Результат интеллектуальной деятельности: ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА

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

Известен привод скважинного штангового насоса (патент RU №2200876, МПК F04B 47/02, опубл. 20.03.2003, бюл.№8), содержащий установленную на основании раму и размещенные на ней двигатель, механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, охваченный гибким непрерывным звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих и связанным через гибкое звено с колонной штанг, при этом противовес выполнен сборным, состоящим из основного противовеса, нормализующего работу привода насоса, снабженного штангами минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, и дополнительных противовесов, выполненных с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости гибкого непрерывного звена на основном противовесе, при этом суммарный центр тяжести расположен в непосредственной близости от этой плоскости, а гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей, узлы соединения ветвей гибкого звена с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена за пределами его контура, при этом узлы соединения гибкого звена с противовесом и узлом подвески штанг выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей гибкого звена, а рама снабжена колесами и дополнительным приводом и выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, а колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими, и дополнительной рамой, соединенной с основной рамой с возможностью перемещения в направлении оси симметрии контура гибкого непрерывного звена, проходящей через ведущий и криволинейный направляющий элемент преобразующего механизма, причем соединение выполнено с возможностью фиксации дополнительной рамы относительно основной в любом положении, при этом гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, выполнено замкнутым.

Наиболее близким по техническому решению является привод скважинного штангового насоса (патент US №4916959, Int. Cl. 4 B66B 5/26, опубл. 17.04.1990), содержащий установленные на основании на единой раме с корпусом двигатель, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий и ведомые шкивы, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих корпуса и связанным через гибкое звено с узлом подвески штанг, причем оси преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена находятся вблизи одной вертикальной плоскости, а верхний (ведомый) шкив установлен в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения непрерывного гибкого звена.

Однако известные устройства имеют следующие недостатки:

- во-первых, натяжение непрерывного гибкого звена регулируется периодически с участием обслуживающего персонала, что приводит к образованию провиса (ослабления) гибкого звена между регулировками, из-за чего возникают динамические нагрузки в преобразующем механизме, сокращающие срок службы гибкого звена и всей установки или приводящие к более частому регулированию натяжения, что существенно повышает затраты на обслуживание;

- во-вторых, для оптимального натяжения гибкого звена обслуживающему персоналу необходимо определить величину натяжения с использованием специальных устройств и приборов, что приводит к дополнительным вложениям;

- в-третьих, для регулирования натяжения гибкого звена обслуживающим персоналом необходимо остановить привод, что приводит к потерям добываемой продукции, а также затратам рабочего времени обслуживающего персонала;

- в-четвертых, регулирование обслуживающим персоналом натяжения гибкого звена происходит при расположении противовеса на технологических упорах с возможностью последующего подъема противовеса для снятия с упоров, что приводит к чрезмерному натяжению одного участка гибкого звена при недостаточном натяжении другого и является причиной его к преждевременного выхода из строя.

Техническими задачами изобретения являются увеличение срока службы гибкого звена и привода в целом, а также уменьшение динамических нагрузок на скважинное оборудование установки скважинного штангового насоса, сокращение трудоемкости и затрат на обслуживание привода за счет исключения работ по регулированию натяжения гибкого звена преобразующего механизма обслуживающим персоналом и автоматического поддержания его постоянного натяжения.

Поставленные технические задачи решаются приводом скважинного штангового насоса, содержащим установленные на основании на раме с корпусом двигатель, редуктор, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий и ведомый шкивы, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих корпуса и связанным через гибкое звено с узлом подвески штанг, причем оси преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена находятся вблизи одной вертикальной плоскости, а верхний (ведомый) шкив установлен в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения непрерывного гибкого звена при помощи натяжного механизма, состоящего из подвижного корпуса с осью шкива, установленного на продольных салазках корпуса и соединенного с толкателем, выполненным в виде винтовой пары, гайка которого жестко соединена с корпусом, и противоотворотного механизма.

Новым является то, что противоотворотный механизм выполнен в виде автоматического механизма, а винт винтовой пары снабжен барабаном с намотанным гибким звеном, конец которого через блок соединен с грузом, выполненным с возможностью вращения барабана для натяжения непрерывного гибкого звена винтовой парой при ослаблении непрерывного гибкого звена и перемещении каретки с противовесом вниз.

Новым является также то, что противоотворотный механизм может быть выполнен в виде храпового механизма.

Новым является также то, что противоотворотный механизм может быть выполнен в виде обгонной муфты.

Новым является также то, что противоотворотный механизм может быть выполнен в виде самотормозящей резьбы.

На фиг.1 схематично изображен привод скважинного штангового насоса, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сзади; на фиг.3 - натяжной механизм.

