RU2801627C1

RU2801627C1 - Pumping unit for oil production

Info

Publication number: RU2801627C1
Application number: RU2022125217A
Authority: RU
Inventors: Эрнст Иванович Деникин
Original assignee: Эрнст Иванович Деникин
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2023-08-11

Abstract

FIELD: oil production.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of mechanized oil production, as well as to the design of technical means that ensure the implementation of this technology. The pumping unit for oil production contains a beam mounted on a rack, equipped with heads at its ends, providing, by means of a cable connection, the possibility of servicing two sucker rod pumps (SRP), the reciprocating movements of the rods of which are carried out using a drive, including a gear motor, output the shaft of which is connected to a mechanism for converting the rotational motion of the drive into an oscillatory motion, containing a disk mounted on the shaft of the gearbox and a bearing pin placed in the slot of the carrier that performs the oscillatory motion. In this case, the beam is fixedly mounted on the rack, the heads are made in the form of pulleys, and the drive is located on the frame at the base of the rack and the ends of the ropes, opposite to the SRP, are connected to the drum, with which a toothed gear is fixed on a common shaft, interacting with the carrier, which, in its the turn, is made in the form of a sector of a gear wheel mounted on a frame with the possibility of oscillatory movement.

EFFECT: improved performance of the pumping unit by reducing the energy consumption of the drive by eliminating the influence of inertial forces from the oscillatory movement of the balancing beam with heads, which is fixedly mounted on the rack, and placing the drive at the base of the rack improves service conditions and operation of the pumping unit.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии механизированной добычи нефти, а также к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.The invention relates to the technology of mechanized oil production, as well as 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].A 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].

Типичными недостатками практически любого С-К являютсяTypical 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 cable 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.

Дальнейшее совершенствование С-К связано с решением технических задач, направленных на упрощение конструкции таких станков, уменьшение материалоемкости при их изготовлении, а также снижение различного рода эксплуатационных затрат и повышение производительности в перерасчете на один С-К.Further improvement of the C-C is associated with the solution of technical problems aimed at simplifying the design of such machines, reducing the consumption of materials in their manufacture, as well as reducing various types of operating costs and increasing productivity in terms of one C-C.

В значительной мере вышеуказанные задачи нашли свое решение в конструкции С-К, описанной в RU 2770704 и выбранной в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Так, эта конструкция предполагает использование в качестве противовеса подвижную часть ШГН соседней скважины, которую монтируют на станке-качалке вместо противовеса, при этом подвижные части обоих ШГН в рабочем процессе перемещают в противофазе относительно друг друга, что ведет к повышению производительности С-К в два раза в расчете на один станок. Конструкция последнего включает балансирную балку, снабженную приводом в виде мотор-редуктора и смонтированную на стойке, на одном конце которого закреплена головка, связанная посредством каната с подвижной частью ШГН, а другой конец связан с противовесом, выполненным в виде подвижной части ШГН соседней скважины, которая с помощью каната через головку связана с концом балансирной балки, в средней своей части опирающейся через поворотный шарнир на опору в виде наружной части дна стакана, установленного на стойке, выполненной в виде сваи, погруженной в грунт. Концы балансирной балки выполнены телескопическими, при этом подвижные части несут на себе головки для связи с подвижными частями обоих ШГН. При этом привод смонтирован на консольной опоре, закрепленной на боковой поверхности стакана и включает в себя электродвигатель, на валу которого установлен диск, несущий на своей поверхности палец, помещенный в прорезь водила, в свою очередь, закрепленного на балансирной балке так, что продольная ось симметрии водила и продольные оси поворотного шарнира и электродвигателя лежат в общей вертикальной плоскости. Кроме того, на подвижных частях балансирной балки установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения регулировочные шайбы.To a large extent, the above tasks have found their solution in the design of the S-K described in RU 2770704 and chosen as a prototype of the present invention. Thus, this design involves the use as a counterweight of the movable part of the SRP of an adjacent well, which is mounted on a pumping unit instead of a counterweight, while the movable parts of both SRPs are moved in antiphase relative to each other in the working process, which leads to an increase in the productivity of the S-K by two times per machine. The design of the latter includes a balancing beam, equipped with a drive in the form of a geared motor and mounted on a rack, at one end of which a head is fixed, connected by means of a rope with the movable part of the SHP, and the other end is connected to a counterweight made in the form of a movable part of the SHP of an adjacent well, which with the help of a rope through the head, it is connected to the end of the balancing beam, in its middle part resting through the swivel hinge on the support in the form of the outer part of the bottom of the glass, mounted on a rack made in the form of a pile immersed in the ground. The ends of the balancing beam are made telescopic, while the movable parts carry heads for connection with the movable parts of both SRPs. In this case, the drive is mounted on a cantilever support fixed on the side surface of the cup and includes an electric motor, on the shaft of which a disk is mounted, carrying a finger on its surface, placed in the slot of the carrier, in turn, fixed on the balancing beam so that the longitudinal axis of symmetry the carrier and the longitudinal axes of the rotary joint and the electric motor lie in a common vertical plane. In addition, adjusting washers are mounted on the moving parts of the balancing beam with the possibility of reciprocating movement.

