Результат интеллектуальной деятельности: СТАНОК-КАЧАЛКА

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.

Станок-качалка применяется для механизированного способа добычи нефти установками скважинного ШГН (штангового глубинного насоса), который является самым распространенным способом эксплуатации скважин как в России, так и в других нефтедобывающих странах мира.

Известно устройство - СК (станок-качалка), который представляет собой преобразующий КШМ (кривошипно-шатунный механизм) с трансмиссией и двигателем, смонтированными на раме. СК - это индивидуальный наземный механический привод через колонну штанг передающий возвратно-поступательное движение плунжеру ШГН (1. Бухаленко Е.И. и др. Нефтепромысловое оборудование: Справочник. / Под ред. Е.И. Бухаленко.- М.: Недра, 1990. - 559 с.; 2. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 510 с).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является балансирный СК (1. с.54, рис.2.2; 2. с.386, рис.Х.9). Известно, что такой балансирный СК состоит из рамы, на которой смонтирована стойка с балансиром и его опорой, поворотная головка переднего конца балансира канатной подвеской соединяется с колонной штанг насоса. Задний конец балансира через траверсу и шатуны соединен с кривошипами, оснащенными противовесами. Кривошипы получают привод от редуктора, который клиноременной передачей связан с электродвигателем. Такое устройство хорошо работает при добыче нефти установками ШГН.

Однако применяемые в настоящее время балансирные СК имеют сложное устройство, большие габариты и массу, требуют значительные затраты на монтаж и эксплуатацию. Например, масса СК может достигать почти 35 тонн, а габаритные размеры: длина - 13,2 м, ширина - 3,1 м, высота - 11,5 м (2. с.387, таблица Х.5) для СК15-6-12500, где 15 - грузоподъемность СК в тоннах, 6 - максимальный ход в метрах и 12500 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кГм (2. с.385). Высота - 11,5 м почти в два раза больше хода - 6 м. Габариты и масса СК увеличены из-за того. что ось балансира расположена на значительном расстоянии от центра скважины. Монтаж СК начинается с подготовки и планировки площадки и рытья котлована под фундамент, который состоит из двух частей: подземной и наземной. Фундаменты могут быть монолитными (бутобетонными или железобетонными), сборными железобетонными и металлическими. Большие проблемы возникают из-за неуравновешенности работы устройства при подъеме и спуске колонны штанг, вызывающие колебания внутрицикловой нагрузки на двигатель, что приводит к необходимости повышения его мощности и затрат энергии. Клиноременная передача ограничивает эксплуатационные возможности СК, так как имеет небольшой диапазон передаточных чисел (отношение передаточного числа низшей передачи к высшей), невысокую долговечность, необходимость систематической регулировки натяжения ремней. Эксплуатационные характеристики каждой модели СК ограничены.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в снижении затрат на изготовление и эксплуатацию СК, расширение эксплуатационных характеристик за счет упрощения и совершенствования его конструкции, приводящей к существенному снижению габаритов и массы СК.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что станок-качалка содержит раму, противовесы, двигатель, при этом в верхней части рамы установлен редуктор, состоящий из простого трехзвенного планетарного механизма, имеющего солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпициклическое колесо, и соосной двухступенчатой коробки передач, соединительная муфта закреплена на валу двигателя и входном валу коробки передач, на котором закреплено водило с сателлитами и свободно установлены три шестерни, зацепленные с шестернями, закрепленными на промежуточном валу, расположенном параллельно входному валу, между двумя шестернями на входном валу закреплен зубчатый венец с установленной на нем муфтой переключения передач с вилкой и рычагами с датчиками переключения, при этом третья шестерня трубчатым выходным валом соединена с эпициклическим колесом, сателлиты водила зацеплены с эпициклическим колесом и солнечной шестерней, которая закреплена на выходном валу редуктора, на котором закреплены шестерня привода зубчатой рейки и барабан, гибкой связью соединенный с противовесами, на концах зубчатой рейки закреплены концевые выключатели.

Предлагаемое техническое решение существенно снижает габариты и массу станка-качалки за счет меньшей массы и высоты рамы, замены сложного, громоздкого привода, расположенного на расстоянии от центра на установленный над центром скважины, перемещение колонны штанг ШГН обеспечивается компактным зубчато-реечным механизмом с приводом от редуктора, состоящего из простого трехзвенного ПМ (планетарного механизма) и двухступенчатой КП (коробки передач). Работа ПМ в суммирующем режиме с постоянным приводом на водило с сателлитами, переключаемым приводом на эпициклическое колесо и выходом на солнечную шестерню, обеспечивает высокое передаточное число привода и легкое переключение реверса при близких значениях величин передаточных чисел переключаемых пар шестерен.