Привод скважинного штангового насоса, содержащий установленные на основании 1 (фиг.1) на раме 2 с корпусом 3 двигатель 4, редуктор 5, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий 6 (фиг.2) и ведомый 7 шкивы, например звездочки, или зубчатые шкивы, или т.п., охваченные непрерывным гибким звеном 8, например цепью, или зубчатым ремнем, или т.п., связанным с кареткой 9, соединенной с противовесом 10, установленным в направляющих 11 корпуса 3 (фиг.1) и связанным через гибкое звено 12, например транспортерную ленту, или канат, или т.п., с узлом подвески штанг 13, причем ось 14 преобразующего механизма, ось 15 противовеса 10 и ось 16 гибкого звена 12 находятся вблизи одной вертикальной плоскости 17, а верхний (ведомый) шкив 7 (фиг.2) установлен в корпусе 3 (фиг.1) с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси 14 преобразующего механизма для регулирования натяжения непрерывного гибкого звена 8 (фиг.2) при помощи натяжного механизма, состоящего из подвижного корпуса 18 (фиг.3) с осью 19 (фиг.1) шкива 7 (фиг.3), установленного на продольных салазках 20 корпуса 3 и соединенного с толкателем, выполненным в виде винтовой пары 21, гайка 22 которого жестко соединена с корпусом 3, и противоотворотного механизма 23. Противоотворотный механизм 23 выполнен в виде автоматического механизма, например храпового 24, а винт 25 винтовой пары 21 снабжен барабаном 26 с намотанным гибким звеном 27, например канатом, или проволокой, или т.п., конец которого через блок 28 соединен с грузом 29, выполненным с возможностью вращения барабана 26 для натяжения непрерывного гибкого звена 8 (фиг.2) винтовой парой 21 при ослаблении непрерывного гибкого звена 8 и перемещении каретки 9 с противовесом 10 вниз. Храповой механизм 24 (фиг.3) включает храповое колесо 30, закрепленное на винте 25, собачку 31, установленную на оси 32, связанной с корпусом 18, и пружину 33. Противоотворотный механизм 23 также может быть выполнен в виде обгонной муфты или самотормозящей резьбы, а также в виде любых других известных автоматических стопорящих в одном направлении конструкций (на фигурах не показаны).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Возле устья скважины устанавливается основание 1 (фиг.1) привода. Основание 1 может быть в виде фундаментной плиты в случае стационарного размещения привода или саней (на фигурах не показаны) - в случае передвижного (мобильного) варианта привода. На основании 1 монтируется привод в сборе. Колонна штанг установки скважинного штангового насоса (на фигурах не показана) подвешивается на узел подвески штанг 13 привода.

После включения двигателя 4 (фиг.1) вращение через редуктор 5 передается на ведущий шкив 6 (фиг.2) преобразующего механизма, который тянет непрерывное замкнутое гибкое звено 8, допустим вниз. Связанная с гибким звеном 8 каретка 9, соединенная с противовесом 10, оснащенная колесами 34, движется также вниз по направляющим 11 корпуса 3 (фиг.1), а связанная с противовесом 10 (фиг.2) через гибкое звено 12 (фиг.1), узел подвески штанг 13 поднимается вверх, соответственно, поднимая колонну штанг с плунжером скважинного штангового насоса (на фигурах не показаны). При достижении кареткой 9 (фиг.2) преобразующего механизма крайнего нижнего положения происходит переход с хода вниз противовеса 10 на ход вверх за счет перехода каретки 9, оснащенной колесами 35, по направляющим 36 с одной ветви гибкого звена 8 на другую - происходит преобразование вращательного движения ведущего шкива 6 в возвратно-поступательное противовеса 10. Соответственно, при этом происходит изменение направления движения узла подвески штанг 13 (фиг.1) с хода вверх на ход вниз. То же самое происходит при переходе каретки 9 (фиг.2) через крайнее верхнее положение - только с хода вниз на ход вверх узла подвески штанг 13 (фиг.1).

Для снижения нагрузок на элементы преобразующего механизма, в частности на гибкое звено 8 (фиг.2), ось 14 (фиг.1) преобразующего механизма, ось 15 противовеса 10 и ось 16 гибкого звена 12 расположены вблизи одной вертикальной плоскости 17.

Рама 2 (фиг.1) может быть жестко присоединена к корпусу 3 или может регулироваться (на фигурах не показано) относительно корпуса 3 в зависимости от требований технологичности сборки привода.

Во время эксплуатации привода гибкое звено 8 (фиг.2) под действием циклической нагрузки и вследствие износа будет удлиняться, поэтому в конструкции привода для исключения влияния человеческого фактора и поддержания постоянного натяжения гибкого звена 8 предусмотрено автоматическое натяжение гибкого звена 8 путем перемещения верхнего (ведомого) шкива 7 вдоль оси 14 (фиг.1) преобразующего механизма с помощью натяжного механизма по мере ослабления гибкого звена 8 (фиг.2) на величину ослабления.

