УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКАЧКИ ГАЗА ИЗ ЗАТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА
DEVICE FOR PUMPING GAS FROM ANNULAR SPACE

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для привода скважинных штанговых насосов.
Известно устройство для откачки газа из затрубного пространства в виде подвесного компрессора к станку-качалке нефтяной скважины, включающее прикрепленные к балансиру станка-качалки и его опоре шарниры цилиндра и штока поршня, трубопроводы, связывающие нагнетательную область цилиндра с затрубным пространством и коллектором скважины через всасывающий и нагнетательный клапаны, а цилиндр компрессора, расположенный на станке-качалке над входящим в него штоком и имеющий в нижней части сальниковое уплотнение, выполнен с зазором между своей внутренней поверхностью и входящим штоком, причем полость цилиндра компрессора частично заполнена маслом, причем трубопроводы всасывания и нагнетания газа связаны с обводной линией, на которой установлен предохранительный клапан (патент RU №162632, F21B 43/00, 18.11.2015).
Недостатком данного изобретения является положение компрессора между балансиром и опорой, что ограничивает размер рабочей камеры и, как следствие, производительность компрессора, подвижное соединение цилиндра через шарнир повышает риск заклинивания подвижных механизмов между собой. Также отсутствует возможность изменения длины хода штока компрессора.
Наиболее близким по конструкции известно устройство откачки газа из затрубного пространства скважин, оборудованных станками-качалками, включающее цилиндр, поршень, связанный с балансиром станка-качалки, рабочие камеры, образуемые поршнем и тыльной его стороной со стенками цилиндра, всасывающий газопровод с клапаном, соединяющий цилиндр с затрубным пространством скважины и нагнетательный газопровод с клапаном. Устройство содержит дополнительные всасывающие и нагнетательные газопроводы с клапанами и байпасные, по отношению к клапанам, газопроводы с запорными устройствами, при этом дополнительные всасывающие и нагнетательные газопроводы герметично соединяют часть цилиндра, ограниченную его стенками и тыльной стороной поршня, с всасывающими и нагнетательными газопроводами для сообщения обеих рабочих камер (патент RU №2170337, F21B 43/00, 10.07.2001).
Недостатком данного изобретения является положение компрессора в задней части балансира, что приводит к повышенным нагрузкам на узлы привода штангового насоса, а также подвижное соединение цилиндра с поршнем через шарнир, что повышает риск заклинивания подвижных механизмов между собой. Также отсутствует возможность изменения длины хода штока компрессора.
Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование конструкции подвесного компрессора, повышение эффективности работы как самого компрессора, так и его привода (станка-качалки), а именно снижение нагрузки на узлы привода штангового насоса, уменьшение количества подвижных сочленений, повышающих риск заклинивания, а также разработка механизма регулировки длины хода компрессора.
Поставленная задача достигается тем, что к передней части балансира станка-качалки через установленный в ряде отверстий палец на балансире, подвешивается шатун компрессора, связанный через шарнирные соединения одним концом с упомянутым пальцем, другим - со штоком компрессора, который в свою очередь соединен с поршнем компрессора, находящемся в цилиндре компрессора. Цилиндр компрессора соединен с затрубным пространством через газопровод и всасывающий клапан, с одной стороны, и выкидной линией скважины через нагнетательный клапан и газопровод - с другой. Цилиндр установлен на опорах, находящихся на подвижной площадке, позволяющей перемещать цилиндр компрессора вдоль оси станка-качалки. Установка длины хода поршня компрессора происходит за счет взаимного перемещения системы «поршень-цилиндр (компрессора)». Цилиндр компрессора перемещается на стойке по направляющей опоре, а шток компрессора с поршнем компрессора через верхний шарнир перемещаются вдоль балансира и крепится пальцем в одном из ряда отверстий. Шток компрессора центрируется с помощью центраторов, установленных на верхней кромке цилиндра компрессора. Причем, компремирование затрубного газа осуществляется при ходе головки балансира вниз за счет неуравновешенного веса штанговой колонны.
На фигуре 1 показано устройство для откачки газа из затрубного пространства, на фигуре 2 - среднее положение балансира и поршня, на фигуре 3 - крайнее верхнее, на фигуре 4 - крайнее нижнее.
