стороны подвижной части 20 на одной горизонтальной плоскости с осью вращения реверсивного приводного органа 3 в крайнем нижнем его положении как показано на фиг. 1, 3-5, или между подвижными частями передачи 18 ниже оси вращения реверсивного приводного органа 3 на расстоянии, исключающем их контакт, при этом размеры тормозного механизма 21 должны обеспечивать беспрепятственную работу частей передачи 18.

В качестве тормозного механизма 21 может быть применен гидравлический тормоз, многодисковая муфта или др. механизм, который должен включать шестерню или колесо для взаимодействия с подвижной частью. Автор на конструкцию тормозного механизма 21 не претендует.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В скважину 16 (фиг. 1) спускают скважинное оборудование установки. Сначала спускают и подвешивают на устьевой арматуре 22 колонну труб 15 с пакером 25 для разобщения объектов эксплуатации (пластов) и оборудование линии подъема жидкости 5: штанговый насос 13, например, вставной, колонну штанг 11 с устьевым штоком 9. Потом аналогично спускают колонну труб 14 и оборудование линии подъема жидкости 4, включающее насос 12, колонну штанг 10 с устьевым штоком 8. Устьевые штоки 8 и 9 уплотняются в устьевых сальниках устьевой арматуры 22.

Возле устья скважины монтируется с соблюдением центровки относительно оси скважины силовой привод 1, например, как на фиг. 1 станок-качалка. Предварительно собранная передача 18, включающая реверсивный приводной орган 3 с подвижными частями 19, 20 и тормозной механизм 21, подвешивается через тяговый орган 2 на головке балансира станка-качалки 1. После подгонки колонн штанг 10 и 11 линий подъема жидкости 4 и 5 они подвешиваются подвесками 6 и 7 к соответствующим нижним концам подвижных частей 19 и 20 передачи 18.

На фиг. 1 плунжеры насосов 12 и 13, соответственно подвески 6 и 7, а также реверсивный приводной орган 3 находятся в крайних нижних положениях. Реверсивный приводной орган 3 может располагаться посередине подвижных частей 19 и 20 как показано на фиг. 1-5, при этом требуется минимальная высота подъема силового привода 1 для размещения передачи 18. Возможно расположение подвижных частей 19 и 20 передачи 18 на разных уровнях в пределах, ограниченных расположением силового привода 1, реверсивного приводного органа 3 и тормозного механизма 21, например, для подгонки колонны штанг и др. технологических операций.

На фиг. 3-5 показана работа предлагаемого устройства при ходе вверх. Для упрощения описания рассматривается только наземная часть установки (фиг. 1), так как плунжеры насосов 12 и 13 будут двигаться примерно так же, как и подвески 6 и 7. Допустим в крайнем нижнем положении головки балансира станка-качалки (силового привода) 1 плунжеры насосов 12 и 13, соответственно подвески 6 и 7 (фиг. 3-5), а также реверсивный приводной орган 3 находятся в крайних нижних положениях. Более производительной (требуется большая длина хода) принята линия подъема 4 (фиг. 1) с подвеской 6 (фиг. 1-5). В зависимости от регулировки тормозного механизма 21 может быть реализовано два варианта эксплуатации установки:

1. Тормозной механизм 21 (фиг. 3-5) заблокирован (подвижная часть 20 неподвижна, т.е. его скорость

). После включения силового привода 1 тяговый орган 2 начинает двигаться вверх со скоростью

, увлекая за собой реверсивный приводной орган 3, который является вращающейся частью передачи 18. Из-за непрерывного взаимодействия (зацепления или трения, или др.) реверсивного приводного органа 3 с подвижной частью 20, которая неподвижна, реверсивный приводной орган 3 начинает вращаться по часовой стрелке на опорах 17 (фиг. 2), подвешенных на тяговом органе 2, приводя, в свою очередь, через подвижную часть 19 (фиг. 3-5) передачи 18 подвеску 6. В результате при расположении тормозного механизма 21 (фиг. 1) на подвижной части 20 передачи 18 линия подъема жидкости 5 оказывается неподвижной, а линия 4 подъема жидкости получает максимальный дополнительный ход.

Если поднимать реверсивный приводной орган 3 со скоростью тягового органа

, то частоту вращения

, об/мин, реверсивного приводного органа 3 можно определить по следующей формуле:

,

где

скорость тягового органа, м/с;

математическая постоянная, равная отношению длины окружности к ее диаметру, принимаемая для расчетов равной 3,14;

диаметр окружности делительной окружности или контакта реверсивного приводного органа 3, м.

Скорость

, м/с, подвижной части 19 передачи 18 равна скорости тягового органа 2 (получается в результате преобразований) и подставив в формулу значение

:

.