Натяжной механизм работает следующим образом. Когда каретка 9 (фиг.2) переходит через крайнее нижнее положение, происходит натяжение всего гибкого звена 8, т.е. гибкое звено 8 полностью равномерно нагружается тяговым усилием от нижнего (ведущего) шкива 6. По мере хода каретки 9 с противовесом 10 вверх нагруженный участок гибкого звена 8 уменьшается от максимальной, полной длины замкнутого гибкого звена 8, после перехода каретки 9 через крайнее нижнее положение, до минимальной длины при подходе каретки 9 к крайнему нижнему положению при ходе вниз, последующем за ходом вверх каретки 9 с противовесом 10. Ненагруженный участок гибкого звена 8 расслаблен. Во время нахождения каретки 9 с противовесом 10 на прямолинейном участке хода вниз происходит ослабление большего участка гибкого звена 8. К тому же натяжение будет более эффективно, чем в остальных положениях каретки 9 с противовесом 10, т.к. на верхний шкив 7 действует разная нагрузка при ходе вверх и ходе вниз противовеса 10, отличающаяся величиной силы, действующей от веса противовеса 10, т.е. при ходе вниз на узел верхнего шкива 7 нагрузка от веса противовеса 10 не действует. Вес груза 29 (фиг.3) натяжного механизма подобран таким образом, что срабатывание происходит именно в этом участке хода вниз каретки 9 (фиг.2). В других положениях каретки 9 потребовался бы больший вес груза 29 (фиг.3), что привело бы к чрезмерному натяжению гибкого звена 8 на прямолинейном участке хода вниз.

Исходя из изложенного, вес груза 29 (фиг.3) подбирается таким, чтобы усилия на гибком звене 27 было достаточно для создания крутящего момента на барабане 26 и, соответственно, на винте 25 винтовой пары 21 натяжного механизма, чтобы поднять относительно жестко закрепленной в корпусе 3 гайки 22 суммарный вес узла верхнего шкива 7 (фиг.3), расслабленной части гибкого звена 8 (фиг.2) и натяжного механизма, а также преодолеть потери момента на трение в узлах натяжного механизма и в салазках 20 (фиг.3). Салазки 20 позволяют корпусу 18 натяжного механизма перемещаться только вдоль оси 14 (фиг.1) преобразующего механизма. Усилие на гибком звене 27 не зависит от величины перемещения верхнего шкива 7. При нахождении каретки 9 с противовесом 10 в остальных участках гибкое звено 8 натягиваться не будет - вес груза 29 недостаточен для поворота винта 25.

Перемещение корпуса 18 ограничено и выбирается исходя из необходимого диапазона регулирования натяжения гибкого звена 8 (фиг.2) на основании опыта эксплуатации. Например, в случае применения в качестве гибкого звена 8 цепи диапазон регулирования равен двум шагам цепи.

Предложенное техническое решение позволяет автоматически, без участия обслуживающего персонала и остановки привода, поддерживать непрерывное гибкое звено 9 преобразующего механизма привода в оптимальном состоянии - без провисания и перетяжки, поэтому сократятся трудоемкость и затраты на обслуживание привода.

Если гибкое звено 8 растянуто (в приводе без натяжного механизма), то в момент перехода каретки 9 через крайнее нижнее положение (ведущий шкив 6 вращается с постоянной скоростью) происходит натяжение расслабленного ненагруженного участка замкнутого гибкого звена 8 за счет вращения ведомого шкива 7 с осью 19 в корпусе 18, сопровождаемое замедлением каретки 9, двигающейся по инерции, и последующим ударом, приводящим к дополнительным ударным нагрузкам в работе привода и установки скважинного штангового насоса в целом, в разы превосходящим расчетные динамические нагрузки. Величина удара зависит от провиса гибкого звена 8: чем больше провис, тем сильнее удар. Автоматическое поддержание постоянного натяжения гибкого звена 8 в предлагаемой конструкции позволит избежать лишних нагрузок, что увеличит срок службы гибкого звена 8 и привода в целом, а также уменьшит ударные нагрузки на скважинное оборудование установки скважинного штангового насоса.

Для предупреждения ослабления гибкого звена 8 (фиг.2) из-за отворачивания винта 25 (фиг.3) в гайке 22 винтовой пары 21 под действием вибраций в приводе в натяжном механизме предусмотрен противоотворотный механизм 23, например храповой 24, но возможно применение и других известных конструкций. Под действием пружины 33 собачка 31 входит в зацепление с храповым колесом 30, задерживая его движение при вращении храпового колеса 30 с винтом 25 в сторону отворота и не препятствуя движению при вращении храпового колеса 30 с винтом 25 в сторону подъема. В случае необходимости отворота винта 25, например для демонтажа, возможно принудительное выведение собачки 31 из зацепления, отогнув пружину 33. Ось 32 собачки 31 связана с корпусом 18 натяжного механизма для совместного перемещения вместе со звездочкой 7, при этом собачка 31 будет всегда находиться в зацеплении с храповым колесом 30. Также ось 32 можно использовать для подвески блока 28, изменяющего направление приложения усилия в гибком звене 27 от веса груза 29.

Предлагаемое устройство аналогично работает при расположении натяжного механизма над верхним (ведомым) шкивом 7 (фиг.2).

Благодаря использованию предлагаемого устройства увеличивается срок службы гибкого звена и привода в целом, а также уменьшаются динамические нагрузки на скважинное оборудование установки штангового скважинного насоса, сокращаются трудоемкость и затраты на обслуживание привода за счет исключения работ по регулированию натяжения гибкого звена преобразующего механизма обслуживающим персоналом и автоматического поддержания его постоянного натяжения.