Станок-качалка (фиг. 1) включает установленную на фундаменте 1 опорную стойку 2, на которой расположена опора 3 балансира 4, балансир 4 с шарнирно закрепленной к нему головкой 5, связанный с установленным на опоре 3 балансира 4 подшипником 6, а также кривошип 7 станка-качалки, связанный с балансиром 4 через шатуны 8 станка-качалки, посредством подшипников 9 образуют кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм приводится в движение электродвигателем 10 через редуктор 11. К головке 5 балансира 4 через траверсу 12 подвешен шток 13 станка-качалки, который через устье 14 входит в скважину 15, установленную в ней обсадную колонну 16, насосно-компрессорные трубы (НКТ) 17, приводя в действие плунжер 18, установленный в цилиндре 19 станка-качалки. На балансире 4 выполнены отверстия 20, в которых установлен палец (не показан), монтированный в шарнир 21, и являющийся его осью вращения. Шарнир 21 соединен с шатуном 22 компрессора, который в свою очередь через шарнир 23 соединен со штоком 24 компрессора. Полированный шток 24 компрессора соединен с поршнем 25 компрессора, установленного в цилиндре 26 компрессора, образуя рабочую камеру компрессора. Шток 24 компрессора фиксируется с помощью центратора 27, цилиндр 26 компрессора установлен на стойке 28. Причем, стойка 28 установлена на направляющей опоре 29, позволяющей стойке 28 перемещаться вдоль станка-качалки. Устье 14 имеет выкидную линию 30 скважины и канал отвода газа 31. Канал отвода газа 31 соединен с цилиндром 26 компрессора через всасывающий газопровод с всасывающим клапаном 32 и газопровод с нагнетательным клапаном 33.
Кинематика устройства представлена следующим образом
Работа устройства для откачки газа из затрубного пространства (фиг. 2-4) обеспечивается движением балансира 4 и головки 5 по траектории 34, что приводит в движение шатун 22 компрессора, движущегося по траектории 35 через шарнир 21, движущегося по траектории 36, вследствие этого через шарнир 23 происходит передача движения штоку 24 компрессора и далее поршню 25 компрессора в цилиндре 26 компрессора.
На фигуре 5 показана разница длины ходов поршня 25 компрессора в цилиндре 26 компрессора в крайних положениях шарнира 21 с пальцем в отверстиях 20 на балансире 4. Разница в длинах хода (S) определяется вычитанием «а» из «b», и равняется двум дельта.
Полная разница длины ходов выражается:
S=2Δ=а-b,
где: а - максимальная длина хода;
b - минимальная длина хода;
S -разница длины хода;
Δ - разница между максимальной и минимальной длиной хода.
Устройство работает следующим образом.
Работа скважинного насоса обеспечивается возвратно-поступательным движением головки 5 балансира 4, связанного с колонной штанг (не показана) через шток 13 станка-качалки, совершающего возвратно-поступательное движение вследствие работы электродвигателя 10, кривошипа 7 станка-качалки, шатунов 8 станка-качалки и подшипников 9 и 6. Откачка газа из затрубного пространства между обсадной колонной 16 и колонной НКТ 17, соединенной с цилиндром 19 станка-качалки выше динамического уровня 37, происходит вследствие взаимного движения пальца и шарнира 21, установленного в одном из отверстий 20, что в свою очередь приводит в движение шатун 22 компрессора, который обеспечивает возвратно - поступательное движение штока 24 компрессора, через шарнир 23 приводящего в движение поршень 25 компрессора. При движении поршня 25 компрессора вверх происходит откачка газа через всасывающий газопровод с клапаном 32, канал отвода газа 31 в рабочую камеру компрессора, при движении поршня 25 компрессора вниз, откаченный газ через нагнетательный газопровод с клапаном 33 выбрасывается в выкидную линию 30 скважины. Центровка возвратно - поступательного движения штока 24 компрессора обеспечивается за счет центратора 27. Установка длины хода поршня 25 компрессора через шток 24 компрессора происходит за счет взаимного перемещения системы «поршень-цилиндр (компрессора)». Цилиндр 26 компрессора перемещается на стойке 28 по направляющей опоре 29, а шток 24 с поршнем 25 компрессора через верхний шарнир 21 перемещаются вдоль балансира 4 установкой пальца с шарниром 21 в одном из отверстий 20.
Использование данного изобретения позволяет снизить нагрузку на привод штангового насоса за счет улучшенной кинематической схемы, повысить надежность устройства, а также позволит регулировать производительность компрессора в зависимости от условий скважины.