На фиг.1 приведена принципиальная схема одной из возможных компоновок СК в приводе ШГН, показан вид сбоку на СК в верхнем положении плунжера. Соединительная муфта закреплена на валу двигателя и входном валу соосной КП, противовесы гибкой связью (например, тросом) соединены с барабаном, который закреплен на выходном валу редуктора.

На фиг.2, а показан вариант компоновки СК с несоосной КП, гибкой связью (например, клиноременная или цепная передача) между валом двигателя и входным валом КП, показан вид сбоку на СК в нижнем положении плунжера. На дополнительном виде (фиг.2, б внутри рамы, рядом с клиноременной передачей), показан вариант редуктора с ПМ в исполнении несимметричного дифференциала РК (раздаточной коробки) автомобиля, который имеет зубчатый венец на корпусе водила.

На фиг.3 приведена схема СК с телескопическим механизмом, увеличивающим ход штока плунжера. На фиг.3, а показан вид спереди - две зубчатые рейки расположены рядом со штоком плунжера ШГН (противовесы на балансирах не показаны), а на фиг.3, б - вид сбоку при максимально выдвинутом положении штока плунжера ШГН.

Над устьем скважины 1 (см. фиг.1) со штоком 2 плунжера ШГН расположена пространственная рама 3 (элементы усиления и ограждения не показаны). Зубчатая рейка 4 установлена в направляющих 5 рамы 3, нижний конец зубчатой рейки 4 соединен со штоком 2 плунжера ШГН. В верхней части рамы 3 смонтированы двигатель 6 (например, электродвигатель или ДВС - двигатель внутреннего сгорания) и редуктор 7, который состоит из простого трехзвенного ПМ 8 и сосной двухступенчатой КП 9. ПМ 8 состоит из солнечной шестерни 10, водила 11 с сателлитами 12 и эпициклического колеса 13. Сателлиты 12 зацеплены с эпициклическим колесом 13 и солнечной шестерней 1, которая закреплена на выходном валу 14 редуктора 7, на валу 14 также закреплена шестерня 15 привода зубчатой рейки, которая зацеплена с зубчатой рейкой 4. КП 9 состоит из входного вала 16 привода водила 11 с сателлитами 12, на этом валу также свободно установлены шестерни 17 и 18 привода промежуточного вала 19, на котором закреплены шестерни 20-22. Шестерни 20 и 21 зацеплены с шестернями 17 и 18, а шестерня 22 - с шестерней 23, которая закреплена на трубчатом выходном валу 24 КП 9, на валу 24 также закреплено эпициклическое колесо 13. Между шестернями 17 и 18 на входном валу 16 закреплен зубчатый венец 25 с муфтой переключения 26. Муфта 26 взаимодействует с вилкой переключения 27, рычагами 28 и датчиками переключения 29. Концевые выключатели 30 установлены на концах зубчатой рейки 4. Соединительная муфта 31 закреплена на валу двигателя 6 и входном валу 16 КП 9. На валу 14 закреплен барабан 32, который гибкой связью 33, например тросом, соединен с противовесами 34, под которыми может быть расположено эластичное основание 35.

Фиг.2, а отличается от фиг.1 тем, что КП 36 несоосная - входной вал 37 расположен параллельно валу 38 привода водила 11 с сателлитами 12. На валу 38 закреплена шестерня 17, зацепленная с шестерней 20, закрепленной на входном валу 37, на котором свободно установлены шестерни 21 и 22, зацепленные с шестернями 18 и 23, закрепленными на выходном трубчатом валу 24. Гибкая связь 40, например клиноременная или цепная передача, расположена между валом двигателя 6 и входным валом 37 КП 36.

На фиг.2, б (под а внутри рамы 3 рядом с клиноременной передачей 40) шестерня 39 закреплена на корпусе водила 11 и зацеплена с шестерней 20 входного вала 37. Шестерни 18 и 23 закреплены на валу 38 привода эпициклического колеса 13 ПМ 8 и зацеплены с шестернями 21 и 22, свободно установленными на входном валу 37.

Два телескопических механизма (см. фиг.3), состоящие из длинных двуплечих звеньев 41, соединенных осями опор качания 42 в средней части и осями опор качания 43 в наконечниках, расположены над двумя двусторонними зубчатыми рейками 4. Балансиры 44 установлены на осях опор качания 45, закрепленных на раме 3. Они соединены с осями опор качания 43 наконечников нижних длинных двуплечих звеньев 41. На длинных плечах балансиров 44 закреплены противовесы 46. Верхние длинные двуплечие звенья 41 осями опор качания 43 соединены с короткими звеньями 47, которые осями опор качания 43 в верхней части взаимодействуют с длинной осью 48 коротких звеньев 47 телескопического механизма. К длинной оси 48 закреплен шток 2 плунжера ШГН. Телескопический механизм малой металлоемкости позволяет в широких пределах изменять ход насоса за счет применения различного числа и размеров звеньев.

