ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА
DRIVE OF SUCKER ROD PUMP

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области гидравлических машин объемного вытеснения, а именно к конструкции скважинных штанговых насосов и может быть использовано в нефтегазовой промышленности, сельском хозяйстве и т.д. для добычи жидких веществ из скважин [F04B 47/00].
Из уровня техники известна СКВАЖИННАЯ ШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА [RU 2594038 C1, опубл.: 10.08.2016], содержащая силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, две уравновешиваемые линии подъема жидкости разного веса, включающие соответствующие подвески, соединенные с реверсивным приводным органом посредством гибкого элемента, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещенные в соответствующих изолированных друг от друга колоннах труб, спущенных в скважину, отличающаяся тем, что реверсивный приводной орган соединен с силовым приводом с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения совместно с тяговым органом, а реверсивный приводной орган оснащен барабаном с гибкой тягой, выполненной с возможностью намотки на барабан при вращении реверсивного приводного органа, другой конец гибкой тяги закреплен на различном уровне в пределах высоты силового привода на механизме крепления, который выполнен с возможностью фиксации относительно устья скважины.
Недостатком аналога является узкая область их применения, обусловленная ограничениями в применении для условно прямолинейных и мало искривленных скважин. Кроме того, аналог в силу заложенного в него принципа действия и необходимости уравновешивания обладают высокой металлоемкостью и требующие массивного железобетонного фундамента или стального основания.
Также известен ГЛУБИННЫЙ НАСОС С ОПОРНОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ [CN 205207148 (U), опубл.: 04.05.2016], содержащий расположенный вертикально корпус насоса, отличающийся тем, что в нижней части корпус насоса снабжен опорной канавкой, а также вспомогательной канавкой, насос содержит опорный блок, пружину смонтированную между опорным блоком и нижней частью опорной канавки, а также включает в себя ряд опорных стоек, опорная стойка включает первый опорный стержень и второй опорный стержень, шарнирно соединенные друг с другом, а опорная канавка снабжена рядом выемок в окружном направлении, конец первого опорного стержня от второго опорного стержня шарнирно прикреплен в нижней части выемки, конец второго опорного стержня от первого опорного стержня шарнирно соединен с нижним краем опорного блока, когда корпус насоса отрывается от земли, опорный блок тянет пружину и одновременно тянет опорные стойки, так что первый опорный стержень и второй опорный стержень выпрямлены и находятся в вертикальном положении, когда корпус насоса перемещается к земле, выемка опорной канавки, подходит к земле, опорный блок находится в опорной канавке, второй опорный стержень расположен горизонтально, а первый опорный стержень наклонен, при этом первый опорный стержень и нижняя часть выемки шарнирно зафиксированы в крайнем положении. «Я бы исключил глубинный насос, так как это элемент, с которым связана насосная штанга».
Недостатком аналога является низкая надежность конструкции, обусловленная смещением центра тяжести опорного блока из-за применения одиночной пружины, а также отсутствие уравновешивающих конструкцию элементов.
Наиболее близким по технической сущности является ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА [SU 1134787 A1, опубл.: 15.01.1985], содержащий связанный с электродвигателем редуктор, выходной вал которого посредством передачи с переменным передаточным отношением сообщен с колонной насосных штанг, причем передача имеет барабан с круговыми цилиндрическими поверхностями и барабан с цилиндрической поверхностью переменного радиуса вращения и расположенные на них гибкие тяги, а барабан с круговыми цилиндрическими поверхностями соединен с колонной штанг через гибкую тягу, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности в работе путем снижения затрат энергии, он снабжен уравновешивающим устройством, состоящим из пружинного аккумулятора энергии и дополнительного вала, на котором установлен барабан с цилиндрической поверхностью переменного радиуса вращения, который связан гибким элементом с барабаном, имеющим круговые цилиндрические поверхности (а аккумулятор связан с дополнительным валом).
Основной технической проблемой прототипа является малая надежность гибкой связи из-за отсутствия уравновешивающего механизма, а также высокие энергетические затраты и низкая эффективность насоса, обусловленная значительными диссипативными потерями из-за потерь кинетической энергии, расходуемой на преодоление внутреннего трения в пружине и передачах при разгоне и торможении штанги. Кроме того, изготовление профиля барабана в виде архимедовой спирали приводит к повышению трудозатрат при изготовлении и увеличению габаритов упомянутого барабана при больших значениях массы (больше 1000 кг).
