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 дополнительную раму, соединенную 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.

Известен 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 преждевременного выхода из строя.

Наиболее близким по технической сущности является привод скважинного штангового насоса (патент RU №2522729, МПК F04B 47/02, опубл. 20.07.2014, бюл. №20), содержащий 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, причем 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 и перемещении каретки с противовесом вниз.

Недостатками известного решения являются:

во-первых, необходимость периодической смазки обслуживающим персоналом винтовой пары, влияющей на работоспособность натяжного механизма, или применения смазочного устройства, исключающего обслуживание персоналом, что усложняет конструкцию натяжного механизма;

во-вторых, необходимость принятия мер для преодоления момента страгивания в винтовой паре в начале вращения винта, т.е. веса груза, подобранного для автоматической работы натяжного механизма, при определенных обстоятельствах, например при застывании смазки из-за перепада температур, контакта смазки с внешней средой (пылью, механическими примесями и др.) или из-за продолжительного простоя привода и др., может не хватить для поворота винта в начальный момент его движения, что приведет к неудовлетворительной работе натяжного механизма.

Техническими задачами изобретения являются исключение необходимости периодического обслуживания натяжного механизма и обеспечение постоянного усилия 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 привода и соединенного с толкателем.

Новым является то, что толкатель натяжного механизма выполнен в виде гидравлической пары цилиндр-поршень, подвижная часть которого подпирает корпус верхнего шкива, натяжной механизм выполнен в виде гидравлического плунжерного или поршневого насоса, сообщенного через нагнетательный клапан с цилиндром толкателя, причем подвижная часть насоса снабжена грузом, подобранным с возможностью ее перемещения вниз и соответствующего перемещения вверх подвижной части толкателя при ослаблении натяжения непрерывного гибкого звена ниже выбранной величины усилия натяжения.

На фиг. 1 схематично изображен привод скважинного штангового насоса, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид А по фиг. 1; на фиг. 3 - схема натяжного механизма привода.

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 оси 14 преобразующего механизма, 15 противовеса 10 и 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. 3) при помощи натяжного механизма, состоящего из подвижного корпуса 18 с осью 19 шкива 7, установленного на продольных салазках 20 (фиг. 1) корпуса 3 привода и соединенного с толкателем 21 (фиг. 3). Толкатель 21 натяжного механизма выполнен в виде гидравлической пары цилиндр 22-поршень 23, подвижная часть которой подпирает корпус 18 верхнего шкива 7. Подвижной частью толкателя 21 может быть или поршень 23, или цилиндр 22 (не показано). Натяжной механизм выполнен в виде гидравлического плунжерного или поршневого насоса 24, сообщенного через нагнетательный клапан 25 с полостью 26 цилиндра 22 толкателя 21, причем подвижная часть, цилиндр 27 (не показано) или плунжер (поршень) 28 насоса 24 снабжена грузом 29, подобранным с возможностью ее перемещения вниз и соответствующего перемещения вверх подвижной части толкателя 21 при ослаблении натяжения непрерывного гибкого звена 8 ниже выбранной величины усилия натяжения.

Все элементы натяжного механизма могут быть скомпонованы по отдельности, как изображено на фиг. 3, или в одном корпусе, или другим образом (не показаны).

Насос 24 может быть расположен вертикально, как на фиг. 3, или под углом не более 45° от вертикали (не показано).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Возле устья скважины устанавливается основание 1 (фиг. 1) привода. Основание 1 может быть выполнено в виде фундаментной плиты в случае стационарного размещения привода или саней (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 и ведущий шкив 6 (фиг. 2) преобразующего механизма передается на непрерывное замкнутое гибкое звено 8. Допустим, гибкое звено 8 двигается против часовой стрелки. Связанная с гибким звеном 8 каретка 9, соединенная с противовесом 10, оснащенным колесами 30, движется вниз по направляющим 11 корпуса 3 (фиг. 1), а связанный 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 (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 31, по направляющим 32 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), оси 14 (фиг. 1) преобразующего механизма, 15 противовеса 10 и 16 гибкого звена 12 расположены вблизи одной вертикальной плоскости 17.

