ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, включающим гидравлические или пневматические средства, и может быть использовано для приведения в действие скважинного штангового насоса, предназначенного для подъема жидкостей с больших глубин.
Чаще всего гидравлические приводы штанговых глубинных насосов, состоят из гидроцилиндра, смонтированного на опорной раме. Рама опирается на специальный фундамент или закрепляется на фланец скважины.
Например известен мультипликаторный силовой привод нефтепромысловой установки, описанный в патенте на изобретение №2333387, опубликованном 20.03.2007 г. Устройство содержит приводной поршневой гидроцилиндр, соединенный с рабочим мультипликатором в единую конструкцию. Также содержит аккумулирующий мультипликатор, подсоединенный к приводному гидроцилиндру, с образованием объемной замкнутой конструкции, работающий по принципу сообщающихся сосудов. Аккумулирующий мультипликатор выполняет функцию уравновешивающего груза и одновременно служит резервуаром сжатого воздуха и жидкости для их повторного использования в работе привода. Повышенное гидростатическое давление, созданное рабочим мультипликатором, передается через жидкость на поршень приводного гидроцилиндра, который силой гидростатического давления, при помощи гибкой связи, приводит в работу поршень штангового насоса. Установка позволяет исключить из кинематической связи между насосом и силовым приводом уравновешивающие грузы.
Недостатком мультипликаторного силового привода нефтепромысловой установки является высокая металлоемкость несущей рамы, высокие затраты на транспортировку к месту работы, сложность и ненадежность конструкции системы блоков и противовесов, большой вертикальный габарит в собранном состоянии, что создает дополнительные трудности при монтаже (демонтаже), эксплуатации и ремонте привода.
Известен привод глубинного штангового насоса, описанный в патенте на полезную модель №75873, опубликованный 25.03.2008 г. Привод глубинного штангового насоса содержит раму, в верхней части которой имеется силовой гидроцилиндр, расположенный вертикально с возможностью крепления штока штангового насоса, гидравлическую систему с насосной станцией, систему управления приводом, силовой гидроцилиндр соединен гидропроводом с насосной станцией, выполненной выносной, в которой расположена система управления приводом, причем длина рамы соразмерна длине штока силового гидроцилиндра.
Недостатком привода глубинного штангового насоса является высокая металлоемкость несущей рамы, высокие затраты на транспортировку к месту работы, большой вертикальный габарит в собранном состоянии, что создает дополнительные трудности при монтаже (демонтаже), эксплуатации и ремонте привода.
Большинство недостатков подобных конструкций обусловлено тем, что рама привода должна не только воспринимать силовые нагрузки, но и обеспечить возможность полного хода штанг глубинного насоса в процессе работы (высота рамы не может быть меньше полного хода штанг насоса).
Известны приводы штангового насоса, состоящие из комбинации гидроцилиндров, позволяющих отказаться от использования рамы.
Известна гидроприводная система нефтяного скважинного насоса для приведения в действие насосной штанги, описанная в патенте на изобретение №2117823, опубликованном 20.08.1998. Гидроприводная система нефтяного скважинного насоса для привода нефтяной скважинной насосной штанги включает гидроцилиндр, главный поршень которого имеет приводной поршневой шток, соединенный с шатунной шейкой эксцентрического кривошипа, который приводится в действие с постоянной скоростью вращения, сообщая возвратно-поступательные движения главному поршню внутри главного цилиндра в синусоидальном ритме. Устьевой гидроузел соединен с нефтяной скважинной насосной штангой и сообщается по жидкости с рабочей камерой главного цилиндра, принимая поток рабочей жидкости. Устьевой гидроузел вызывает возвратно-поступательное движение нефтяной скважинной насосной штанги в ритме, соотносящемся с ритмом передвижения главного поршня. Газовый аккумулятор сообщается по жидкости с камерой под давлением главного цилиндра, передвигая главный поршень, создавая восходящее сдвиговое усилие на устьевом гидроузле.
