RU2779351C1

RU2779351C1 - Pumping unit for oil production

Info

Publication number: RU2779351C1
Application number: RU2022107658A
Authority: RU
Inventors: Эрнст Иванович Деникин
Original assignee: Эрнст Иванович Деникин
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2022-09-06

Abstract

FIELD: oil production.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of mechanized oil production, in particular to the design of technical means that ensure the implementation of this technology. The pumping unit for oil production includes a balancing beam 6 mounted by means of a hinge 5 on a support column 1 and equipped at both ends with 7 heads 9, providing the possibility of servicing two sucker rod pumps, and kinematically connected with a drive 14 containing an electric motor, a gearbox 16 and a mechanism for converting rotational motion into vibrational. The drive 14 is placed on a cantilever support fixed on the side surface of the rack head 1. The conversion mechanism is made in the form of a gear mechanism, the gear 17 of which is fixed on the output shaft of the gearbox 16. Part of the wheel 19 in the form of a sector is fixedly mounted on the beam 6. The geometric axis of the wheel 19 is aligned with the corresponding hinge axis 5 of the connection of the beam 6 and the rack 1.

EFFECT: invention is aimed at simplifying the design of the pumping unit, improving the economic performance in the industrial production of the pumping unit and its operation.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии механизированной добычи нефти, в частности к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.The invention relates to the technology of mechanized oil production, in particular to the design of technical means that ensure the implementation of this technology.

К настоящему времени наибольшее распространение в качестве установок привода штанговых глубинных насосов (ШГН) получили балансирные станки-качалки (С-К). Данный тип привода имеет значительные преимущества, такие как высокие надежность, долговечность и энергоэффективность.To date, the most widely used as drive units for sucker rod pumps (SRP) are balancing pumping units (S-K). This type of drive has significant advantages such as high reliability, durability and energy efficiency.

Типичная конструкция С-К 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 С-К являютсяA typical C-K design contains a balancer with a head connected to the gearbox by means of cranks through connecting rods with pins, and a polished rod rope suspension. The balancer is mounted on a base with a frame. The right side of the balancer with counterweights, traverse and connecting rods disconnected from the cranks is always heavier than the left side of the balancer with its head and rope suspension of the pump rod column. In this regard, the torque of the balancer is directed clockwise and compensates for the load from the left side of the balancer [SU 1333838]. Typical disadvantages of almost any S-K are

1. Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.1. High metal consumption and relatively high cost of transportation.

2. Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом станка-качалки;2. The need to prepare a concrete base or pile field before installing the pumping unit;

3. Высокая стоимость замены С-К или его узлов вследствие большой массы;3. The high cost of replacing S-K or its components due to the large mass;

4. Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, снижающих безопасность обслуживания.4. The presence of a large number of open moving mechanisms that reduce the safety of service.

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

Наряду с балансирными С-К, последние 25 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода ШГН, значительным конструктивным разнообразием. Однако, технология добычи нефти с применением ШГН и оборудование для этого в виде станков-качалок являются в настоящее время наиболее востребованными. Так, в мировой практике в добыче жидких углеводородов станки-качалки составляют 90% парка имеющегося оборудования аналогичного назначения.Along with balancing S-K, over the past 25 years, a new direction has been intensively developing, defined as unbalanced SRP drives, with a significant design variety. However, the technology of oil production using SRP and equipment for this in the form of pumping units are currently the most in demand. Thus, in the world practice in the production of liquid hydrocarbons, pumping units account for 90% of the fleet of available equipment for a similar purpose.

Стремление к снижению различного рода затрат на оборудование по добыче нефти привели к созданию конструкции С-К, который обслуживает две, рядом расположенные, скважины.The desire to reduce various kinds of costs for oil production equipment led to the creation of the S-K design, which serves two adjacent wells.

