Результат интеллектуальной деятельности: ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА

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

Известен "Привод скважинного штангового насоса" (см. пат. RU №2150607, F 04 В 47/02, опубл. 10.06.2000; Бюл. №16), содержащий установленные на основании на единой раме двигатель, редуктор, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущую и ведомую звездочки, охваченные замкнутой цепью, связанной с кареткой, соединенной с противовесом, выполненным П-образной формы в поперечном сечении и установленным в направляющих корпуса с размещением цепи в его открытой полости и связанным через гибкое звено с узлом подвески штанг, причем оси преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена находятся в одной вертикальной плоскости, верхняя звездочка установлена в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения цепи.

Известен также "Привод скважинного штангового насоса" (см. пат. RU №2200876, F 04 В 47/02, опубл. 20.03.2003; Бюл. №8), содержащий установленную на основании раму и размещенные на ней двигатель, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, который установлен в направляющих и связан через гибкое звено с колонной штанг, при этом противовес выполнен сборным, причем основной противовес нормализует работу привода насоса, снабженного штангами минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, а дополнительные противовесы выполнены с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости непрерывного гибкого 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, причем 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, причем рама с колесами и дополнительным приводом установлена на основании, имеющем направляющие и упоры, с возможностью принудительного ограниченного упорами перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси, также рама выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, при этом колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими.

Общим недостатком этих аналогов является низкая надежность и долговечность работы из-за отсутствия системы смазки замкнутой цепи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому приводу является "Привод скважинного штангового насоса" (см. Patent US №4916959, Int. Cl. 4 В 66 В 5/26), содержащий установленные на основании на единой раме с корпусом двигатель, редуктор, помещенный в корпусе механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущую и ведомую звездочки, охваченные замкнутой цепью, связанной с кареткой, соединенной с противовесом, выполненным П-образной формы в поперечном сечении и установленным в направляющих корпуса с размещением цепи в его открытой полости и связанным через гибкое звено с узлом подвески штанг, причем оси преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена находятся вблизи одной вертикальной плоскости, верхняя звездочка установлена в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения цепи, а в нижней части корпуса выполнена емкость для смазочного масла. В этом приводе для обеспечения смазки цепи уровень масла в ванне должен достигать нижней звездочки.

Недостатком наиболее близкого аналога является большой требуемый объем ванны и смазочного масла, поскольку в нижнем положении противовеса каретка, по крайней мере, на половину высоты погружается в масляную ванну. При определенных режимах работы привода, характеризующихся большой нагрузкой на цепь при малой скорости движения и большой длине хода, смазки цепи окунанием в масляную ванну небольшого участка цепи может оказаться не достаточно, что снижает долговечность работы привода.

Общими недостатками всех приведенных аналогов являются:

- низкая надежность и долговечность работы из-за отсутствия системы смазки замкнутой цепи;

- отсутствие возможности регулировки положения ведомой звездочки по отношению к ведущей затрудняет их установку в одной плоскости, что также снижает долговечность работы преобразующего механизма привода;

- сложность и трудоемкость соединения (и отсоединения) узла подвески штанг привода с устьевым штоком, передающим движение от привода колонне штанг, поскольку после спуска штангового насоса в скважину устьевой шток находится в нижнем положении и для соединения с ним узел подвески необходимо также привести в нижнее положение, для чего необходимо поднять противовес в верхнее положение, что сделать с помощью собственного двигателя привода не возможно (вес противовеса выбирают равным весу колонны штанг плюс половина веса поднимаемого столба жидкости, а мощность двигателя привода - из расчета подъема половины веса столба жидкости, поскольку при работе привода, когда противовес и колонна штанг соединены гибким звеном, неуравновешенной остается только эта часть нагрузки);

