Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти

Область техники.
Заявляемая полезная модель относится к области нефтяного машиностроения, а именно к насосным системам для добычи нефти с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН).
Уровень техники.
В мировой практике наиболее широко распространенными насосными системами для добычи нефти из малодебитных и среднедебитных скважин являются установки глубинных штанговых насосов (УШГН). Общие признаки этих установок следующие:
1) Рабочим органом насосной системы является глубинный насос объемного типа совершающий линейное возвратно-поступательное движение, среди которых наиболее распространены плунжерные насосы. Эти насосы размещаются непосредственно в нефтедобывающей скважине.
2) Трансмиссия на базе штанговой колонны (подвески) с находящимся в ее верхней части устьевым (полированным) штоком. Она связывает поверхностный привод с глубинным насосам. С ее помощью передается насосу механическая энергия, необходимая для осуществления линейного возвратно-поступательного движения.
3) Поверхностный привод (электромеханический преобразователь) с помощью которого электрическая энергия преобразуется в механическую энергию линейного возвратно-поступательного движения. Эта энергия через штанговую подвеску передается глубинному штанговому насосу (ШГН) для совершения работы по подъему пластовой жидкости из скважины.
4) Система управления (СУ) с помощью которой осуществляется управление работой насосной установки, и защита последней от аварийных ситуаций.
Наиболее традиционными видами поверхностного привода УШГН являются балансирные станки качалки (СК). При их высокой долговечности, надежности и ремонтопригодности данный вид привода имеет существенные недостатки. Главные из которых необходимость строительства под них массивного фундамента и неоптимальный закон движения выходного звена, связанного со штанговой колонной [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. Действительно синусоидальный закон движения трансмиссии УШГН с СК приводит к возникновению больших напряжений в трансмиссии УШГН, что снижает надежность работы как самой штанговой колонны, так и глубинного штангового насоса плунжерного типа. - [см. 2 - Галимуллин М.Л. «Разработка технических средств повышения работоспособности скважинных плунжерных насосов» - Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук - г. Уфа, 2004 г., 25 с.]
Оптимизация закона движения выходного узла привода (поддержание постоянной скорости на всей длине рабочего хода) была достигнута в других видах привода УШГН. Это, прежде всего цепной привод (ЦП) для УШГН [см. 3. - Валовский В.М., Валовский К.В. «Цепные приводы скважинных штанговых насосов» - ОАО «ВНИИОЭНГ», Москва, 2004 г., 492 с.], и гидравлический привод (ГП) для УШГН [см. 4 - А. Дроздов «Гидроприводные насосы для осложненных условий» - Нефтегазовая вертикаль - №11, 2010 г., с. 38-42]. Однако из-за сложности кинематической схемы преобразования вращательного движения электродвигателя в линейное возвратно-поступательное движение штанговой колонны, цепной привод существенно уступает в надежности станку качалке [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. Кроме того, для его установки на скважине также необходим массивный фундамент. А гидропривод хотя и позволяет обеспечить самые оптимальные характеристики для работы, но также является очень сложной системой, недостатки которой особенно сильно проявляются при работе в условиях эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха.
Перечисленные выше недостатки привели к созданию линейного электромеханического привода УШГН на базе реечной передачи, которые предложено называть «линейный реечный привод УШГН» [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. В настоящий момент этот вид привода, запатентованный и производимый компанией Unico. Inc (США) под маркой LRP, успешно внедряется на нефтяных промыслах всего мира.
Наиболее близкое техническое решение по своей сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству полезной модели является запатентованное компанией Unico. Inc (США) изобретение «Устройство линейного штангового насоса и способ его эксплуатации» [см. 5 - Патент США № US 8152492 В2, МКП F04B 17/00, опубл. 10.04.2012 г., приор. 12.06.2006 г.]. Остановимся на особенностях прототипа, который по своим отличительным признакам представляет из себя устройство привода УШГН его СУ и способ управления этим устройством. В патентной формуле прототипа описано устройство линейной штанговой насосной системы, обеспечивающее возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного штангового насоса (ШГН), при этом устройство содержит:
Линейный механический привод, состоящий из:
- из корпуса установленного на фланце колонной головки;
- вертикально расположенного подвижного элемента, связанного со штанговой колонной УШГН, с помощью которого обеспечивается управляемое возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного насоса;
- реверсивного двигателя, имеющего обратимо вращающийся элемент функционально соединенный с вертикально подвижным элементом.