В RU 2205978 описано такое устройство, которое содержит корпус 1 (нумерация позиций взята из описания патента), электродвигатель 2, редуктор 3, механизм преобразования вращательного движения ведомого вала редуктора 3 в возвратно-поступательное движение шатуна, выполненный в виде ведущей звездочки 4, смонтированной на ведомом валу редуктора, ведомой звездочки 5, установленной на корпусе 1 с возможностью вращения на ее геометрической оси и взаимодействия с ведущей звездочкой 4 с помощью пластинчатой цепи 6, надетой на эти звездочки, шатун 7, шарнирно установленный одной стороной на пластинчатой цепи 6 с помощью пальца 8, а другой стороной - на нижнем конце балансира 9, установленного на корпусе 1 вертикально с возможностью колебательного движения в вертикальной плоскости и взаимодействия с 2-мя ШГН с помощью неподвижной радиальной головки 10, подвижной радиальной головки 11, подвески 12, штанги 13, опущенной в устье скважины 14,шкива 15, откидной головки 16, стойки 17, подвески 18, штанги 19, взаимодействующей со скважиной 20, шкива 21, откидной головки 22 и стойки 23.RU 2205978 describes such a device that contains a body 1 (item numbering is taken from the description of the patent), an electric motor 2, a gearbox 3, a mechanism for converting the rotational motion of the driven shaft of the gearbox 3 into the reciprocating motion of the connecting rod, made in the form of a drive sprocket 4 mounted on the driven shaft of the gearbox, the driven sprocket 5 mounted on the housing 1 with the possibility of rotation on its geometric axis and interaction with the drive sprocket 4 using the plate chain 6, put on these sprockets, the connecting rod 7, pivotally mounted on one side on the plate chain 6 with the help of a finger 8, and the other side - at the lower end of the balancer 9, installed on the body 1 vertically with the possibility of oscillatory movement in the vertical plane and interaction with 2 SPGs using a fixed radial head 10, a movable radial head 11, a suspension 12, a rod 13, lowered at the wellhead 14, pulley 15, folding head 16, rack 17, suspension 18, rods and 19 interacting with well 20, pulley 21, hinged head 22 and rack 23.

Описанное устройство работает следующим образом. При включении в работу электродвигателя 2 вращательное движение передается на редуктор 3 и ведущую звездочку 4. Цепная передача преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное перемещение шатуна 7. Последний взаимодействует с балансиром 9, сообщая ему колебательное движение в вертикальной плоскости. В момент поворота сдвоенных радиальных головок 10 и 11 в левую сторону, штанга 13 ШГН скважины 14 будет опускаться вниз, а штанга 19 будет подниматься вверх, извлекая нефть из скважины 19. Таким образом, добыча нефти на одной С-К повышается в два раза и значительно сокращается расход электроэнергии, расход на ремонт и техническое обслуживание технологического оборудования.The described device works as follows. When the electric motor 2 is turned on, the rotational movement is transmitted to the gearbox 3 and the drive sprocket 4. The chain drive converts the rotational movement into a reciprocating movement of the connecting rod 7. The latter interacts with the balancer 9, giving it an oscillatory movement in the vertical plane. At the moment of rotation of the double radial heads 10 and 11 to the left side, the rod 13 of the SRP of the well 14 will go down, and the rod 19 will go up, extracting oil from the well 19. Thus, oil production on one S-K is doubled and the consumption of electricity, the cost of repair and maintenance of technological equipment is significantly reduced.

Основным недостатком описанного устройства является конструкционная сложность механизма преобразования вращательного движения в колебательное, включающего замкнутую пластинчатую цепь, связанную через шатун с колебательной системой, несущей сдвоенные головки, шарнирно закрепленные на отдельной стойке. Сложность конструкции устройства влечет за собой увеличение производственных затрат, а также снижение надежности работы С-К.The main disadvantage of the described device is the structural complexity of the mechanism for converting rotational motion into oscillatory, including a closed plate chain connected through a connecting rod with an oscillatory system carrying double heads hinged on a separate rack. The complexity of the design of the device entails an increase in production costs, as well as a decrease in the reliability of the S-K.

В качестве прототипа предлагаемому изобретению выбрана конструкция С-К, описанная в RU 2191924. Станок-качалка с двумя балансирами содержит раму, электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Балансир выполнен с возможностью взаимодействия с двумя штангами насосных установок при помощи двух откидных головок, устанавливаемых на концах продольной балки. Устройство снабжено вторым балансиром, связанным с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Одна из откидных головок первого балансира выполнена с возможностью взаимодействия с головкой второго балансира при помощи двух тросов, каждый из которых жестко закреплен одним концом на головке второго балансира, а вторым концом - на головке первого балансира, но на противоположных сторонах головок.As a prototype of the proposed invention, the S-K design described in EN 2191924 is chosen. The balancer is made with the possibility of interacting with two rods of pumping units using two folding heads installed at the ends of the longitudinal beam. The device is equipped with a second balancer associated with a mechanism for converting rotational motion into reciprocating. One of the folding heads of the first balancer is made with the possibility of interaction with the head of the second balancer by means of two cables, each of which is rigidly fixed with one end on the head of the second balancer, and with the other end - on the head of the first balancer, but on opposite sides of the heads.