Дополнительное пройденное подвеской 6 расстояние

, м, из-за вращения реверсивного приводного органа 3 можно определить по следующей формуле:

,

где

время, за которое силовой привод 1 совершает ход вверх или вниз, с;

длина хода вверх или вниз силового привода 1, м.

Общая длина хода подвижной части 19, соответственно, и линии подъема жидкости 4 равна удвоенному ходу вверх или вниз силового привода 1, т.е. S+ΔS=2S, при ходе подвижной части 20 равном нулю.

Аналогично установка работает при расположении тормозного механизма 21 на подвижной части 19 передачи 18. В этом случае общая длина хода подвижной части 20, соответственно, и линии подъема жидкости 5 равна удвоенному ходу вверх или вниз силового привода 1.

2. Тормозной механизм 21 не заблокирован, отрегулирован. Подвижная часть 20 передачи 18 перемещается со скоростью

по направлению, противоположному направлению движения тягового органа 2, т.е. при ходе вверх тягового органа 2 подвижная часть 20 передачи 18 перемещается вниз вдоль своей продольной оси 23.

Если поднимать реверсивный приводной орган 3 со скоростью тягового органа

, то частоту вращения

, об/мин, реверсивного приводного органа 3 в этом режиме эксплуатации можно определить по следующей формуле:

.

где

скорость подвижной части 20, м/с.

Скорость

, м/с, подвижной части 19 передачи 18 равна разности скоростей тягового органа 2 и подвижной части 20 (получается в результате преобразований) и подставив в формулу значение

:

.

Дополнительное пройденное подвеской 6 расстояние

, м, из-за вращения реверсивного приводного органа 3 можно определить по следующей формуле:

,

где

пройденное расстояние подвижной частью 20 за время хода вверх или вниз силового привода 1, м.

Общая длина хода подвижной части 19, соответственно, и линии подъема жидкости 4 равна

. Общая длина хода подвижной части 20, соответственно, и линии подъема жидкости 5 равна

.

Аналогично установка работает при расположении тормозного механизма 21 на подвижной части 19 передачи 18. В этом случае общая длина хода подвижной части 19, соответственно, и линии подъема жидкости 4 равна

, а общая длина хода подвижной части 20, соответственно, и линии подъема жидкости 5 равна

.

Как видно из приведенных формул, меняя ход подвижной части 20 передачи 18 от 0 и более за счет настройки тормозного механизма 21 можно регулировать дополнительно пройденное подвесками 6 и 7 расстояние

, причем при полностью расторможенном состоянии тормозного механизма 21 без учета потерь в нем теоретически можно добиться

для эксплуатации скважины с одинаковыми скоростями откачки линий подъема жидкости 4 и 5 при одинаковых нагрузках в точках подвеса линий подъема жидкости 4 и 5.

Для исключения влияния разницы нагрузок в точках подвеса линий подъема жидкости 4 (фиг. 1) и 5 тормозной механизм 21 необходимо предварительно настроить на компенсацию максимально возможной разницы, чтобы в любой точке цикла работы установки реверсивный приводной орган 3 вращался в одном направлении. Максимальная разница нагрузок в точках подвеса линий подъема жидкости 4 и 5 определяется по снятым динамограммам работы линий 4 и 5 по времени хода силового привода 1 путем вычисления разницы нагрузок в один и тот же момент времени или во время работы установки без остановки регулируя тормозной механизм 21 визуально по остановкам (нагрузка в точках подвеса линий подъема выравнивается) или по обратному вращению реверсивного приводного органа 3 (изначально более тяжелая линия подъема становится более легкой), или сначала настроить расчетным путем, а потом скорректировать опытным.

При ходе вниз силового привода 1 с тяговым органом 2 работа предлагаемого устройства происходит в обратной последовательности (фиг. 5-3).

В отличие от наиболее близкого аналога из-за наличия передачи 18 (фиг. 1) исключается необходимость в движущей силе от разницы весов линий подъема 4 и 5, которые вместе с гибкой тягой создавали вращающий момент на реверсивном приводном органе 3 - этот момент в предлагаемом устройстве создается передачей 18, что гарантирует работоспособность предлагаемого устройства при различных изменениях весов линий подъема 4 и 5 в любой момент времени и хода силового привода. Сняв ограничение по требованию, что одна из линий подъема жидкости должна быть более тяжелой в любой момент времени как при ходе вверх, так и при ходе вниз силового привода 1, применение предлагаемого устройства существенно расширяет фонд скважин по сравнению с наиболее близким аналогом.

Для регулирования параметров установки в предлагаемом устройстве применен регулируемый тормозной механизм 21 вместо изменения диаметра намотки гибкой тяги на барабан в наиболее близком аналоге, что существенно облегчает работу обслуживающего персонала, причем регулировка производится без остановки работы установки, поэтому предлагаемое устройство эффективнее.