Взаимодействие в линейном механическом приводе осуществляются таким образом, чтобы обеспечивалась фиксированная взаимосвязь между угловым положением вращающегося элемента электродвигателя и перемещением вертикально подвижного элемента, обратимо с возможностью разворота (реверса). Двигатель попеременно вращается сначала в прямом направлении при первой части хода насоса (стадия ход плунжера вверх), а затем в обратном направлении при протекании второй части хода насоса (стадия ход плунжера вниз);
Устройство линейного механического привода включает в себя зубчатую реечную передачу, состоящую из стойки с сформированной на ней зубчатой рейкой и ведущей шестерни, приспособленное для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения стойки вдоль оси рабочего хода насоса. Стойка зубчатой рейки функционально соединена с зубчатым венцом ведущей шестерни, а эта шестерня функционально соединена с вращающимся валом двигателя. Таким образом, вращение электродвигателя в прямом направлении, обеспечивает движение стойки зубчатой рейки вертикально вверх вдоль оси рабочего хода насоса, а движение стойки рейки вертикально вниз, сопровождается вращением двигателя в обратном направлении, противоположном прямому направлению хода насоса. Стойка зубчатой рейки функционально соединена с устьевым штоком штанговой колонны для передачи усилия. Стойка имеет в ее верхнем конце приспособление (узел) для оперативного прикрепления штока штанговой колонны. В стойке имеется продольно направленное отверстие, проходящие вдоль оси рабочего хода насоса от нижнего конца стойки к верхней части стойки. Шток имеет возможность перемещения внутри стойки в отверстии. Устройство линейного механического привода дополнительно включающее в себя крепежный зажим (фиксатор), обеспечивающий жесткое крепление штока штанговой колонны к стойке. Крепежный зажим (фиксатор) обеспечивает опору и осуществляет передачу усилия к верхнему концу штанговой колонны от стойки реечного привода.
Стойка реечного привода, имеющая U-образное поперечное сечение, образующее продольно направленное отверстие в стойке, в форме открытого канала, расположенного вокруг оси рабочего хода насоса, а с наружной поверхности центральной части стойки, направленной противоположно от ножек, имеются зубья для зацепления с соответствующими зубьями венца ведущей шестерни;
Устройство линейного штангового насоса также имеет одни или более направляющих роликовых подшипника. Они размещены продольно против ножек стойки и напротив шестерни, для обеспечения зацепления зубьев стойки реечного механизма с зубчатым венцом ведущей шестерни;
Устройство линейного штангового насоса, имеет пару направляющих опор, размещаемых с боков ножек стойки, напротив друг друга, для принудительного удержания стойки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев стойки с венцом ведущей шестерни.
Дополнительные пункты патентной формулы раскрывают следующее:
2 и 3 пункт патентной формулы раскрывают особенности конструкции места расположения ведущей шестерни в линейном механическом приводе.
В 4 пункте патентной формулы сообщается о том, что устройство может дополнительно содержать механический редуктор (коробку) размещенную между электродвигателем и ведущей шестерней.
В 5 пункте патентной формулы сообщается о том, что применяемый по п. 4 механический редуктор представляет из себя редуктор конического типа, благодаря чему ось вращения ведущей шестерни имеет перпендикулярное направление относительно оси рабочего хода насоса.
6 пункт патентной формулы раскрывает особенности системы управления (СУ) линейным реечным приводом насосной установки, которое обеспечивает работу электродвигателя в «двигательном» режиме при движении стойки вверх (прямое вращение электродвигателя) при восходящей части рабочего хода насоса; и обеспечивает работу двигателя в режиме торможения (электродвигатель работает в «генераторном» режиме), при движении стойки вниз при нисходящей части рабочего хода насоса. Кроме того, система управления включает в себя элемент хранения энергии, для накопления энергии, вырабатываемой в режиме торможения работы электродвигателя (когда электродвигатель работает в генераторном режиме), в котором расположен блок для использования накопленной энергии, обеспечивающий передачу накопленной энергии электродвигателю во время работы электродвигателя в двигательном (нагруженном) режиме. Система управления также может включать в себя рассеивающий элемент для обеспечения рассеивания энергии, вырабатываемой электродвигателем в режиме торможения его работы, при этом устройство управления избирательно настраивается для работы одного или другого из элементов накопителя энергии и элемента рассеивания энергии.