Несмотря на то что прототип имеет определенные преимущества в сравнении с аналогом, он имеет значительный недостаток - сложность конструкции. Суть в том, что в качестве механизма преобразования использовано схематическое решение традиционного С-К, т.е. механизм преобразования есть ни что иное, как собственно станок-качалка, содержащий все присущие ему, без изъятия, родовые признаки, в частности, фундамент, стойка для балансира, собственно балансир с головкой, электродвигатель, редуктор и, наконец, шатунно-кривошипный механизм, шарнирно связанный с балансиром. Как следствие, конструкция С-К прототипа обладает высокой металлоемкостью, сложностью монтажно-технических, эксплуатационных и ремонтных работ, т.е. интегрально характеризуется низкими экономическими параметрами.Despite the fact that the prototype has certain advantages in comparison with the analog, it has a significant drawback - the complexity of the design. The bottom line is that a schematic solution of the traditional C-C is used as a conversion mechanism, i.e. the transformation mechanism is nothing more than the actual rocking machine, containing all its inherent, without exception, generic features, in particular, the foundation, the stand for the balancer, the balancer itself with the head, the electric motor, the gearbox, and, finally, the connecting rod-crank mechanism, hinged to the balancer. As a result, the S-K design of the prototype has a high metal consumption, the complexity of installation and technical, maintenance and repair work, i.e. integrally characterized by low economic parameters.

Таким образом, задачей изобретения является упрощение конструкции и улучшение экономических характеристик С-К.Thus, the objective of the invention is to simplify the design and improve the economic characteristics of the S-K.

Поставленная задача решается за счет того, что в станке-качалке для добычи нефти, включающем балансирную балку, смонтированную с помощью шарнира на опорной стойке и снабженную на своих обоих концах головками, обеспечивающими возможность обслуживания двух ШГН, и кинематически связанную с приводом, содержащим электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в колебательное, привод размещен на консольной опоре, закрепленной на боковой поверхности оголовка стойки, а механизм преобразования выполнен в виде зубчатого механизма, шестерня которого закреплена на выходном валу редуктора, а часть колеса в виде сектора неподвижно установлена на балке, при этом геометрическая ось колеса совмещена с соответствующей осью шарнира связи балки и стойки.The problem is solved due to the fact that in the pumping unit for oil production, which includes a balancing beam mounted by means of a hinge on a support column and equipped at both ends with heads that provide the possibility of servicing two SRPs, and kinematically connected with a drive containing an electric motor, a gearbox and a mechanism for converting rotational motion into an oscillatory one, the drive is placed on a cantilever support fixed on the side surface of the rack head, and the conversion mechanism is made in the form of a gear mechanism, the gear of which is fixed on the output shaft of the gearbox, and part of the wheel in the form of a sector is fixedly mounted on the beam, in this case, the geometric axis of the wheel is aligned with the corresponding axis of the hinge of the connection between the beam and the rack.

Кроме того, решению поставленной задачи способствует и то, что зубчатый механизм выполнен в виде цевочного механизма, в котором цевки выполнены вращающимися, а части балансирной балки, расположенные по обе стороны шарнира, выполнены телескопическими, при этом на подвижных фрагментах балки смонтированы с возможностью возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы.In addition, the solution of the problem is facilitated by the fact that the gear mechanism is made in the form of a pinion mechanism, in which the pincers are made rotating, and the parts of the balancing beam located on both sides of the hinge are made telescopic, while on the moving fragments of the beam are mounted with the possibility of reciprocating translational adjustment weights.

Технический результат состоит в значительном упрощении конструкции С-К за счет новой компоновки его узлов и механизмов, заключающейся в размещении привода на опорной стойке в непосредственной близости от балансирной балки и выполнения механизма преобразования движения в виде взаимодействующих шестерни и сектора колеса. Следствием вышеуказанного является повышении экономических характеристик в процессах промышленного производства С-К и его эксплуатации.The technical result consists in a significant simplification of the S-K design due to the new arrangement of its components and mechanisms, which consists in placing the drive on a support column in close proximity to the balance beam and performing a motion conversion mechanism in the form of an interacting gear and a wheel sector. The consequence of the above is an increase in economic characteristics in the processes of industrial production of S-K and its operation.