Несмотря на то, что конструкция С-К по прототипу обладает рядом преимуществ в сравнении со станками, снабженными одним ШГН, к его недостаткам следует отнести следующие: во-первых, размещение привода на оголовке стойки (сваи), т.е. на высоте, затрудняет проведение профилактических осмотров и ремонтных работ, во-вторых, имеет место повышенная энергоемкость привода из-за влияния инерционных сил от колебательного движения основной балки с головками.Despite the fact that the S-K design according to the prototype has a number of advantages in comparison with machines equipped with one SRP, its disadvantages include the following: firstly, the placement of the drive on the head of the rack (pile), i.e. at a height, makes it difficult to carry out routine inspections and repair work, and secondly, there is an increased energy intensity of the drive due to the influence of inertial forces from the oscillatory movement of the main beam with heads.

Таким образом, задачей изобретения является улучшение условий эксплуатации С-К, а также снижение энергозатрат привода.Thus, the objective of the invention is to improve the operating conditions of the S-K, as well as to reduce the energy consumption of the drive.

Поставленная задача решается за счет того, что в станке-качалке для добычи нефти, содержащем балку, установленную на стойке, снабженную на своих концах головками, обеспечивающими посредством канатной связи возможность обслуживания двух ШГН, возвратно-поступательные перемещения штоков которых осуществляются с помощью привода, включающего мотор-редуктор, выходной вал которого связан с механизмом преобразования вращательного движения привода в колебательное движение, содержащим диск, смонтированный на валу редуктора и несущий палец, помещенный в прорезь водила, совершающего колебательное движение, при этом балка неподвижно установлена на стойке, головки выполнены в виде шкивов, а привод расположен на раме у основания стойки и концы канатов противоположные ШГН связаны с барабаном, с которым на общем валу закреплена зубчатая шестерня, взаимодействующая с водилом, которое, в свою очередь, выполнено в виде сектора зубчатого колеса, установленного на раме с возможностью колебательного движения.The problem is solved due to the fact that in the pumping unit for oil production, containing a beam mounted on a rack, equipped at its ends with heads that provide, through a cable connection, the possibility of servicing two SPGs, the reciprocating movements of the rods of which are carried out using a drive that includes motor-reducer, the output shaft of which is connected with a mechanism for converting the rotational motion of the drive into an oscillatory motion, containing a disk mounted on the shaft of the gearbox and a bearing pin placed in the slot of the carrier, performing an oscillatory motion, while the beam is fixedly mounted on the rack, the heads are made in the form pulleys, and the drive is located on the frame at the base of the rack and the ends of the ropes opposite the SRP are connected to the drum, with which a toothed gear is fixed on a common shaft, interacting with the carrier, which, in turn, is made in the form of a gear sector mounted on the frame with the possibility oscillatory movement.