7, 8 и 9 пункты патентной формулы раскрывают сведения о том, что устройство дополнительно содержит в своем составе масляной поддон (ванну, картер), расположенную ниже нижнего конца стойки, и сконфигурированное для удержания в нем объема смазки, и для погружения в него нижней концевой части стойки, в результате чего обеспечивается смазка стойки при ее рабочем перемещении. Нижняя часть стойки погружается в смазку, находящуюся в поддоне, в течение по меньшей мере части каждого рабочего хода насоса. Поддон (ванна, картер) образована двумя трубами, герметично соединенными внизу, образуя жидкостную кольцевую полость между ними, для заполнения в эту полость объема смазки, которая закачивается в верхнюю часть этой кольцевой полости. Внутренняя трубчатая стенка поддона расположена вокруг устьевого штока, и свободно помещается внутри отверстия рейки для обеспечения хода, а внешняя стенка трубчатого отстойника расположена вокруг рейки.
10 и 11 пункты патентной формулы сообщают о том, что устройство дополнительно может содержат упругий элемент, расположенный внутри полости в отстойнике, ниже нижнего конца стойки. Он обеспечивает появление в системе направленного вверх усилия приложенного к нижнему концу стойки, в случае если нижний конец стойки вышел за пределы разрешенного нормального нижнего положении стойки во время протекания рабочего хода. Упругий элемент может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу стойки в течение части каждого рабочего хода глубинного штангового насоса. Согласно описанию изобретения упругий элемент может быть выполнен в виде пневмоцилиндра, в котором воздух сжимается при ходе стойки вниз, и расширяется при ходе стойки вверх. Последнее позволяет использовать энергию, высвобождаемую на стадии хода ШГН вниз, для использования при работе на стадии хода ШГН вверх.
Выбранное в качестве, прототипа техническое решение обладает великолепными качествами, позволяющими обеспечивать гибкий оптимальный рабочий цикл с возможностью отдельного управления скоростью движения штанговой колонны (а значит и плунжера) насоса на любой из стадий, в том числе обеспечить возможность введения стадии ожидания между стадиями «ход вверх» и «ход вниз». Кроме того, для использования таких устройств нет необходимости в использовании массивных капитальных фундаментов на устье скважины. Привод целиком крепится непосредственно к фланцу обсадной колонны.
Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа является то, что в данной конструкции направляющие рейки образованы четырьмя плоскими поверхностями, изготовление которых с заданной точность является сложной и трудоемкой задачей как в корпусе, так и на самой рейке, и требующие механизмов настройки зазоров.
Раскрытие предлагаемого технического решения.
Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции реечного узла и расширение эксплуатационных возможностей.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в известном устройстве линейного реечного привода глубинного штангового насоса, состоящего из следующих компонентов:
- электроприводного узла, электродвигателя (4) с находящемся на его валу редуктором (5) или мотор-редуктора (сформированного в едином корпусе электродвигателя и связанного с коническим редуктором);
- реечной передачи (механизма), состоящей из зубчатой рейки (8), приспособленной для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения стойки вдоль оси рабочего хода насоса, и ведущей шестерни реечной передачи (11) с осью перпендикулярной оси рабочего хода насоса, функционально соединенной с выходным элементом электроприводного узла;
- узла крепления устьевого штока штанговой колонны (10) (опоры полированного штока);
- направляющих (12), расположенных в корпусе сверху и снизу шестерни, для фиксации и направлении рейки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев рейки с венцом ведущей шестерни;
Устройство может дополнительно содержать следующие элементы:
- поддон (картер) со смазкой, обеспечивающий смазку реечного механизма за счет погружения в него нижней части рейки,
- упругий элемент (9), предназначенный для опоры рейки в нижнем положении при остановках, ремонтах, и для предотвращении выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования, так же, он может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу рейки во время хода в верх.