Рама 2 (фиг. 1) может быть жестко присоединена к корпусу 3 или может регулироваться (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 предусмотрен механизм автоматического натяжения 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.

Принцип работы натяжного механизма заключается в следующем. 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 после хода вниз, следующем 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. Натяжение в этом участке будет более эффективным, чем в остальных положениях каретки 9 с противовесом 10, так как 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. Для примера, на приводе скважинного штангового насоса ПЦ 60-3-0,5/2,5 производства Бугульминского механического завода при ходе вверх противовеса привода нагрузка на натяжной механизм будет порядка 76500 Н, а при ходе вниз - 3950 Н. Натяжной механизм работает именно в этом участке хода вниз противовеса 10. При срабатывании в других положениях противовеса 10 потребовалось бы существенно большее усилие на толкателе 21 натяжного механизма, что привело бы к чрезмерному натяжению гибкого звена 8 на прямолинейном участке хода вниз противовеса 10.

Исходя из изложенного, вес груза 29 (фиг. 3) подбирается таким, чтобы усилия на подвижной части толкателя 21 было достаточно для поднятия суммарного веса узла верхнего шкива 7, расслабленной части гибкого звена 8 и натяжного механизма, а также для преодоления потерь на трение в узлах натяжного механизма и в салазках 20 (фиг. 1). Для приведенного в качестве примера привода ПЦ 60-3-0,5/2,5 суммарный вес составляет порядка 3950 Н без учета потерь в натяжном механизме. При настройке натяжного механизма предварительно на подвижную часть насоса 24 подвешивается груз 29 весом, равным теоретически подсчитанному (без учета веса столба жидкости в цилиндре 27 и веса подвижной части насоса 24), который составляет 196,2 Н (массой 20 кг) для натяжного механизма с гидравлическим передаточным числом, принятым равным 20. Далее усилие натяжения толкателя 21 корректируется с целью максимального приближения к выбранной величине усилия натяжения гибкого звена 8.

Возможны несколько равнозначных методик определения усилия натяжения гибкого звена 8 (фиг. 2), например, проверкой величины провиса гибкого звена 8 при остановленном приводе в положении каретки 9 с противовесом 10 на прямолинейном участке хода вниз или по показаниям съемного или стационарного манометра 33 (фиг. 3), сообщающегося с полостью цилиндра 22 толкателя 21, на работающем приводе или другими методами. В качестве примера представим методику корректировки с помощью манометра 33. После начала работы привода с натяжным механизмом показания манометра 33 должны меняться в диапазоне 0,5-9,7 МПа при диаметре поршня толкателя равном 100 мм. При корректировке принципиально нижнее значение манометра 33. Если нижнее значение показания манометра 33 будет ниже значения 0,5 МПа, то веса груза 29 недостаточно и гибкое звено - цепь - не натянуто, если больше, то вес груза 29 больше требуемого - цепь перетянута. Усилие натяжения корректируется изменением веса груза 29. Вес груза 29 не зависит от величины перемещения верхнего шкива 7. При нахождении каретки 9 (фиг. 2) с противовесом 10 в остальных участках гибкое звено 8 натягиваться не будет - веса груза 29 (фиг. 3) недостаточно.

Натяжной механизм работает только на натяжение гибкого звена 8 (фиг. 2). При ходе вверх противовеса 10 нагрузка на натяжной механизм, как было сказано выше, существенно возрастает, соответственно возрастает давление в полости 26 (фиг. 3) толкателя 21, поэтому для исключения обратного хода подвижной части толкателя 21 под действием веса противовеса 10 (фиг. 2), как следствие, ослабления гибкого звена 8, возможного при вибрациях в приводе, в конструкции натяжного механизма предусмотрен обратный клапан 25 (фиг. 3), причем толкатель 21 и обратный клапан 25 рассчитаны на дополнительное давление от веса противовеса 10 (фиг. 2).