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в снижении энергетических затрат и повышении эксплуатационной надёжности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что привод скважинного штангового насоса, содержащий двигатель, насосную штангу, гибкие элементы и уравновешивающее устройство, отличающийся тем, что массу насосной штанги уравновешивают уравновешивающим устройством содержащим, по крайней мере, одну пару шарнирно соединённых рычагов равной длины, один из которых шарнирно соединён с основанием, а второй шарнирно соединён с траверсой, симметрично смонтированной на штанге, на оси шарнирного соединения звеньев упомянутых рычагов смонтированы блоки, на осях шарнирного соединения рычагов с неподвижным основанием смонтировано, как минимум, по два блока, через упомянутые блоки запасован трос, соединенный своими концами с пружинами, которые другими концами соединены с неподвижным основанием, диссипативные потери на разгон и торможение штанги компенсируют накопленной потенциальной энергии в пружинных аккумуляторах, смонтированных в обе стороны от перемычки, смонтированной на насосной штанге, при этом пружинные аккумуляторы выполнены в виде пружин, а компенсацию диссипативных потерь в кинематических парах и пружинных аккумуляторах осуществляют компенсирующим двигателем, управляемым блоком управления, к упомянутому блоку управления подключен, как минимум, один датчик положения насосной штанги.
В частности, штанга соединена с двигателем передачей снабженной обгонной муфтой.
В частности, пружины пружинных аккумуляторов выполнены в виде пружин сжатия.
В частности, двигатель выполнен реверсивным.
В частности, шарнирные рычаги смонтированы симметрично относительно штанги.
В частности, расстояния между осями опор, на которых смонтированы крайние звенья шарнирных рычагов и блоки равно расстоянию между звеньев упомянутых рычагов.
В частности, датчик положения насосной штанги выполнен в виде энкодера.
В частности, энкодер соединен с валом двигателя.
В частности, суммарное максимальное усилие пружин уравновешивающего устройства равно F=4mg.
В частности, суммарная жесткость пружин сжатия пружинного аккумулятора равна .
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана кинематическая схема привода скважинного штангового насоса при нижнем положении штанги.
На фиг. 2 показана кинематическая схема привода скважинного штангового насоса при верхнем положении штанги.
На фиг. 3 показана кинематическая схема уравновешивающего механизма.
На фигурах обозначено: 1 - вертикальные стенки, 2 - основание, 3 - направляющие элементы, 4 - штанга, 5 - двигатель, 6 - горизонтальная перемычка, 7 - верхняя пружина сжатия, 8 - нижняя пружина сжатия, 9 - траверса, 10 - двойные рычаги, 11 - блоки, 12 - гибкие элементы, 13 - уравновешивающие пружины, 14 - датчик положения, 15 - блок управления, 16 - неподвижные опоры, 17 - двойные блоки.
Осуществление изобретения.
Привод скважинного штангового насоса содержит корпус, образованный вертикальными стенками 1 (см. Фиг. 1, 2) и основанием 2. Между вертикальными стенками 1 смонтированы направляющие элементы 3 между которыми вертикально смонтирована штанга 4. Штанга 4 зубчатой передачей (на фигурах не показана) соединена с обгонной муфтой (на фигурах не показана), смонтированной на валу двигателя 5. На штанге 4 смонтирована горизонтальная перемычка 6. От упомянутой горизонтальной перемычки 6 вверх и вниз смонтированы верхняя 7 и нижняя 8 пружины сжатия, соответственно, при этом нижняя пружина сжатия 8 опирается на основание 2, а верхняя пружина сжатия 7 опирается на направляющие элементы 3.
В верхней части штанги 4 поперек симметрично смонтирована траверса 9. С обоих сторон к траверсе 9 шарнирно смонтированы двойные рычаги 10 уравновешивающего механизма. Другие концы упомянутых рычагов 10 соединены к неподвижным опорам 16, смонтированных на вертикальных стенках 1. На осях центральных шарнирных соединений звеньев двойных рычагов 10 смонтированы блоки 11, а в верхней части корпуса на неподвижных опорах 16 коаксиально смонтированы двойные блоки 17 (см. Фиг. 3). Расстояния между осями неподвижных опор 16 на которых смонтированы крайние звенья двойных рычагов 10 и двойные блоки 17 равно расстоянию между звеньями двойных рычагов 10, при этом суммы радиальных нагрузок на траверсу 9 равны нулю. Через блоки 11 с каждой из сторон привода запасованы гибкие элементы 12, выполненные в виде тросов, соединенные с постоянным равномерным натяжением с уравновешивающими пружинами 13, при этом каждый из гибких элементов 12, соединенный с одной из уравновешивающих пружин 13 последовательно огибает один из двойных блоков 17, блок 11, смонтированный на центральной оси двойного рычага 10, а затем второй двойной блок 17 и соединяется со второй уравновешивающей пружиной 13. Уравновешивающие пружины 13 опираются на корпус.