- низкая ремонтопригодность из-за отсутствия возможности фиксации противовеса в корпусе при необходимости временного отсоединения от него цепи, гибкого звена, деталей каретки и других узлов для их ревизии и замены. Установка ведущей звездочки в известном приводе непосредственно на выходном валу редуктора также снижает ремонтопригодность привода, так как демонтировать редуктор невозможно без отсоединения ведущей звездочки от замкнутой цепи преобразующего механизма, кроме того, такое конструктивное выполнение требует применение специального редуктора с увеличенной длиной выходного вала, рассчитанного на повышенную нагрузку, поскольку в дополнение к крутящему моменту на него действует консольная нагрузка, равная тяговому усилию замкнутой цепи.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы повысить надежность и долговечность работы привода за счет гарантированной смазки всей цепи и взаимодействующих с ней звездочек при любых скоростях и длины ее перемещения, а также упростить его обслуживание за счет возможности фиксации противовеса в корпусе при необходимости временного отсоединения от него цепи, упрощения соединения (и отсоединения) узла подвески штанг привода с устьевым штоком, возможности регулировки положения ведомой звездочки по отношению к ведущей затрудняет их установку в одной плоскости.

Указанная техническая задача решается предлагаемым приводом скважинного штангового насоса, содержащим установленные на основании на единой раме с корпусом двигатель, редуктор, помещенный в корпусе механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное и включающий ведущую и верхнюю звездочки, охваченные замкнутой цепью, связанной с кареткой, соединенной с противовесом, который выполнен П-образной формы в поперечном сечении и установлен в направляющих корпуса с размещением цепи в его открытой полости и связан через гибкое звено с узлом подвески штанг, причем вертикальные оси симметрии преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена расположены в непосредственной близости от одной вертикальной плоскости, верхняя звездочка установлена в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения цепи, а в нижней части корпуса выполнена емкость для смазочного масла.

Новым является то, что редуктор дополнительно оснащен отключаемым ручным приводом для вращения ведущей звездочки, а верхняя звездочка выполнена с возможностью ограниченного осевого перемещения и фиксации, при этом противовес дополнительно снабжен съемными фиксаторами, выполненными с возможностью подвешивания противовеса относительно корпуса в любом требуемом месте, и двумя ковшами, установленными снизу противовеса по бокам от замкнутой цепи и выполненными с отверстиями снизу в боковой стенке, направленными на замкнутую цепь, причем ковши установлены с возможностью погружения в емкость для смазочного масла при нижнем положении противовеса, а размеры ковша обеспечивают истечение из него смазочного масла на цепь в течение возвратно-поступательного хода противовеса.

Новым также является то, что отключаемый ручной привод установлен на раме с отводимой опорой и выполнен в виде самотормозящейся червячной пары, червячное колесо которой установлено на быстроходном валу редуктора, а червяк установлен в опорах вращения отводимой опоры и связан с приводной рукояткой для вращения.

Новым является также и то, что на раме установлена опора вращения с валом, соединяющим выходной вал редуктора с ведущей звездочкой с возможностью передачи крутящего момента.

На Фиг.1 изображен вид сбоку привода скважинного штангового насоса.

На Фиг.2 изображен вид спереди привода скважинного штангового насоса.

На Фиг.3 изображен разрез Е-Е противовеса.

На Фиг.4 изображена нижняя часть привода скважинного штангового насоса при расположении противовеса снизу, вид спереди.

На Фиг.5 изображен разрез Д-Д.

На Фиг.6 изображен ковш с сечением в зоне отверстия.

На Фиг.7 изображен вид В.

На Фиг.8 изображен вид Б.

На Фиг.9 изображен разрез А-А.