Возможен вариант исполнения с постоянным приводом на эпициклическое колесо 13 одной парой шестерен, например, 20-17 и переключаемым приводом на водило 11 с сателлитами 12 двумя парами шестерен.

Противовесы 34 на гибкой связи 32 могут быть установлены как на фиг.1, так и на фиг.2 как с помощью барабана 32, так и через шкив, который гибкой связью соединяет нижний конец зубчатой рейки 4 с противовесами.

Предлагаемый СК - привод ШГН работает следующим образом. Шток 2 колонны штанг ШГН крепится к зубчатой рейке 4 (см. фиг.1 и 2) или к длинной оси 48 коротких звеньев 47 телескопа (см. фиг.3) в т.А над центром устья скважины 1. Крутящий момент от двигателя 6 передается на входной вал 16 КП 9 привода водила 11 соединительной муфтой 31 (см. фиг.1) или на входной вал 37 гибкой связью, например, клиноременной передачей 40 (см. фиг.2 и 3). Простой трехзвенный ПМ может обеспечить 10 различных режимов работы: семь в редукторном режиме, когда одно из звеньев остановлено относительно корпуса, и три в суммирующем режиме, когда крутящий момент подается на два звена и снимается с третьего.

В ПМ 8 реализован вариант, когда крутящий момент подается с постоянной частотой вращения на водило 11 «h» и сателлиты 12 от входного вала 16 (см. фиг.1) или от входного вала 37, по паре шестерен 20-17 и по валу 38 (см. фиг.2), с переключаемой на эпициклическое колесо 13 «b» от входного вала 16, зубчатым венцом 25 и муфтой переключения 26 по паре шестерен 17-20 или 18-21 на промежуточный вал 19, по паре шестерен 22-23, далее на трубчатый выходной вал 24 (см. фиг.1). На фиг.2 - от входного вала 37 муфтой 26 крутящий момент передается по паре шестерен 21-18 или 22-23, далее на трубчатый выходной вал 24 и эпициклическое колесо 13 «b». Результирующий момент снимается с солнечной шестерни 10 «а», далее выходным валом 14 редуктора 7 на шестерню 15 привода зубчатой рейки 4.

Кинематика ПМ в этом режиме описывается формулой

где: u - передаточное число, индекс вверху указывает на остановленное звено ПМ «h» - водило, индексы внизу «ab» - звенья входа «а» (солнечная шестерня) и выхода потока мощности «b» (эпициклическое колесо). K=Z_b/Z_a, - внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни (См. Планетарные передачи. Справочник. /Под ред. В.Н.Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшова. - Л.: Машиностроение. 1972. - 560 с.).

Можно получить передаточное число ПМ, равное бесконечности при n_a=0. В этом случае кn_b=(к+1)n_h. Если принять к=2, как у несимметричных дифференциалов, применяемых в РК отечественных автомобилей УРАЛ-4320, КамАЗ-5410, то получим 2n_b=3n_h или n_b=1,5n_h. Величина передаточного числа к эпициклическому колесу должна равняться u_b=1/1,5=0,667. При незначительных изменениях от этого числа получим высокие значения величин передаточных чисел ПМ. Если на входе в ПМ частота вращения водила n_b=1000 об/мин, а u_b=0,65; то на выходе получим:

n_a=-кn_b+(к+1)n_h=-2×1000/0,65+3×1000=-76,9 об/мин;

Знак «-» указывает на изменение направления вращения выходного звена ПМ.

Передаточное число ПМ u_пм=1000/76,9=13.

При u_b=0,66; n_a=-2×1000/0,66+3×1000=-30,3 об/мин;

u_пм=1000/30,3=33.

При u_b=0,664; n_a=-2×1000/0,664+3×1000=-12,05 об/мин;

u_пм=1000/12,05=83.

При u_b=0,67; n_a=-2×1000/0,67+3×1000=14,9 об/мин;

u_пм=1000/14,9=67,1.

При u_b=0,675; n_a=-2×1000/0,675+3×1000=37 об/мин;

u_пм=1000/37=27.

При интервале передаточных чисел q=0,67/0,664=1,009 получаем хорошие условия для переключения передач, шестерни 17 и 18 (см. фиг.1) входного вала 16 и муфты переключения 26 вращаются практически с одинаковой частотой, обеспечивая реверс и высокие значения передаточных чисел ПМ: 67,1 в одну сторону и 83 - в другую. Незначительное увеличение интервала, например, до q=0,675/0,66=1,023 существенно снижает значения передаточных чисел ПМ: 27 и 33.

Варьируя значениями величин передаточных чисел в парах шестерен 17-20 и 18-21, можно получить различные частоты вращения выходного вала 14 редуктора 7 и скорости движения зубчатой рейки 4, колонны штанг 2 и плунжера ШГН.

