Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННО-НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к нефтехимической отрасли машиностроения и может быть использовано при проектировании скважинно-насосных установок.

Известна скважинно-насосная установка, содержащая станок-качалку для установки рядом со скважиной, имеющую балансир с поворотной головкой, насос для установки в скважине, включающий цилиндр со всасывающими клапанами и плунжер с нагнетательными клапанами, установленный внутри цилиндра с возможностью возвратно-поступательного движения, в верхней части плунжера образован устьевой шток, связанный посредством гибкой связи с поворотной головкой (см. рекламный лист ЦИНТИхимнефтемаш, ПМБ, 119048, г.Москва, Г-48, ул. Доватора, 12 Подп.в печать 28.03.79 г., УДК 622.276.53-83; каталог «Скважинные штанговые насосы для добычи нефти» ЦИНТИхимнефтемаш, 119048, г.Москва, Г-48, ул. Доватора, 12, типография НИИМаш, г.Щербинка, Подп.в печать 14.01.80 г., УДК 622.276.054.22 (085)).

Недостатком известного устройства является то, что рабочее усилие на устьевой шток при подъеме плунжера насоса довольно значительно и достигает нескольких тонн. Это усилие обусловлено массой плунжера, устьевого штока и массой столба нефти, подаваемой в магистраль, перемещаемых в скважине по вертикали с ускорением, значение которого при качении балансира не постоянно и достигает максимальных значений при прохождении балансира крайних положений. При этом возникает динамическая нагрузка на устьевой шток и на все силовые узлы, соединенные с ним, которая может достигать двукратного значения, что требует соответствующего увеличения запаса прочности и, следовательно, утяжеления конструкции.

Наиболее близким к предложенному является устройство для приведения в движение в прямом направлении штока в насосном блоке с поршневым штоком (скважинно-насосная установка), содержащее электрический линейный двигатель, включающий якорь, статоры и основание, установленный в нужном положении относительно рабочей оси насоса с поршневым штоком, при этом якорь двигателя соединен с верхним концом штока, механизм уравновешивания, находящийся в контакте с верхним концом якоря (см. Патент US 6213722).

Недостатком известного решения является сложное схемотехническое и конструктивное исполнение линейного электродвигателя, необходимость использования сложного электронного преобразователя частоты с комплектом датчиков положения штока, осуществляющего управление линейным электродвигателем; необходимость постоянной работы элементов электродвигателя, имеющего большие габариты, что вызывает большие экономические затраты, имеет большую потребляемую мощность, возможны скачки перегрузок, что вызывает возникновение больших концентраций напряжений; сложность ремонта в случае выхода из строя линейного электродвигателя; необходимость максимально точного позиционирования электродвигателя относительно штока, строгое соблюдение соосности; в случае выхода из строя противовеса, необходимо производить полный демонтаж конструкции для его замены, наличие сложных механизмов уравновешивания, которые требуют дополнительных расчетов, выбора места установки, сложного монтажа с применением специальных технических средств, дополнительного технического обслуживания, в результате чего понижается ремонтопригодность установки в целом.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности демпфирования (снижение) динамических нагрузок узлов и деталей устройства в каждом положении штока, исключение скачков перегрузок, обеспечение плавности хода устьевого штока.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что скважинно-насосная установка содержит станок-качалку для установки рядом со скважиной, насос с плунжером для установки в скважине, в верхней части плунжера образован устьевой шток, на верхней части которого закреплена подвижная часть электромагнита, охватываемая статорной частью электромагнита с обмоткой, причем станок-качалка имеет балансир с поворотной головкой, которая связана посредством гибкой связи с устьевым штоком, балансир связан с приводным двигателем, при этом установка снабжена устройством автоматического управления, связанным с приводным двигателем и электромагнитом с возможностью изменения угловой скорости вращения вала приводного двигателя и с возможностью возбуждения в подвижной части электромагнита при каждом положении устьевого штока соответствующей демпфирующей силы.

Кроме того, подвижная часть электромагнита может быть выполнена в виде стального сердечника, имеющего цилиндрическую форму с кольцевыми оребрениями, а статорная часть электромагнита может быть выполнена в виде блока кольцевых электромагнитов.

Кроме того, подвижная часть электромагнита и его статорная часть могут быть выполнены в виде разъемных полукольцевых блоков.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показано предлагаемое устройство; на фиг.2 показан узел электромагнита с его подвижной и статорной частями, вынос A на фиг.1; на фиг.3 схематично показано устройство автоматического управления и его соединение с приводным электродвигателем и электромагнитом.

Скважинно-насосная установка содержит станок-качалку, которая включает в себя опорную раму 1, установленную на заранее подготовленном фундаменте 2 рядом со скважиной 3. На опорной раме 1 смонтированы редуктор 4 с приводным двигателем 5 и стойка 6 с качающимся балансиром 7, выполненным в виде двуплечей балки, на одном конце которой образована поворотная головка 8. На выходном валу редуктора 4 закреплен кривошип 9 с противовесом 10, при этом кривошип 9 подвижно соединен с шатуном 11, траверсой 12 и свободным концом балансира 7 (фиг.1).

Скважинно-насосная установка также содержит насос, установленный в скважине 3, включающий цилиндр 13, в нижней части которого образованы всасывающие клапаны 14, и плунжер 15 с нагнетательными клапанами 16, установленный внутри цилиндра 13 с возможностью возвратно-поступательного движения. В верхней части цилиндра 13 выполнены отверстия 17, а в верхней части плунжера 15 выполнены отверстия 18 для перепуска нефти в полость цилиндра 13 (фиг.1).