Замена гибкого элемента (цепи), соединяющего подвески линий подъема жидкости с реверсивным приводным органом в виде звездочки, в наиболее близком аналоге подвижными частями 19 и 20, составляющими вместе с реверсивным приводным органом 3 передачу 18 в предлагаемом устройстве, позволяет исключить ее расслабление, как и гибкой тяги, при смене нагрузок, приводящее к ударам при работе установки на основе наиболее близкого аналога, что обеспечивает работоспособность при смене нагрузок в обоих направлениях их движения.

При расположении тормозного механизма 21 на подвижной части 20 передачи 18 со стороны линии подъема 5, как на фиг. 1, увеличивается длина хода насоса 12 линии подъема 4 и уменьшается длина хода насоса 13 линии подъема 5 на ΔS. При расположении тормозного механизма 21 на подвижной части 19 передачи 18 со стороны линии подъема 4 (на фиг. не показано) увеличивается длина хода насоса 13 линии подъема 5 и уменьшается длина хода насоса 12 линии подъема 4 на ΔS.

Согласование дебитов пластов, в частности скоростей притока пластовой жидкости, с производительностями, в частности скоростями откачки (произведений длины хода на частоту качаний плунжеров насосов) линий подъема жидкости 4 (фиг. 1) и 5, производится следующим образом: по известным дебитам пластов компонуется скважинное оборудование: подбираются насосы 12 и 13, колонны штанг 10 и 11 и колонны труб 14 и 15 соответственно; рассчитываются нагрузки в точках подвеса штанг (на подвесках 6 и 7) и скорости откачки каждой линии подъема жидкости 4 - n ₁ ·S ₁ и 5 - n ₂ ·S ₂ ; определяется средняя скорость откачки n⋅S; по полученным расчетным суммарным нагрузкам подбирается силовой привод 1; по подобранному силовому приводу 1 определяется длина хода S привода 1 (желательно выбрать максимально возможную длину хода) и рассчитывается частота качаний n привода 1 - с этой частотой качаний будет работать установка; подбирается электродвигатель и шкивы ременной передачи силового привода 1; рассчитывается необходимый дополнительный ход ΔS как разность между определенными выше скоростями откачки одной из линии подъема жидкости 4 или 5 и средней скоростью откачки, разделенная на полученную частоту качаний установки:

или

.

Подбирая различные сочетания диаметров делительной окружности или контакта вращающейся части (реверсивного приводного органа 3) и тормозного механизма 21, и меняя скорость перемещения подвижной части 20 передачи 18 можно увеличить или уменьшить ход линий подъема жидкости относительно хода силового привода в широких пределах. Предпочтительно подобрать диаметр вращающейся части (реверсивного приводного органа 3) передачи 18 равным расстоянию между осями линий подъема жидкости 4, 5 и при эксплуатации не менять, а для обеспечения эксплуатации пластов скважины с требуемыми дебитами использовать возможность регулирования тормозного механизма 21.

Например, на скважине линия подъема 5 (фиг. 1) эксплуатируется с длиной хода

3,5 м и частотой качаний

2,2 мин^–1 приводом СК8-3,5-4000, т.е. скорость откачки составляет

7,7 (более производительная линия подъема жидкости), линия подъема 4 с длиной хода

2,1 м и частотой качаний

2,6 мин^-1 приводом СК6-2,1-2500 -

5,46 (менее производительная линия). Следовательно, учитывая нагрузки в точках подвеса штанг обеих линий, теоретически можно использовать только один привод со скоростью откачки

6,58, например, СК8-3,5-4000, с длиной хода

3,5 м и частотой качаний

1,88 мин^-1. С целью сохранения скоростей откачки для каждого объекта предлагаемое устройство должно дополнительно изменять длину хода линий на ΔS = 0,6 м. При делительном диаметре реверсивного приводного органа 3, например, шестерни, 91 мм, и передаточном отношении передачи 18 при применении, например, зубчато-реечной передачи, равном 1, требуемая скорость перемещения подвижной части 20 будет 0.18 м/с - обеспечивается тормозным механизмом 21.

При необходимости изменения скорости откачки одной из линий подъема жидкости 4 или 5, например, при изменении дебита одного из объектов (пластов), необходимо заново пересчитать по предложенному алгоритму требуемую скорость перемещения подвижных частей 19 и 20 передачи 18. Для перехода на новый режим работы необходимо без остановки установки выставить на тормозном механизме 21 скорость перемещения подвижной части 20 согласно расчету.