Такт нагнетания в ШГН при движении плунжера, колонны штанг 2 и зубчатой рейки 4 вверх обеспечивается при перемещении муфты переключения 26, например, влево и замыкании шестерни 18 на зубчатый венец 25. Крутящий момент (см. фиг.1) от двигателя 6 соединительной муфтой 31 передается на входной вал 16 КП 9 и по валу 16 на водило 11 и сателлиты 12 ПМ 8, а также парой шестерен 18-21 - на промежуточный вал 19, парой шестерен 22-23 - на трубчатый выходной вал 24 и эпициклическое колесо 13. Усилия суммируются на солнечной шестерне 10 и с замедленной частотой вращение передается на выходной вал 14 редуктора 7 и шестерню 15, зацепленную с зубчатой рейкой 4, вращение шестерни 15 преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки 4, которая по направляющим 5 пространственной рамы 3 перемещается вверх. Противовесы 34 гибкой связью 33, закрепленной к барабану 32 на валу 14, облегчают условия перемещения колонны штанг 2 вверх. На заключительном этапе перемещения зубчатой рейки 4 противовесы 34 опираются на эластичное основание 35 (см. фиг.1), нижний концевой выключатель 30 наклонной поверхностью передвигает вправо нижний датчик 29, рычагом 28 вилка 27 смещает муфту переключения 26 с шестерни 18 на шестерню 17, при этом выключает из работы пару шестерен 18-21 и включает пару шестерен 17-20. Частота вращения эпициклического колеса 13, направление вращения солнечной шестерни 10, выходного вала 14, барабана 32 и шестерни 15 изменяются - зубчатая рейка 4 и колонна штанг 2 с плунжером перемещаются вниз, обеспечивая такт заполнения насоса жидкостью. Вес колонны штанг 2 и перекачиваемой ШГН жидкости способствует этому перемещению, при этом барабан 32 гибкой связью 33 перемещает противовесы 34 вверх. На заключительном этапе перемещения зубчатой рейки 4 вниз верхний концевой выключатель 30 наклонной поверхностью передвигает влево верхний датчик 29, рычагом 28 вилка 27 смещает муфту переключения 26 с шестерни 17 на шестерню 18, при этом выключает из работы пару шестерен 17-20 и включает пару шестерен 18-21, что вызывает изменение направления движения зубчатой рейки 4.

На фиг.2 крутящий момент поступает от двигателя 6 на входной вал 37 КП 36 по клиноременной передаче 40, которая также защищает привод от возможных перегрузок за счет пробуксовки ремней, на фиг.1 защита от перегрузки обеспечивается соединительной муфтой 31. Крутящий момент от входного вала 37 парой шестерен 20-17 передается на вал 38 и водило 11 с сателлитами 12, а зубчатым венцом 25, муфтой переключения 26 - на пару шестерен 21-18 или 22-23, трубчатым выходным валом 24 - на эпициклическое колесо 13. Переключая муфту 26 на шестерню 21 или 22, изменяют направление вращения выходного вала 14 редуктора 7 и шестерни 15, а значит и направление движения зубчатой рейки 4 со штоком плунжера ШГН 2.

Скорость движения плунжера насоса можно варьировать, изменяя размеры шестерен в редукторе 7 и шестерни 15 выходного вала 14.

Для существенного увеличения хода плунжера 2 можно применить два параллельно установленных телескопических механизма (см. фиг.3). Две зубчатые рейки 4 взаимодействуют с осями 42 опор качания середины длинных двуплечих звеньев 41, расположенными над балансирами 44 телескопического механизма. Величина перемещения зубчатой рейки 4 умножается на число секций телескопического механизма - четыре секции на фиг.3. Если ход реек 4 составит 2 м, то т.А на длинной оси 48 коротких звеньев 47 телескопического механизма вместе с плунжером 2 ШГН переместится на 8 м.

Кинематика коротких плеч балансиров 44, двуплечих звеньев 41 и коротких звеньев 47 телескопического механизма, соединенных осями с опорами качания 42, 43 и 45, обеспечивает вертикальное перемещение т.А и колонны штанг скважинного насоса. Устойчивость телескопической системы обеспечивается как правильной кинематикой перемещений, так и ограничением хода каждой секции звеньев телескопического механизма, а также возможным контактом противовесов 46 с опорной поверхностью в крайнем положении. Противовесы 46, расположенные на длинных плечах балансиров 44, частично уравновешивают вес колонны штанг 2 скважинного насоса. Уравновешивание может быть достигнуто как изменением массы противовесов 46, так и изменением величины длинного плеча балансиров 44, например, перемещением противовеса 46 по резьбе балансира 44 (на фиг.3 не показана).