С верхней частью плунжера 15 соединен устьевой шток 19, связанный посредством гибкой связи 20, например тросовой, с поворотной головкой 8 балансира 7 станка-качалки. Устьевой шток 19 взаимодействует с электромагнитом, при этом на верхней части устьевого штока 19 закреплена подвижная часть электромагнита, выполненная в виде стального сердечника 21 цилиндрической формы (фиг.2) с кольцевыми оребрениями (не показаны). Сердечник 21 расположен внутри статорной части 22 электромагнита, выполненной в виде блока кольцевых электромагнитов, охватывающих с образованием кольцевого зазора 23 (фиг.3) стальной сердечник 21. Статорная часть 22 электромагнита установлена неподвижно на заранее подготовленном фундаменте 2.

Подвижная часть 21 и статорная часть 22 электромагнита могут быть выполнены с диаметральным разъемом, разделяющим их на составные полукольцевые блоки (не показаны), что повышает эксплуатационные характеристики устройства, обеспечивая удобство монтажа и демонтажа электромагнита, при необходимости не демонтируя насос из скважины.

Скважинно-насосная установка содержит устройство 24 автоматического управления, связанное с приводным двигателем 5 с возможностью изменения угловой скорости вращения вала (не показан) приводного двигателя 5. Устройство 24 также связано с электромагнитом с возможностью возбуждения в его подвижной части 21 при каждом положении устьевого штока 19 соответствующей демпфирующей электромагнитной силы, направленной вдоль оси устьевого штока 19, противодействуя инерционной силе нагруженных узлов.

Работает установка следующим образом.

При добыче нефти скважинный насос спускают в скважину 3 на колонне насосно-компрессорных труб и насосных штанг (не показаны). Плунжер 15 имеет возможность совершать поступательные перемещения вверх-вниз, следуя качанию балансира 7 станка-качалки. При перемещении плунжера 15 из крайнего нижнего положения вверх происходит всасывание нефти из скважины 3 в полость цилиндра 13 через открытые всасывающие клапаны 14. Из верхнего положения плунжер 15 опускается вниз, при этом всасывающие клапаны 14 цилиндра запираются, а нагнетательные клапаны 16 плунжера 15 открываются, обеспечивая перетекание нефти из полости цилиндра 13 в полость плунжера 15. При очередном перемещении плунжера 15 вверх процесс повторяется, вновь происходит заполнение нефтью полости цилиндра 13 через всасывающие клапаны 14. Далее, при очередном перемещении плунжера 15 вниз всасывающие клапаны 14 цилиндра 13 запираются, а нагнетательные клапаны 16 плунжера 15 открываются, через которые нефть из полости цилиндра 13 перетекает в полость плунжера 15. Таким образом, последующим перемещением плунжера 15 вверх-вниз избыток нефти через отверстия 18, 17 в верхней части плунжера 15 и цилиндра 13 заполняет скважину 3 и через отвод 25 в ее верхней части поступает в магистраль 26.

Введение в устройство электромагнита, приводимого в действие в определенные моменты устройством 24 автоматической системы управления, позволяет существенным образом изменить силовую нагрузку узлов и деталей насосной установки.

Анализ движения, совершаемого плунжером 15 насоса в процессе его работы, показывает, что в короткие промежутки времени при прохождении крайней нижней точки вся масса подвески устьевого штока 19 (плунжер 15 и подаваемая в магистраль нефть, находящаяся выше плунжера 15) испытывает двукратную перегрузку, передаваемую через устьевой шток 19 на все силовые узлы и детали станка-качалки из-за максимального ускорения в этой зоне.

Введение в установку электромагнита и устройства 24 автоматической системы управления, позволяет существенным образом изменить силовую нагрузку узлов и деталей насосной установки. В крайней нижней зоне движения плунжера 15 своевременным включением электромагнита создается противодействующая демпфирующая сила на устьевой шток 19, снимающая избыток нагрузки с узлов и деталей станка-качалки и передающая ее на фундамент 2.

Устройство 24 автоматической системы управления работает по определенному закону, зависящему от положения балансира 7 в определенный момент. Устройство рассчитывает движение приводного двигателя и балансира и в определенное положение подается команда на вал приводного двигателя 5 и на электромагнит. Подача сигнала происходит при определенном положении устьевого штока 19.

Электромагнитная сила направлена против действия массовых сил устройства и существенно снижает их, а реакция от воздействия электромагнитной силы статорной частью 22 электромагнита передается на фундамент 2. Выключение электромагнита в нужный момент осуществляется аналогично включению устройством 24.

Динамика движения частей устройства заключается в следующем:

- за счет введения в конструкцию устройства 24 автоматической системы управления движение устьевого штока 19 на всем пути его перемещения происходит со значительно уменьшенными ускорениями, что обеспечивается заложенной в систему управления программой изменения угловой скорости вращения вала приводного двигателя 5, при этом происходит сглаживание пиков ускорения устьевого штока 19 за счет того, что изменение скорости движения с его максимального значения до нуля происходит с постоянным градиентом на максимальном отрезке, равном половине длины хода устьевого штока 19, этим существенно снижаются (в 1,5-2 раза) инерционные нагрузки на силовые узлы установки;

- подача электропитания на статорную часть 22 электромагнита осуществляется по определенному закону, связанному с положением устьевого штока 19, и обеспечивается подача электропитания устройством 24 автоматической системы управления, при этом для каждого положения устьевого штока 19 электромагнитом возбуждается соответствующая демпфирующая сила, противодействующая инерционной, разгружая силовые узлы устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает разгрузку всех силовых узлов станка-качалки за счет снижения инерционных нагрузок, действующих на устьевой шток 19, а также за счет создания демпфирующей электромагнитной силы, противодействующей инерционным нагрузкам на всем пути движения устьевого штока 19.