СТАНОК-КАЧАЛКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
PUMPING UNIT FOR OIL PRODUCTION

Изобретение относится к технологии механизированной добычи нефти, в частности к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.
К настоящему времени наибольшее распространение в качестве установок привода штанговых глубинных насосов (ШГН) получили балансирные станки-качалки (С-К). Данный тип привода имеет значительные преимущества, такие как высокие надежность, долговечность и энергоэффективность.
Типичная конструкция С-К содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока. Балансир установлен на основании с рамой. Правая часть балансира с противовесами, траверсой и шатунами, отсоединенными от кривошипов, всегда тяжелее левой части балансира с его головкой и канатной подвеской колонны штанг насоса. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и компенсирует нагрузку со стороны левой части балансира [SU 1333838]. Типичными недостатками практически любого С-К являются
1. Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.
2. Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом станка-качалки;
3. Высокая стоимость замены С-К или его узлов вследствие большой массы;
4. Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, снижающих безопасность обслуживания.
Следует отметить, что конструкция С-К продолжает совершенствоваться, избавляясь от части перечисленных выше недостатков. В частности, это достигается путем выполнения привода ШГН в виде подвижного контргруза, размещаемого на балансире с возможностью возвратно-поступательного перемещения по всей его длине, при этом контргруз снабжен автономным электроприводом. Примерами таких С-К являются конструкции, описанные в патенте на изобретение SU 1267045 и в патенте на полезную модель CN 202117637, в первом из которых привод включает канатную систему перемещения контргруза, а во втором - привод выполнен в виде электрического линейного двигателя.
Наряду с балансирными С-К, последние 25 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода ШГН, значительным конструктивным разнообразием. Однако, технология добычи нефти с применением ШГН и оборудование для этого в виде станков-качалок являются в настоящее время наиболее востребованными. Так, в мировой практике в добыче жидких углеводородов станки-качалки составляют 90% парка имеющегося оборудования аналогичного назначения.
Стремление к снижению различного рода затрат на оборудование по добыче нефти привели к созданию конструкции С-К, который обслуживает две, рядом расположенные, скважины.
В RU 2205978 описано такое устройство, которое содержит корпус 1 (нумерация позиций взята из описания патента), электродвигатель 2, редуктор 3, механизм преобразования вращательного движения ведомого вала редуктора 3 в возвратно-поступательное движение шатуна, выполненный в виде ведущей звездочки 4, смонтированной на ведомом валу редуктора, ведомой звездочки 5, установленной на корпусе 1 с возможностью вращения на ее геометрической оси и взаимодействия с ведущей звездочкой 4 с помощью пластинчатой цепи 6, надетой на эти звездочки, шатун 7, шарнирно установленный одной стороной на пластинчатой цепи 6 с помощью пальца 8, а другой стороной - на нижнем конце балансира 9, установленного на корпусе 1 вертикально с возможностью колебательного движения в вертикальной плоскости и взаимодействия с 2-мя ШГН с помощью неподвижной радиальной головки 10, подвижной радиальной головки 11, подвески 12, штанги 13, опущенной в устье скважины 14,шкива 15, откидной головки 16, стойки 17, подвески 18, штанги 19, взаимодействующей со скважиной 20, шкива 21, откидной головки 22 и стойки 23.
Описанное устройство работает следующим образом. При включении в работу электродвигателя 2 вращательное движение передается на редуктор 3 и ведущую звездочку 4. Цепная передача преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное перемещение шатуна 7. Последний взаимодействует с балансиром 9, сообщая ему колебательное движение в вертикальной плоскости. В момент поворота сдвоенных радиальных головок 10 и 11 в левую сторону, штанга 13 ШГН скважины 14 будет опускаться вниз, а штанга 19 будет подниматься вверх, извлекая нефть из скважины 19. Таким образом, добыча нефти на одной С-К повышается в два раза и значительно сокращается расход электроэнергии, расход на ремонт и техническое обслуживание технологического оборудования.
Основным недостатком описанного устройства является конструкционная сложность механизма преобразования вращательного движения в колебательное, включающего замкнутую пластинчатую цепь, связанную через шатун с колебательной системой, несущей сдвоенные головки, шарнирно закрепленные на отдельной стойке. Сложность конструкции устройства влечет за собой увеличение производственных затрат, а также снижение надежности работы С-К.
В качестве прототипа предлагаемому изобретению выбрана конструкция С-К, описанная в RU 2191924. Станок-качалка с двумя балансирами содержит раму, электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Балансир выполнен с возможностью взаимодействия с двумя штангами насосных установок при помощи двух откидных головок, устанавливаемых на концах продольной балки. Устройство снабжено вторым балансиром, связанным с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Одна из откидных головок первого балансира выполнена с возможностью взаимодействия с головкой второго балансира при помощи двух тросов, каждый из которых жестко закреплен одним концом на головке второго балансира, а вторым концом - на головке первого балансира, но на противоположных сторонах головок.
Несмотря на то что прототип имеет определенные преимущества в сравнении с аналогом, он имеет значительный недостаток - сложность конструкции. Суть в том, что в качестве механизма преобразования использовано схематическое решение традиционного С-К, т.е. механизм преобразования есть ни что иное, как собственно станок-качалка, содержащий все присущие ему, без изъятия, родовые признаки, в частности, фундамент, стойка для балансира, собственно балансир с головкой, электродвигатель, редуктор и, наконец, шатунно-кривошипный механизм, шарнирно связанный с балансиром. Как следствие, конструкция С-К прототипа обладает высокой металлоемкостью, сложностью монтажно-технических, эксплуатационных и ремонтных работ, т.е. интегрально характеризуется низкими экономическими параметрами.