Привод скважинного штангового насоса, содержащий установленные на основании 1 (см. Фиг.1) корпус 2 с единой рамой 3, на которой установлены двигатель 4, редуктор 5, помещенный в корпусе 2 механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное и включающий ведущую 6 и верхнюю 7 звездочки, охваченные замкнутой цепью 8 (см. Фиг.2), связанной с кареткой 9, соединенной с противовесом 10. Противовес 10 выполнен П-образной формы (см. Фиг.3) в поперечном сечении и установлен в направляющих 11 корпуса 2 с размещением цепи 8 (см. Фиг.2) в его открытой полости 12 (см. Фиг.3) и связан через гибкое звено 13 (см. Фиг.1) с узлом подвески штанг 14. Причем вертикальные оси симметрии 15, 16, 17 (см. Фиг.2) соответственно преобразующего механизма, противовеса 10 и гибкого звена 13 (см. Фиг.1) расположены в непосредственной близости от одной вертикальной плоскости 18 (см. Фиг.2), верхняя звездочка 7 установлена в корпусе 2 с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси 15 преобразующего механизма для регулирования натяжения цепи 8, а в нижней части корпуса 2 выполнена емкость 19 для смазочного масла. При этом редуктор 5 (см. Фиг.1 и 7) дополнительно оснащен отключаемым ручным приводом 20 (см. Фиг.7) для вращения ведущей звездочки 6 (см. Фиг.1). Верхняя звездочка 7 выполнена с возможностью ограниченного осевого перемещения и фиксации. Противовес 10 (см. Фиг.5) дополнительно снабжен съемными фиксаторами 21, выполненными с возможностью подвешивания противовеса 10 относительно корпуса 2 (см. Фиг.1) в любом требуемом месте, и двумя ковшами 22 (см. Фиг.4), установленными снизу противовеса 10 по бокам от замкнутой цепи 8 и выполненными с отверстиями 23 (см. Фиг.6) снизу в боковой стенке, направленными на замкнутую цепь 8 (см. Фиг.4). Ковши 22 установлены с возможностью погружения в емкость 19 для смазочного масла при нижнем положении противовеса 10, а размеры ковша 22 обеспечивают истечение из него смазочного масла на цепь в течение возвратно-поступательного хода противовеса 10. Для обеспечения этого размеры ковша могут быть определены по следующим математическим формулам:

где d - диаметр отверстия 23 в боковой стенке ковша 22, м;

D_i - делительный диаметр ведущей звездочки 6, м;

S - длина хода, м;

ν - кинематическая вязкость смазочного масла, м²/с;

ρ - плотность смазочного масла, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м²/с;

n - число качаний, мин^-1;

V - объем полости ковша над отверстием в боковой стенке, м³;

Н - высота ковша над отверстием в боковой стенке (расстояние от верхней кромки ковша до отверстия), м.

Из формулы (1) выводим формулу для определения высоты ковша над отверстием в боковой стенке (расстояние от верхней кромки ковша до отверстия):

Отключаемый ручной привод 20 (см. Фиг.7) установлен на раме 3 с отводимой опорой 24 и выполнен в виде самотормозящейся червячной пары, червячное колесо 25 которой установлено на быстроходном валу 26 редуктора 5, а червяк 27 установлен в опорах вращения 28 отводимой опоры 24 и связан с приводной рукояткой 29 для вращения.

На раме 3 установлена опора 30 вращения с валом 31, соединяющим выходной вал 32 редуктора 5 с ведущей звездочкой 6 с возможностью передачи крутящего момента.

По бокам противовеса 10 (см. Фиг.2) размещены для снижения трения колеса 33, установленные с возможностью взаимодействия с направляющими 11. На раме 3 (см. Фиг.9) предусмотрены колеса 34, эксцентриковые оси 35 которых размещены во втулках 36, установленных в раме 3 с возможностью ограниченного поворота эксцентриковых осей 35.

Верхняя звездочка 7 (см. Фиг.8) выполнена с возможностью ограниченного осевого перемещения и фиксации с помощью направляющих 37 и фиксирующих болтов 38.

Привод скважинного штангового насоса работает следующим образом.

Привод в сборе устанавливают на основание 1 (см. Фиг.1) у устья скважины (не показано).

После чего производят настройку привода.