Стойка зубчатой рейки имеет округлое сечение в виде сегмента круга, причем зубцы реечной передачи сформированы в области хорды сегмента.
Штанговая подвеска опирается на подшипниковый узел, при этом исключается крутящий момент возникающий при работе от насоса и штанг, что позволяет избавиться от необходимости фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси. Опорный подшипниковый узел может располагаться в рейке сверху снизу и в любом месте по ее телу.
Также в рейке может быть сквозной по ее длине открытый канал, ось которого параллельна оси рабочего хода глубинного штангового насоса, канал размещен напротив зубьев реечной стойки и предназначен для размещения в нем полированного штока.
Варианты формы сечения сквозного открытого канала могут быть следующие:
1) круглой формы (Фиг. 5);
2) прямоугольной формы, имеющей связь с внешней круговой поверхностью стойки;
3) комбинированной из двух сливающихся фигур круга и прямоугольника (Фиг. 6, Фиг. 7).
Устройство может содержать электроприводной или механический штанговращатель предназначенный для принудительного вращения штанг. Который устанавливается на подшипниковую опору.
Основное отличие заявляемого технического решения от прототипа заключается в том, что вместо стойки U-образного (П-образного) сечения стойка имеет округлое сечение. Фактически она может изготавливаться из цельного металлического кругового профиля путем проведения токарных, фрезерных и сверлильных операций. Данная конструкция является самой простой в изготовлении, так как направляющие образованы одной цилиндрической поверхностью, такую форму проще всего реализовать на практике. В то время как в прототипе компании Unico Inc. (США) направляющих поверхностей не менее четырех.
Так же имеется опорный подшипниковый узел, который исключает крутящий момент, возникающий при работе насоса от штанг в скважине, что позволяет избавиться от необходимости дополнительных направляющих для фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси.
На ее основе спроектирован линейный реечный привод УШГН грузоподъемностью 12 т с длиной рабочего хода 3 м.
Суть полезной модели поясняется чертежами.
Описание чертежей
На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 представлена общий вид и разрез линейного штангового привода установки для добычи нефти, в соответствии с заявляемой полезной моделью.
В схеме приняты следующие обозначения:
1 - Опора
2 - Основание
3 - Устьевой шток
4 - Электродвигатель
5 - Редуктор
6 - Крышка-направляющая.
7 - Корпус
8 - Рейка
9 - Демпфер
10 - Опора подшипниковая
11 - Шестерня
12 - Направляющие.
На Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7 представлено поперечное сечение рейки с вариантами формы канала (отверстия).
Устройство работает следующим образом.
Привод насоса устанавливается непосредственно на устье скважины на фланец устьевой арматуры и крепится при помощи опоры 1 шпильками. Основание 2 предназначено для установки корпуса 7 на заданной высоте, и служит масляной ванной для смазки рейки 8 и шестерни 11. В корпусе 7 установлены направляющие 12 для фиксации рейки 8 и шестерня 11. На корпусе 7 установлен редуктор 5 с электродвигателем 4 приводящий во вращение шестерню. Реверсивный электродвигатель 4 соединенный с реечным механизмом через редуктор 5 и шестерню 11, двигает рейку вверх и вниз для хода устьевого штока 3. Во время каждого хода стойка смазывается погружением в масло налитое в основание 2.
Устьевой шток 3 проходит через канал внутри рейки и поддерживается сверху подшипниковой опорой 10 над центром устья скважины. Устьевой шток не фиксирован вдоль оси, и способен двигаться внутри рейки в случае прихвата штока или насоса.
Демпфер 9 предназначен для опоры рейки в нижнем положении при остановках ремонтах, и для предотвращении выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования.
Примеры реализации технического решения.
У авторов заявляемого в качестве полезной модели технического решения имеется пример разработанной конструкции линейного привода штангового глубинного насоса (ЛПШГН).
Первое решение включает в себя ЛПШГН заявляемой конструкции с подшипниковой опорой, которая исключает крутящий момент возникающий при работе от насоса и штанг в скважине.
Второе решение включает в себя ЛПШГН заявляемой конструкции с штанговращателем предназначенным для принудительного вращения штанг. Который устанавливается на подшипниковую опору. И использует косые направляющие и храповой механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.