Аналогично настраивается режим работы установки при перемонтаже на других скважинах, при этом нет необходимости изготовления новой передачи 18 для новых скважин, достаточно выставить на тормозном механизме 21 скорость перемещения подвижной части 20 передачи 18, что позволяет, при необходимости, одним устройством эксплуатировать скважины с различными параметрами при соблюдении описанных выше условий.

Использование только одного силового привода позволит исключить необходимость закупки второго привода, строительно-монтажные работы по его монтажу (отсыпка, фундаментная плита и др.), снизить энергозатраты и работы по обслуживанию и ремонту при его эксплуатации, к тому же облегчить монтаж агрегата и мостков при подземном ремонте скважин.

Обычно под одновременную и раздельную добычу переводят скважины ранее эксплуатировавшиеся установкой скважинного штангового насоса с одной линией (лифтом) для добычи из одного, более продуктивного пласта, поэтому при переводе на одновременно-раздельную добычу с двумя линиями (лифтами) при наличие места для размещения передачи 18 вообще исключаются работы по монтажу привода, так как возможно использование установленного при эксплуатации предыдущим способом привода и точка подвеса штанг привода совпадает с осью скважины.

На части скважин с одновременной раздельной добычей, например, включающих объекты, дающие высоковязкую нефть, объекты, на которых происходят резкие изменениях пластового давления, при освоении объектов после капитального ремонта и при других случаях по технологии разработки необходимо часто менять скорость откачки линии подъема жидкости в несколько раз, от режима с дебитом скважины от 0,5 м³/сут до 10 м³/сут и более. В таких случаях часто эксплуатируют только один объект скважины при остановленном другом и при накоплении необходимого объема нефти в остановленном объекте включают обе линии подъема жидкости, что приводит к потерям в добыче нефти. Для таких скважин применение предлагаемого устройства является единственным условием работы объектов скважины в оптимальном режиме (при постоянных динамических уровнях).

Используя тормозной механизм 21 (фиг. 1), можно добиться регулирования скорости откачки линий подъема жидкости 4 и 5 (длины хода насосов 12 и 13) установки в широком диапазоне дополнительно к регулированию параметров силового привода 1 и к возможности смены диаметра насосов 12 и 13, что позволит максимально точно согласовать скорости откачки отдельно каждой линии подъема со скоростью притока пласта. В результате скважина будет эксплуатироваться в близком к оптимальному режиму работы (с постоянными динамическими уровнями), что приведет к повышению коэффициента полезного действия установки и снижению потребляемой электроэнергии, что, в свою очередь, позволит снизить себестоимость добычи нефти.

Предлагаемая установка скомпонована из широко применяемых и отработанных узлов без изменения конструкции покупных изделий, проста в изготовлении, поэтому ее ресурс предполагается не ниже, чем у обычной установки скважинного штангового насоса с одной линией подъема.

Возможна работа одной линии подъема жидкости при отказе другой во время ожидания приезда бригады подземного ремонта скважин, что исключает простои исправного насоса при отказе одного из насосов. Для этого на устье скважины останавливается и фиксируется отказавшая линия подъема жидкости аналогично описанному выше первому режиму эксплуатации. В результате исправная линия подъема будет работать с общей длиной хода, равной 2⋅S. Кроме того, эта особенность предлагаемого устройства позволяет применять его для увеличения длины хода на обычных скважинах, оборудованных скважинными штанговыми насосными установками, с одной линией подъема жидкости, с соответствующим уменьшением частоты качаний, что позволит снизить количество отказов колонны штанг, повысить коэффициент наполнения насоса и др.

Благодаря использованию предлагаемого устройства расширяются возможности применения скважинной штанговой насосной установки на большем количестве скважин за счет исключения барабана с гибкой тягой и гибкого элемента, упрощается регулирование скорости откачки линий подъема жидкости, повышается надежность работы, исключаются аварии при работе установки для одновременной раздельной добычи продукции двух объектов (пластов) скважины, а также повышается эффективность установки.

Claims (1)

1. Скважинная штанговая насосная установка, содержащая силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, соединённый с силовым приводом с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом, две уравновешиваемые линии подъёма жидкости, включающие соответствующие подвески, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещённые в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб, спущенных в скважину, отличающаяся тем, что реверсивный приводной орган выполнен в виде вращающейся части передачи, преобразующей возвратно-поступательное движение реверсивного приводного органа в его вращение, включающей, кроме вращающейся, и подвижные части, которые соединены с подвесками линий подъёма жидкости, при этом одна из подвижных частей оснащена тормозным механизмом, зафиксированным относительно устья скважины, подвижные части передачи имеют возможность ограниченного перемещения вдоль своих осей за счёт тормозного механизма для увеличения или уменьшения хода линий подъёма жидкости относительно хода силового привода.

Images