Таким образом, задачей изобретения является упрощение конструкции и улучшение экономических характеристик С-К.
Поставленная задача решается за счет того, что в станке-качалке для добычи нефти, включающем балансирную балку, смонтированную с помощью шарнира на опорной стойке и снабженную на своих обоих концах головками, обеспечивающими возможность обслуживания двух ШГН, и кинематически связанную с приводом, содержащим электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в колебательное, привод размещен на консольной опоре, закрепленной на боковой поверхности оголовка стойки, а механизм преобразования выполнен в виде зубчатого механизма, шестерня которого закреплена на выходном валу редуктора, а часть колеса в виде сектора неподвижно установлена на балке, при этом геометрическая ось колеса совмещена с соответствующей осью шарнира связи балки и стойки.
Кроме того, решению поставленной задачи способствует и то, что зубчатый механизм выполнен в виде цевочного механизма, в котором цевки выполнены вращающимися, а части балансирной балки, расположенные по обе стороны шарнира, выполнены телескопическими, при этом на подвижных фрагментах балки смонтированы с возможностью возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы.
Технический результат состоит в значительном упрощении конструкции С-К за счет новой компоновки его узлов и механизмов, заключающейся в размещении привода на опорной стойке в непосредственной близости от балансирной балки и выполнения механизма преобразования движения в виде взаимодействующих шестерни и сектора колеса. Следствием вышеуказанного является повышении экономических характеристик в процессах промышленного производства С-К и его эксплуатации.
На чертежах, прилагаемых к описанию изобретения, даны:
- на фиг. 1 - схематическое изображение общего вида С-К;
- на фиг. 2 - схематическое изображение привода С-К.
Станок-качалка содержит опорную стойку 1 выполненную в виде сваи, забитой в грунт, на оголовке которой установлен съемный стакан 2, связанный своим днищем 3 посредством фланца с опорой 4, снабженной горизонтальным шарниром 5 связи с балансирной балкой 6. Последняя по обе стороны шарнира 5 выполнена из двух частей, телескопически связанных друг с другом, т.е. установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения. На каждой из подвижных частей 7 смонтированы с возможность возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы 8. Концы частей 7 несут головки 9, которые с помощью канатов 10 связаны со штоками И ШГН, размещенные в скважинах 12, совмещенных с накопителями 12А. На боковой поверхности стакана 2 ортогональной балке 6 закреплена консоль 13 (фиг. 2), на горизонтальной площадке которой смонтирован привод 14 качания балки 6. Привод 14 представлен кинематически и последовательно связанными между собой электродвигателем 15, редуктором 16 и механизмом преобразования вращательного движения электродвигателя в колебательное движение балансира. Последний выполнен в виде зубчатого механизма, шестерня 17 которого закреплена на выходном валу 18 редуктора 16, а часть колеса 19 в виде сектора неподвижно установлена на балке 6, при этом геометрическая ось колеса совмещена с соответствующей осью шарнира связи балки 6 и стойки 1. Другими словами, наружные поверхности колеса 19 и оси 5 являются эквидистантными или, иначе, описываются радиусами из общего центра «О». Помимо эвольвентного зацепления в механизме преобразования может быть использовано цевочное зацепление. В качестве фиксаторов подвижных частей 7 на балке 6 и регулировочных грузов 8 на частях 7 могут служить зажимные болты 20. Конструкция С-К дает возможность осуществить его производство в виде отдельных сборочных единиц, легко транспортируемых и собираемых на месте его размещения. Среди таких единиц можно указать на опору 4 с шарниром 5, балансирную балку 6, подвижные части 7, несущие регулировочные грузы 8 и головки 9, консоль 13 со смонтированным на ней приводом 14 и стакан 2.
Изобретение реализуется следующим образом.
После сооружения двух соседних скважин 12 и размещения в них подвижных частей ШГН осуществляют на равновеликом расстоянии от каждой из них забивку бетонной сваи 1, которая может быть заменена трубой диаметром не менее 0,5 метра. Сборка С-К выполняется на месте расположения скважин, при этом он может быть собран на земле полностью и водружен на сваю 1 путем надевания стакана 2 на последнюю с помощью подъемно-транспортных средств с последующей фиксацией последнего с помощью зажимных болтов 20. Соединение головок 9 канатами 10 с полированными штоками 11 производят при горизонтальном положении балансирной балки 6, задавая длину соединительных канатов 10 приблизительно равной величине хода ШГН, что определяется по месту. Точное соответствие расстояния между головками 9 расстоянию между продольными осями обеих скважин 12 задается перемещением подвижных частей 7, фиксируемых в заданном положении болтами 20. Уравновешивание подвижных частей обоих ШГН, т.е. создание оптимальных условий для работы привода (снижение нагрузки) достигается путем перемещения регулировочных грузов 8 с последующей их фиксацией на частях 7 в процессе подготовительных работ перед запуском рабочего режима С-К. Исходным расположением шестерни 17, колеса 19 механизма преобразования, а также оси шарнира 5 перед началом работы является расположение их геометрических осей в общей вертикальной плоскости.
Работа С-К осуществляется реверсивным вращением вала 18 в соответствии с программой управления работой электродвигателя 15, что обеспечивает колебательное движение балансирной балки 6, а значит, и возвратно-поступательное движение подвижных частей ШГН и, как результат, циклическое извлечение из недр нефти, которая через накопители 12А отправляется по трубопроводам (на чертеже не показано) в емкости для сбора.