Технический результат изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик С-К за счет снижения энергоемкости привода путем устранения влияния инерционных сил от колебательного движения балансирной балки с головками, которая установлена на стойке неподвижно, а размещение привода у основания стойки улучшает условия обслуживания и эксплуатации С-К.The technical result of the invention is to improve the operational characteristics of the S-K by reducing the energy consumption of the drive by eliminating the influence of inertial forces from the oscillatory movement of the balancing beam with heads, which is fixedly mounted on the rack, and the placement of the drive at the base of the rack improves the conditions for maintenance and operation of the S-K.

На чертежах, прилагаемых к описанию, даны: на фиг. 1 - схематическое изображение С-К; на фиг. 2 - вид по стрелке А на привод С-К.The drawings accompanying the description show: in Fig. 1 - schematic representation of S-K; in fig. 2 - view along arrow A on the drive C-K.

Несмотря на отсутствие в предлагаемой конструкции станка для добычи нефти балансирной балки, совершающей колебательные движения в рабочем процессе, для названия объекта в целом сохранено традиционное определение - станок-качалка, в котором отражается колебательный характер перемещения ШГН.Despite the absence of a balancing beam in the proposed design of the oil production machine, which makes oscillatory movements in the working process, the traditional definition is retained for the name of the object as a whole - a pumping unit, which reflects the oscillatory nature of the movement of the SRP.

Конструкция С-К включает балку 1, которая своей средней частью опирается и крепится посредством фланца 2 на днище стакана 3, в свою очередь, смонтированного на стойке 4, в качестве которой может быть использована как обычная, так и винтовая сваи, особенно последняя, как легко погружаемая в грунт и представляющая собой надежную опору для устройства в целом. Балка 1 представляет собой пространственную металлическую ферму, снабженную на обоих концах головками, выполненными в виде блоков 5, обеспечивающих приводу 6 с помощью канатной связи возможность одновременного обслуживания двух ШГН. Привод 6 представляет собой мотор-редуктор, в котором в блочном исполнении соединены редуктор 7 и электродвигатель (на чертеже не показан), размещенные и закрепленные на раме 8, установленной у основания стойки 4. На раме 8 смонтирован в опорах 9 барабан 10, который связан с выходным валом! 1 редуктора 7 через механизм преобразования вращательного движения на выходе из привода в колебательное движение барабана (далее механизм преобразования), который содержит зубчатую шестерню 12, установленную на общем валу с барабаном 10 и взаимодействующую с водилом 13, выполненным в виде сектора зубчатого колеса, смонтированного на раме 8 с возможностью колебательного движения. Последнее является следствием последовательного взаимодействия между собой конструктивных элементов механизма преобразования: в секторе зубчатого колеса выполнена радиальная прорезь 14, в которую введен палец 15, размещенный перпендикулярно плоскости диска 16 и смещенный в радиальном направлении от центра вращения последнего. Диск 16 закреплен на выходном валу 11 редуктора 7. Движение по окружности пальца 15 в прорези 14 вызывает колебательное движение водила 13. Гибкая связь привода 6 с каждым ШГН представлена двумя отрезками 17 канатов, которые, в конечном итоге, соединяют между собой барабан 10 с каждым из ШГН. На балке 1 над барабаном 10 установлены пара дополнительных направляющих блоков 18.Соединение отрезков 17 канатов с барабаном 10 осуществляется на его образующей поверхности с противоположных сторон, что обеспечивает перемещение штоков 19 в накопителях 20 в противофазе, т.е. одновременное движение штоков идет всегда в противоположных направлениях. Полное статическое уравновешивание ветвей обоих ШГН достигается применением грузов 21, закрепляемых на отрезках канатов 17. Работает С-К следующим образом.The S-K design includes a beam 1, which, with its middle part, rests and is fixed by means of a flange 2 on the bottom of the cup 3, which, in turn, is mounted on a rack 4, which can be used as a regular or screw pile, especially the latter, as easily immersed in the ground and representing a reliable support for the device as a whole. The beam 1 is a spatial metal truss, equipped at both ends with heads made in the form of blocks 5, which provide the drive 6 with the help of a cable connection the possibility of simultaneously servicing two SPGs. The drive 6 is a motor-reducer, in which the gearbox 7 and the electric motor (not shown in the drawing) are connected in a block version, placed and fixed on the frame 8 installed at the base of the rack 4. On the frame 8, the drum 10 is mounted in the supports 9, which is connected with output shaft! 1 of the gearbox 7 through the mechanism for converting the rotational movement at the output of the drive into the oscillatory movement of the drum (hereinafter referred to as the conversion mechanism), which contains a toothed gear 12 mounted on a common shaft with the drum 10 and interacting with the carrier 13, made in the form of a gear sector mounted on frame 8 with the possibility of oscillatory movement. The latter is a consequence of the sequential interaction between the structural elements of the transformation mechanism: in the sector of the gear wheel, a radial slot 14 is made, into which a pin 15 is inserted, placed perpendicular to the plane of the disk 16 and displaced in the radial direction from the center of rotation of the latter. The disc 16 is fixed on the output shaft 11 of the gearbox 7. Movement around the circumference of the pin 15 in the slot 14 causes the carrier 13 to vibrate. from SGN. On the beam 1 above the drum 10, a pair of additional guide blocks 18 is installed. the simultaneous movement of the rods always goes in opposite directions. Full static balancing of the branches of both SRPs is achieved by using weights 21, fixed on sections of ropes 17. C-K works as follows.