Недостатком устройства является сложность и ненадежность конструкции, низкая ремонтопригодность, а так же высокая себестоимость и высокие эксплуатационные расходы.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа является гидравлический привод подъемного устройства, описанный в патенте на изобретение №2232295, опубликованном 10.07.2004. Гидравлический привод подъемного устройства содержит рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр. Одна из поршневых полостей тандемного цилиндра соединена с емкостью со сжатым газом, другая поршневая полость - со штоковой полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура. Для увеличения числа качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса подачи рабочей жидкости, штоковые полости тандемного цилиндра соединены через гидрораспределитель с насосом или сливом. Привод содержит систему компенсации утечек, обеспечивающую подпитку рабочей жидкости в замкнутый контур при необходимости. По одному из вариантов состоит из двух гидроцилиндров, уравновешивающего тандемного гидроцилиндра с мультипликацией расхода, насоса компенсации утечек, гидроаккумулятора, распределителя, силового насоса, емкости для рабочей жидкости.
Недостатком гидравлического привода подъемного устройства является сложное устройство уравновешивающего тандемного гидроцилиндра, содержащим большое количество подвижных уплотнений, так же при эксплуатации данного привода на гидроцилиндры действуют неравномерные нагрузки что в совокупности обуславливает низкую надежность и высокую частоту обслуживания и ремонта.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и упрощение конструкции.
Техническим результатом полезной модели является предотвращение заклинивания насоса или колонны штанг, например при расхаживании обсадной колонны, обеспечение равномерного распределения нагрузок на гидроцилиндры, унификация конструкции и снижение эксплуатационных затрат.
Технический результат достигается за счет того, что гидравлический привод штангового насоса, содержит гидроцилиндры, силовой насос, гидроаккумулятор, устройство мультипликации, распределитель, емкость для рабочей жидкости, и отличается тем, что содержит не менее двух гидроцилиндров, корпуса которых соединены между собой траверсами и связаны с колонной штанг, а штоки гидроцилиндров соединены опорной плитой, устройство мультипликации выполнено в виде гидравлического мультипликатора разделенного поршнями на три полости, причем полость низкого давления соединена через распределитель с гидроцилиндрами и через обратный клапан с межпоршневой полостью которая в свою очередь соединена с гидроаккумулятором, полость высокого давления через распределитель соединена с силовым насосом и дополнительным гидроаккумулятором.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет предотвратить заклинивание насоса или колонны штанг, например при расхаживании обсадной колонны, обеспечить равномерное распределение нагрузок на гидроцилиндры, унифицировать конструкцию и снизить эксплуатационные затраты.
Полезная модель предназначена для приведения в действие штангового глубинного насоса и может найти широкое применение в нефтепромышленности, а именно в области добычи пластовой жидкости из скважин.
Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа существенными признаками, и позволяет достичь указанного технического результата.
Гидравлический привод штангового насоса (схема на приведенном чертеже) состоит из, по крайней мере, двух гидроцилиндров 1, корпуса 2 которых соединены между собой траверсами 3 в верхней и нижней частях, к нижней траверсе 3 крепится колонна штанг 4 глубинного насоса. Полые штоки 5 гидроцилиндров 1 соединяются между собой опорной плитой 6 которая может крепиться как на фундамент, так и на фланец скважинной арматуры. Соответственно гидравлический привод штангового насоса не имеет в своей конструкции отдельной силовой рамы или направляющих, роль которой (которых) выполняет сам привод, рамой (направляющими) в котором являются гидроцилиндры 1, действующие по схеме когда неподвижными остаются штоки 5 гидроцилиндров 1, а возвратно-поступательные движения совершают корпуса 2 гидроцилиндров 1.