Привод скважинного насоса снабжён датчиком положения 14, подключенным к валу двигателя 5 и выполненным, например, в виде энкодера. Выход датчика положения 14 соединен с блоком управления 15, к другим входам которого подключен двигатель 5.
Привод скважинного штангового насоса используют следующим образом.
При проектирования привода скважинного штангового насоса определяют максимальные усилия и жёсткость пружин 13, для чего принимают, что длины L двойных рычагов 10 больше половины расстояния S между крайними положениями штанги 4, то есть L > S/2.
Суммарное максимальное усилие пружин 13 принимают равным:
F=4mg
Суммарная жесткость пружин 13 определяется из выражения (для двух уравновешивающих устройств):
=4mg/2L=2mg/L
где m - масса штанги, g - ускорение силы тяжести.
Время движения t штанги 4 из одного крайнего положения в другое определяют из уравнения:
Жесткость пружин сжатия 7, 8 определяют исходя из заданного времени t движения штанги 4 из одного крайнего положения в другое и массы штанги:
.
Например, для m = 10000 кг, t = 2с, с = 12325 Н/м.
В исходном положении штанга 4 находится в крайнем нижнем положении (см. Фиг. 1), нижняя пружина сжатия 8 полностью сжата, а верхняя пружина сжатия 7 находится в свободном состоянии. Под действием усилия нижней пружины сжатия 8 начинается подъём штанги 4, одновременно включается двигатель 5, компенсирующий потери на трение в кинематических соединениях. Одновременно с подъемом штанги 4 траверса 9 толкает вверх звенья двойных рычагов 10 относительно неподвижных опор 16, двойные рычаги 10 при этом толкают вверх блоки 11, смонтированные на центральных осях упомянутых рычагов 10. Расстояния между блоками 11 и двойными блоками 17 уменьшаются, уравновешивающие пружины 13 при подъеме штанги 4 равномерно сжимаются с обеих сторон штанги 4 и за счет гибких элементов 12, находящихся в постоянном натяжении упомянутыми пружинами 13, уравновешивают вес штанги 4, блоков 11 и двойных рычагов 10, движущихся вместе со штангой 4.
При прохождении нейтрального положения, когда усилия пружин сжатия 7, 8 выравниваются, дальнейшее движение штанги 4 происходит под действием сил инерции, и потенциальная энергия накапливается в верхней пружине сжатия 7. При достижении штанги 4 верхнего положения (см. Фиг. 2) с датчика положения 14 в блок управления 15 поступает сигнал о текущем положении штанги 4 и ее скорости перемещения. В зависимости от заданного времени выстоя выдерживается технологическая пауза, при этом двигатель 5 отключают. Для перемещения штанги 4 из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение работа привода осуществляется в обратном описанному выше порядку, при этом двигатель 5 с блока управления 15 переключают в реверсивное движение, для компенсации потерь на трение в кинематических соединениях.
Технический результат - снижение энергетических затрат и повышение эксплуатационной надёжности обеспечивается применением в приводе пружинных аккумуляторов, выполненных в виде пружин сжатия 7, 8, смонтированных непосредственно на штанге 4, обеспечивающих разгон и торможение штанги 4 при работе привода, а также коротких кинематических цепей в уравновешивающем механизме, выполненных в виде, двойных рычагов 10 со звеньями равной длины, подвижно соединяющих основание 2 и траверсу 9 и натянутых уравновешивающими пружинами 13 тросов, запасованных через блоки 11. В описанном колебательном приводе на основе пружин сжатия 7,8 пружинных аккумуляторов при первичной зарядке пружинного аккумулятора затрачивается энергия равная эффективной потенциальной энергии, обеспечивающий колебательный режим, то есть в этом случае движение выходного звена обеспечивается при минимальных затратах энергии, которые обеспечивает двигатель 5 для компенсации диссипативных потерь. По сравнению с типовыми электрическими приводами затраты энергии снижаются в несколько раз и зависят только от диссипативных потерь на внутреннее трение в пружинах и кинематических соединениях. Например, при коэффициенте потерь равном 0,2 затраты энергии снижаются в 4 раза.