Салазки 20 (фиг. 1) позволяют корпусу 18 (фиг. 3) натяжного механизма перемещаться только вдоль оси 14 (фиг. 1) преобразующего механизма.

Ход подвижного корпуса 18 (фиг. 3) ограничен и выбирается исходя из необходимого и достаточного диапазона регулирования натяжения гибкого звена 8 (фиг. 2), определяемого на основании условий и опыта эксплуатации примененного в приводе гибкого звена 8. Предлагаемый натяжной механизм позволяет настроить ход подвижного корпуса 18 как на весь срок службы гибкого звена 8, так и на меньший срок, например, до очередного технического обслуживания привода или очередного обхода, или до другого срока. Например, в случае применения в качестве гибкого звена 8 цепи предел удлинения соответственно и срок службы цепи равен двум шагам, т.е. для приведенного в качестве примера привода ПЦ 60-3-0,5/2,5 с цепью 2ПР-50,8-453,6 предел удлинения соответствует значению 101,6 мм, после исчерпания которого необходимо произвести ремонт или замену цепи. Такому удлинению цепи соответствует ход подвижного корпуса 18 (фиг. 3) вдоль оси 14 (фиг. 1) преобразующего механизма 50,8 мм при длине хода привода 3 м и делительном диаметре звездочек 6 и 7 (фиг. 2), равном 244,33 мм. В связи с этим при настройке натяжного механизма на весь срок службы цепи ход подвижной части насоса 24 (фиг. 3) составит 1016 мм. Такая настройка предназначена для приводов при невозможности частого осмотра привода из-за их расположения в отдаленных или труднодоступных местах.

Натяжной механизм также можно настроить на меньший ход подвижного корпуса 18, тогда при необходимом ходе, например, 20 мм, с сохранением остальных параметров натяжного механизма получаем ход подвижной части насоса 24 равным 400 мм. Такой вариант целесообразно применять с целью уменьшения габаритов натяжного механизма при ограниченном пространстве в месте его установки, встраивания в существующие конструкции приводов и при возможности организации постоянного контроля за работой привода.

После исчерпания хода подвижного корпуса 18 соответственно и подвижной части толкателя 21 груз 29 опускается в крайнее нижнее положение - натяжной механизм прекращает работу. В связи с этим после ремонта или замены цепи привода или во время технического обслуживания привода, или, при необходимости, во время ежедневного осмотра оператором скважины груз 29 вручную поднимается в крайнее верхнее положение, соответственно подвижная часть насоса 24, перемещаясь, всасывает жидкость через запорное устройство или обратный клапан 34 из питательной емкости, емкости обслуживающей машины или других емкостей (на фиг. не показаны), которые присоединяются к натяжному механизму при необходимости заполнения полости 35 цилиндра 27 насоса 24 жидкостью, и натяжной механизм опять начинает автоматически работать до исчерпания заданного диапазона регулирования.

Предложенное техническое решение позволяет автоматически, без участия обслуживающего персонала и остановки привода, поддерживать непрерывное гибкое звено 8 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 снятия гибкого звена 8 со шкивов 6 и 7, например, с целью его замены или для замены шкивов 6 и/или 7, или для других целей, необходимо отключить натяжной механизм. Для этого натяжной механизм привода может быть оснащен запорным устройством 36, например задвижкой или краном или другим запорным устройством, при открытии которого жидкость из полости 26 цилиндра 22 толкателя 21 перетечет в полость 35 цилиндра 27 насоса 24. При этом подвижная часть толкателя 21, соответственно и подвижный корпус 18 привода с осью 19 и шкивом 7, опустятся вниз, ослабив гибкое звено 8.

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

Благодаря использованию предлагаемого устройства исключается периодическое обслуживание натяжного механизма и обеспечивается постоянство усилия натяжения.