Эксцентриковые оси 35 (см. Фиг.9) во втулках 36 поворачивают так, чтобы рама 3 приподнялась на колесах 34 над опорой 1. Далее раму 3 перемещают на колесах 34 относительно опоры 1 так, что узел подвески штанг 14 (см. Фиг.1) установился над устьевым штоком (не показан), связанным в скважине (не показана) с колонной штанг (не показана), эксцентриковые оси поворачивают так, чтобы колеса 34 вышли из взаимодействия с основанием 1, при этом рама 3 полностью ложится на основание 1. Затем производят регулировку верхней звездочки 7 (см. Фиг.8), для этого фиксирующие болты 38 ослабляют, смещают ось верхней звездочки 7 вверх или вниз вдоль оси 15 преобразующего механизма, добиваясь оптимального натяжения цепи 11 (см. Фиг.2), и влево или вправо по направляющим 37 (см. Фиг.8) относительно оси верхней звездочки 7, добиваясь минимального отклонения плоскости цепи 8 (см. Фиг.2) от плоскостей вращения верхней 7 и ведущей 6 звездочек. После чего фиксирующие болты 38 (см. Фиг.8) затягивают.

Далее производят подготовку привода к работе.

Отводимая опора 24 (см. Фиг.7) устанавливается на раме 3 так, чтобы червяк 27 вошел в зацепление с червячным колесом 25, которое установлено на быстроходном валу 26 редуктора 5 после двигателя 4. В результате отключаемый ручной привод 20 готов к работе. Затем, вращая приводной рукояткой 29 червяк 27 в опорах вращения 28 отводимой опоры 24, вращают червячное колесо 25 быстроходного вала 26 редуктора 5, в результате поднимая противовес 10 (см. Фиг.2) в верхнее положение и, следовательно, опуская через гибкое звено 13 узел подвески штанг 14 (см. Фиг.1) в нижнее положение. Соединяют узел подвески штанг 14 с устьевым штоком. При помощи ручного привода 20 опускают противовес 10 (см. Фиг.2) в нижнее положение. Таким образом, соединение привода со скважинным оборудованием упрощается и не требует привлечения дополнительных грузоподъемных средств. Добавлением в противовес 10 необходимого количества грузов производят уравновешивание привода в соответствии с параметрами конкретной скважины, конструкцией колонны штанг, глубиной спуска и диаметром штангового насоса (не показан), ожидаемым динамическим уровнем и плотностью жидкости в скважине. В емкость 19 заливают смазочное масло. При этом необходимый объем масла намного меньше, чем у наиболее близкого аналога (см. пат. США №4916959), поскольку емкость для масла 19 не рассчитана на погружение в нее большой по размерам каретки 9, а рассчитана на погружение только сравнительно небольших ковшей 22 (см. Фиг.4) с отверстиями 23 (см. Фиг.6) с параметрами, рассчитанными по формуле (2). После чего убирают отключаемый ручной привод 20 (см. Фиг.7).

Привод запускают в работу.