На чертежах, прилагаемых к описанию изобретения, даны:In the drawings attached to the description of the invention, given:

- на фиг. 1 - схематическое изображение общего вида С-К;- in Fig. 1 is a schematic representation of the general view of S-K;

- на фиг. 2 - схематическое изображение привода С-К.- in Fig. 2 is a schematic representation of the C-K drive.

Станок-качалка содержит опорную стойку 1 выполненную в виде сваи, забитой в грунт, на оголовке которой установлен съемный стакан 2, связанный своим днищем 3 посредством фланца с опорой 4, снабженной горизонтальным шарниром 5 связи с балансирной балкой 6. Последняя по обе стороны шарнира 5 выполнена из двух частей, телескопически связанных друг с другом, т.е. установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения. На каждой из подвижных частей 7 смонтированы с возможность возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы 8. Концы частей 7 несут головки 9, которые с помощью канатов 10 связаны со штоками И ШГН, размещенные в скважинах 12, совмещенных с накопителями 12А. На боковой поверхности стакана 2 ортогональной балке 6 закреплена консоль 13 (фиг. 2), на горизонтальной площадке которой смонтирован привод 14 качания балки 6. Привод 14 представлен кинематически и последовательно связанными между собой электродвигателем 15, редуктором 16 и механизмом преобразования вращательного движения электродвигателя в колебательное движение балансира. Последний выполнен в виде зубчатого механизма, шестерня 17 которого закреплена на выходном валу 18 редуктора 16, а часть колеса 19 в виде сектора неподвижно установлена на балке 6, при этом геометрическая ось колеса совмещена с соответствующей осью шарнира связи балки 6 и стойки 1. Другими словами, наружные поверхности колеса 19 и оси 5 являются эквидистантными или, иначе, описываются радиусами из общего центра «О». Помимо эвольвентного зацепления в механизме преобразования может быть использовано цевочное зацепление. В качестве фиксаторов подвижных частей 7 на балке 6 и регулировочных грузов 8 на частях 7 могут служить зажимные болты 20. Конструкция С-К дает возможность осуществить его производство в виде отдельных сборочных единиц, легко транспортируемых и собираемых на месте его размещения. Среди таких единиц можно указать на опору 4 с шарниром 5, балансирную балку 6, подвижные части 7, несущие регулировочные грузы 8 и головки 9, консоль 13 со смонтированным на ней приводом 14 и стакан 2.The pumping unit contains a support column 1 made in the form of a pile driven into the ground, on the head of which a removable cup 2 is installed, connected with its bottom 3 by means of a flange with a support 4, equipped with a horizontal hinge 5 connected with a balancing beam 6. The latter is on both sides of the hinge 5 made of two parts, telescopically connected to each other, i.e. installed with the possibility of reciprocating movement. Adjusting weights 8 are mounted on each of the moving parts 7 with the possibility of reciprocating movement. The ends of the parts 7 carry the heads 9, which are connected with the rods and the sliding rod by means of ropes 10, placed in the wells 12, combined with the drives 12A. On the side surface of the glass 2 of the orthogonal beam 6, a console 13 is fixed (Fig. 2), on the horizontal platform of which the drive 14 of the swing of the beam 6 is mounted. balancer movement. The latter is made in the form of a gear mechanism, the gear 17 of which is fixed on the output shaft 18 of the gearbox 16, and part of the wheel 19 in the form of a sector is fixedly mounted on the beam 6, while the geometric axis of the wheel is aligned with the corresponding axis of the hinge connection of the beam 6 and the rack 1. In other words , the outer surfaces of the wheel 19 and axle 5 are equidistant or, otherwise, are described by radii from a common center "O". In addition to involute gearing, a pin gear can be used in the conversion mechanism. Clamping bolts 20 can serve as clamps for moving parts 7 on beam 6 and adjusting weights 8 on parts 7. The S-K design makes it possible to produce it in the form of separate assembly units that are easily transported and assembled at its location. Among such units, one can point to the support 4 with a hinge 5, the balancing beam 6, the moving parts 7, the bearing adjusting weights 8 and the heads 9, the console 13 with the drive 14 mounted on it and the cup 2.

Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.

После сооружения двух соседних скважин 12 и размещения в них подвижных частей ШГН осуществляют на равновеликом расстоянии от каждой из них забивку бетонной сваи 1, которая может быть заменена трубой диаметром не менее 0,5 метра. Сборка С-К выполняется на месте расположения скважин, при этом он может быть собран на земле полностью и водружен на сваю 1 путем надевания стакана 2 на последнюю с помощью подъемно-транспортных средств с последующей фиксацией последнего с помощью зажимных болтов 20. Соединение головок 9 канатами 10 с полированными штоками 11 производят при горизонтальном положении балансирной балки 6, задавая длину соединительных канатов 10 приблизительно равной величине хода ШГН, что определяется по месту. Точное соответствие расстояния между головками 9 расстоянию между продольными осями обеих скважин 12 задается перемещением подвижных частей 7, фиксируемых в заданном положении болтами 20. Уравновешивание подвижных частей обоих ШГН, т.е. создание оптимальных условий для работы привода (снижение нагрузки) достигается путем перемещения регулировочных грузов 8 с последующей их фиксацией на частях 7 в процессе подготовительных работ перед запуском рабочего режима С-К. Исходным расположением шестерни 17, колеса 19 механизма преобразования, а также оси шарнира 5 перед началом работы является расположение их геометрических осей в общей вертикальной плоскости.After the construction of two adjacent wells 12 and the placement of the moving parts of the SRP in them, a concrete pile 1 is driven at an equal distance from each of them, which can be replaced by a pipe with a diameter of at least 0.5 meters. The assembly of S-K is carried out at the location of the wells, while it can be completely assembled on the ground and hoisted onto pile 1 by putting cup 2 on the latter using hoisting and transport vehicles, followed by fixing the latter with clamping bolts 20. Connection of heads 9 with ropes 10 with polished rods 11 is produced with the horizontal position of the balancing beam 6, setting the length of the connecting ropes 10 approximately equal to the stroke of the SRP, which is determined locally. The exact correspondence of the distance between the heads 9 to the distance between the longitudinal axes of both wells 12 is set by moving the moving parts 7 fixed in a predetermined position by bolts 20. creating optimal conditions for the operation of the drive (reducing the load) is achieved by moving the adjusting weights 8 with their subsequent fixation on the parts 7 in the process of preparatory work before starting the operating mode S-K. The initial location of the gear 17, the wheel 19 of the conversion mechanism, as well as the hinge axis 5 before starting work is the location of their geometric axes in a common vertical plane.

Работа С-К осуществляется реверсивным вращением вала 18 в соответствии с программой управления работой электродвигателя 15, что обеспечивает колебательное движение балансирной балки 6, а значит, и возвратно-поступательное движение подвижных частей ШГН и, как результат, циклическое извлечение из недр нефти, которая через накопители 12А отправляется по трубопроводам (на чертеже не показано) в емкости для сбора.The operation of S-K is carried out by reverse rotation of the shaft 18 in accordance with the program for controlling the operation of the electric motor 15, which ensures the oscillatory movement of the balancing beam 6, and hence the reciprocating movement of the moving parts of the SRP and, as a result, the cyclic extraction of oil from the bowels, which through drives 12A is sent through pipelines (not shown in the drawing) in a collection tank.

Claims

1. Pumping unit for oil production, including a balancing beam, mounted by means of a hinge on a support column and equipped at both ends with heads that provide the ability to service two sucker rod pumps, and kinematically connected to a drive containing an electric motor, a gearbox and a mechanism for converting rotational movement into an oscillatory one, characterized in that the drive is placed on a cantilever support fixed on the side surface of the rack head, and the conversion mechanism is made in the form of a gear mechanism, the gear of which is fixed on the output shaft of the gearbox, and part of the wheel in the form of a sector is fixedly mounted on the beam, with In this case, the geometric axis of the wheel is aligned with the corresponding axis of the hinge of the connection between the beam and the rack.

2. The rocking machine according to claim 1, characterized in that the gear mechanism is made in the form of a lantern mechanism, in which the lanterns are made rotating.

3. The pumping unit according to claim 1, characterized in that the parts of the balancing beam located on both sides of the hinge are made telescopic, while on the movable beam fragments the adjusting weights are mounted with the possibility of reciprocating movement.