Гидравлический привод штангового насоса содержит устройство мультипликации, выполненное в виде гидравлического мультипликатора 7, разделенного поршнями большого 8 и малого 9 диаметров на три полости: полость 10 низкого давления, межпоршневую полость 11 и полость 12 высокого давления. Полость 10 низкого давления через делитель потока 13 соединена с гидроцилиндрами 1 и через обратный клапан 14 с межпоршневой полостью 11 которая в свою очередь подключена к уравновешивающему гидроаккумулятору 15. Уравновешивающий гидроаккумулятор 15 через запорную арматуру (вентиль) 16 соединен с силовым насосом 17, забор рабочего тела, осуществляется из гидробака 18 через фильтр 19. Для контроля давления на линии 20 высокого давления установлен датчик давления 21. Полость 12 высокого давления мультипликатора 7 через распределитель 22 соединена с силовым насосом 17. Линия сброса распределителя 22 через регулятор потока 23 выходит в гидробак 18. Так же на линии 20 высокого давления установлен гидроаккумулятор 24. Гидравлический привод штангового насоса оборудован предохранительным клапаном 25 и линией сброса давления с запорной арматурой 26.
Гидравлическая жидкость подается в цилиндры 1 через полые штоки 5, соединенные с полостью 10 низкого давления мультипликатора 7, для компенсации веса штанг задействована межпоршневая полость 11 мультипликатора 7, давление в которой поддерживается уравновешивающим гидроаккумулятором 15. Мультипликатор, в отличие от тандемного гидроцилиндра, содержит только два подвижных уплотнения.
Подготовка гидравлического привода штангового насоса к работе заключается в создании давления уравновешивания веса колонны штанг в межпоршневой полости 11, что достигается при зарядке гидроаккумулятора 15, через вентиль 16 от силового насоса 17 через фильтр 19 из гидробака 18. Давление на линии 20 высокого давления контролируется датчиком 21.
Запуск мультипликатора 7 в действие и гидравлического привода штангового насоса в целом осуществляется созданием давления в полости 12 насосом 17 через включенный распределитель 22.
Реверсирование осуществляется отключением распределителя 22 при срабатывании конечного выключателя (на схеме не показан).
Полость 10 низкого давления соединена с полостью 11 обратным клапаном 14, который может сработать только при условии выравнивания давления в полости 10 по отношению к полости 11. Это происходит при реверсировании привода, когда гидроцилиндры 1 достигают нижней точки при обратном ходе и тормозятся гидротормозами цилиндров (на схеме не показаны), что вызывает срабатывание клапана 14, давление в полостях уравнивается, но за счет разности площадей поршней 8 и 9 (S10>S11, т.к. S11=S10-S12
где S10 - площадь поршня в полости 10, S11 - суммарная площадь поршня в полости 11, S12 - площадь поршня в полости 12 возникает не скомпенсированная сила, позиционирующая поршни 8, 9 мультипликатора 7 в крайнем правом положении и (если произошла утечка) восполняется количество рабочей жидкости в полости 10 и гидроцилиндрах 1 из гидроаккумулятора 15, что позволяет отказаться от применения дополнительного насоса компенсации утечек.
Выравнивание неравномерности нагрузок между гидроцилиндрами 1 достигается применением в приводе делителя потока 13.
При работе гидравлического привода штангового насоса возникают дополнительные нагрузки со стороны привода на колонну штанг 4 насоса например - подклинивание насоса или колонны штанг при «расхаживании» скважины. Из-за отсутствия демпфирующих устройств нагрузки растут скачкообразно и могут привести к обрыву штанг 4. Введение в гидравлическую схему второго гидроаккумулятора 24 позволяет решить проблему. Гидроаккумулятор 24, установленный на линии 20 высокого давления, выполняет следующие функции:
- во время хода привода вниз запасает энергию для следующего хода вверх, что позволяет уменьшить производительность силового насоса;
- во время хода вверх, совместно с силовым насосом 17, приводит в движение поршни 8, 9 мультипликатора 7. В случае возникновения сопротивления ходу привода давление в полости 12 мультипликатора 7 возрастает не скачкообразно, а плавно, т.к. избыток рабочей жидкости поступает в гидроаккумулятор 24, плавно поднимая давление, а следовательно и развиваемое гидравлическим приводом штангового насоса усилие, вплоть до максимального.
Управление количеством ходов гидравлического привода штангового насоса осуществляется регулятором потока 23, установленным на сбросной линии распределителя 22. Сброс давления и гидравлической жидкости из системы производится через вентиль 26 в гидробак 18. Максимальное давление регулируется и поддерживается предохранительным клапаном 25.