Предварительно, перед началом эксплуатации С-К осуществляют уравновешивание подвижных частей обоих ШГН путем использования тензометрической аппаратуры. Работа С-К начинается с вращения барабана 10, которое осуществляется приводом 6 в циклическом режиме, обеспечиваемым механизмом преобразования, с помощью которого вращение выходного вала 11 редуктора 7 трансформируется диском 16 и пальцем 15, помещенным в прорезь 14, в колебательное движение водила 13, выполненное в виде сектора зубчатого колеса. Последний сцеплен с зубчатой шестерней 12, которая вращается попеременно в разные стороны, придавая такое же движение барабану 10. В процессе вращения барабана один из отрезков 17 канатов сматывается с него, а другой - наматывается, чем осуществляется перемещение штоков 19 обоих ШГН в противофазе, позволяющее извлекать нефть практически непрерывно, увеличивая таким образом производительность одного С-К в два раза, при минимизации энергозатрат за счет двух факторов: первый - высокая степень уравновешенности нагрузок обоих ШГН в статике, достигаемая применением грузов 21, и второй - исключение влияния инерционных сил, возникающих при качании балансирной балки в конструкции традиционного С-К.Previously, before the start of operation of the S-K, the moving parts of both SRPs are balanced by using strain gauge equipment. The work of S-K begins with the rotation of the drum 10, which is carried out by the drive 6 in a cyclic mode, provided by the conversion mechanism, with the help of which the rotation of the output shaft 11 of the gearbox 7 is transformed by the disk 16 and the pin 15, placed in the slot 14, into the oscillatory movement of the carrier 13, performed in the form of a sector of a gear wheel. The latter is coupled with the gear 12, which rotates alternately in different directions, giving the same movement to the drum 10. During the rotation of the drum, one of the segments 17 of the ropes is unwound from it, and the other is wound, which moves the rods 19 of both SPGs in antiphase, allowing to extract oil almost continuously, thus increasing the productivity of one S-C twice, while minimizing energy costs due to two factors: the first is a high degree of balance of the loads of both SPGs in statics, achieved by using loads 21, and the second is the exclusion of the influence of inertial forces arising when swinging the balance beam in the design of the traditional S-K.

Claims

Pumping unit for oil production, containing a beam mounted on a rack, equipped at its ends with heads that provide the drive with a cable connection the ability to service two sucker rod pumps (SRP), the reciprocating movements of the rods of which are carried out using a drive that includes a gear motor , the output shaft of which is connected to a mechanism for converting the rotational movement of the drive into an oscillatory movement, containing a disk mounted on the shaft of the gearbox and a bearing pin placed in the slot of the carrier, performing an oscillatory movement, characterized in that the beam is fixedly mounted on the rack, the heads are made in the form of pulleys , while the drive is located on the frame at the base of the rack and the ends of the ropes, opposite to the SRP, are connected to the drum, with which a toothed gear is fixed on a common shaft, interacting with the carrier, which in turn is made in the form of a gear sector mounted on the frame with the possibility oscillatory movement.