При каждом возвратно-поступательном ходе в нижнем положении противовеса 10 (см. Фиг.4) ковши 22 погружаются в емкость 19 и наполняются смазочным маслом. Во время хода вверх масло через отверстия 23 в боковой стенке ковшей 22 вытекает непрерывной струйкой на замкнутую цепь 8 (см. Фиг.2), обильно смазывая ее. Излишки масла стекают с цепи 8 обратно в емкость 19. Обильная смазка увеличивает долговечность работы преобразующего механизма привода. Благодаря наличию двух ковшей 22 (см. Фиг.4), установленных симметрично по обе стороны от замкнутой цепи 8, обеспечивается возможность в процессе эксплуатации через определенное время менять направление вращения ведущей звездочки 6 путем изменения направления вращения двигателя 5 (см. Фиг.1), при этом всегда из одного из ковшей 22 (см. Фиг.4) масло будет попадать на движущуюся ветвь замкнутой цепи 8 (см. Фиг.2), обеспечивая смазку ее по всей длине. Смена направления вращения двигателя 5 (см. Фиг.1) позволяет повысить долговечность работы односторонне нагруженных элементов (таких, как зубья шестерен редуктора 4, зубья звездочек 6 и 7, колес 33 (см. Фиг.4) противовеса 10, взаимодействующих с направляющими 11 (см. Фиг.3), и др.) и привода в целом. Благодаря также тому, что цепь 8 (см. Фиг.2) расположена в открытой полости 12 (см. Фиг.3) П-образной формы противовеса 10, а вертикальные оси симметрии 15, 16, 17 (см. Фиг.2) соответственно преобразующего механизма, противовеса 10 и гибкого звена 13 (см. Фиг.1) расположены в непосредственной близости от одной вертикальной плоскости 18 (см. Фиг.2), практически исключаются паразитные нагрузки на привод и, следовательно, не требуются дополнительные усиливающие конструкцию силовые элементы, а также сведены к минимуму затраты энергии на преодоление этих паразитных нагрузок. Наличие на раме 3 (см. Фиг.1) опоры 30 вращения с валом 31, соединяющим выходной вал 32 редуктора 5 с ведущей звездочкой 6 с возможностью передачи крутящего момента, позволяет исключить биения и несносность выходного вала 32 редуктора 5 и ведущей звездочки 6, увеличивая тем самым долговечность редуктора 5 и преобразующего механизма. Все это в совокупности экономит материальные и энергетические ресурсы.

Для планового обслуживания, а также в случае необходимости проведения ремонтных работ привод останавливают, двигатель 4 (см. Фиг.1) отключают, противовес 10 (см. Фиг.2) при помощи отключаемого ручного привода 20 (см. Фиг.7) перемещают в требуемое положение, съемные фиксаторы 21 (см. Фиг.3), на которые опирается противовес 10, вставляют в пазы 39 корпуса 2 (см. Фиг.1). В результате противовес 10 (см. Фиг.2) фиксируется относительно корпуса 2 (см. Фиг.1). После этого ослабляют цепь 8 (см. Фиг.2) и производят необходимые операции. Во время сборки привода, а также при проведении обслуживания и ремонтных работ проверяют точность взаимного расположения ведущей 6 (см. Фиг.1) и верхней 7 звездочек преобразующего механизма. При необходимости производят регулировку положения верхней звездочки 7, передвигая ее в направляющих 37 (см. Фиг.8) до совмещения с плоскостью ведущей звездочки 6 (см. Фиг.1), с последующей фиксацией болтами 38 (см. Фиг.8). Для демонтажа редуктора 5 (см. Фиг.1) при необходимости его ремонта или замены отсоединяют его выходной вал 32 от вала 31 промежуточной опоры вращения 30, после чего ничто не препятствует демонтажу редуктора 5. Для этой операции разборки преобразующего механизма по сравнению с аналогами не требуется.

При подземном ремонте скважины поворотом эксцентриковых осей 33 (см. Фиг.9) колеса 32 переводятся в нижнее положение, при этом рама 3 приподнимается на величину эксцентриситета осей 33 над основанием 1 (см. Фиг.1) и с помощью вспомогательной лебедки (не показана) на колесах 32 (см. Фиг.9) по основанию 1 (см. Фиг.1) окатывается от устья скважины на необходимое расстояние. Установку привода в рабочее положение осуществляют в обратном порядке.

Таким образом, предлагаемая конструкция привода скважинного штангового насоса позволяет повысить надежность и долговечность работы привода за счет гарантированной смазки всей цепи и взаимодействующих с ней звездочек при любых скоростях и длины ее перемещения, а также упростить его обслуживание за счет возможности фиксации противовеса в корпусе при необходимости временного отсоединения от него цепи, упрощения соединения (и отсоединения) узла подвески штанг привода с устьевым штоком, возможности регулировки положения ведомой звездочки по отношению к ведущей затрудняет их установку в одной плоскости.