ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится, в широком смысле, к технологии механизированной добычи нефти, а точнее - 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 (СК). Данный тип привода имеет значительные преимущества такие как высокие надежность, долговечность и энергоэффективность.
Типичная конструкция СК содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока с винтами динамометрирования. 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 канатом канатной подвески. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и его компенсирует колонна штанг насоса, посаженная на зажим [SU 1333838].
Типичными недостатками практически любого СК являются:
- Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.
- Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом привода (капитальные затраты).
- Высокая стоимость замены СК или ее узлов вследствие большой массы.
- Низкий срок службы редуктора из-за 100% продолжительности включения.
- Неудовлетворительное центрирование канатной подвески, обусловленное неточностью изготовления головки балансира и приводящее к ускоренному износу устьевого уплотнения.
- Неудобство перестановки пальцев шатунов.
- Высокая трудоемкость перемещения противовесов в процессе уравновешивания.
- Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, что снижает безопасность обслуживания.
Следует отметить, что конструкция СК 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 СК 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 СК, последние 25 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода ШГН, отличающееся значительным конструктивным разнообразием.
Так, относительно широкое распространение получили цепные приводы ШГН, которые позволяют значительно увеличить длину хода полированного штока и тем самым добиться оптимального режима экономии электроэнергии и увеличить наработку подземного оборудования на отказ. В патенте SU 1479697 описана установка для длинноходовой глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин. Она содержит вертикально установленную на устье скважины ферму с размещенными на ней вращающимися блоками, через которые пропущена канатная подвеска, соединенная одним концом с полированным штоком, расположенной в скважине колонны штанг, а другим концом - с противовесом. В ферме установлена, параллельно полированному штоку, приводная от двигателя через редуктор цепная передача с ведущей и ведомой звездочками. Канатная подвеска дополнительно соединена через ползун, установленный в направляющих, с приводным роликом цепной передачи. Последняя установлена в дополнительных параллельных направляющих, из которых наружные направляющие выполнены в зоне расположения звездочек. Направляющие ползуна расположены вертикально и совместно с направляющими цепной передачи соединены с фермой. Ползун непосредственно связан с канатной подвеской, которая соединена с приводным роликом цепной передачи при помощи дополнительно установленного в ползуне поворотного шатунного пальца.
Кинематическая и конструктивная сложности описанной безбалансирной цепной установки ШГН, несмотря на существенное превосходство ее по техническим параметрам над традиционными СК ведут к значительному снижению надежности ее работы.
Высокая доля геолого-технических мероприятий в структуре ремонтов скважин явилась одной, но существенной причиной, увеличения объемов применения гидравлических приводов ШГН, главным преимуществом которых стала относительно высокая мобильность и быстрота монтажа после проведения подземного ремонта на скважине. Примером конструкции гидравлического привода ШГН является таковой, описанный в патенте SU 1585552. Привод содержит гидравлический цилиндр, шток которого связан муфтой и колонной штанг с плунжером скважинного насоса, перемещающегося в погружном цилиндре, расположенном в скважине. Кроме того, привод снабжен распределительным устройством, источником питания, гидромотором переменного рабочего объема, электродвигателем и маховиком. Реверсирование направления движения штока осуществляется посредством планки с кулачком, взаимодействующим с распределителем реверса. Привод включает в себя также переливной клапан, обратные клапана, регулируемые дроссели, бак, реле тока и разгрузочный клапан. Штоковая полость первого цилиндра подсоединена распределительным устройством к линиям нагнетания и слива. Валы гидромотора, источника питания и электродвигателя жестко связаны между собой. Источник питания сообщен линией всасывания с баком.
Основными недостатками гидравлических приводов ШГН являются следующие:
- наличие насосного блока, для которого необходима подготовка основания;
- наличие гидравлических шлангов, работающих под давлением, что ведет к снижению уровня безопасности;
- относительно дорогое профилактическое обслуживание.
Последние десять лет ведутся интенсивные работы в направлении создания принципиально нового привода ШГН, отличающегося мобильностью, надежностью, невысокой стоимостью и простотой обслуживания. В этом плане, представляется возможным выделить две идеологии, основанные на использовании различных принципов механического преобразования вращательного движения двигателя в возвратно-поступательное перемещение рабочего органа, под которым понимается полированный шток привода ШГН. Условно, эти принципы можно определить как винтовой и реечный, т.е. заключающиеся в использовании винтового и реечного механизмов соответственно, которые совместно с двигателем и трансмиссиями образуют, так называемые, линейные приводы ШГН.
Известен линейный привод ШГН, содержащий опору, на которой установлен мотор-редуктор с жестко укрепленной на нижнем конце его ведомого вала гайкой и ходовой винт, жестко соединенный со штангой. На ходовом винте выполнены попарно противоположно направленные ленточные нарезки, при этом в каждой паре верхние выходы ленточных нарезок, как и нижние выходы, выполнены с плавным переходом друг в друга, образуя бесконечную ленту. В гайке напротив каждой нарезки ходового винта выполнено сквозное горизонтально расположенное отверстие, в которое вставлена с возможностью вращения соосно расположенная цилиндрическая обойма с выполненным на ней в форме горизонтального прямоугольника пазом со стороны ходового винта. В пазе цилиндрической обоймы размещен с возможностью вращения на оси горизонтально установленный ролик с выступающей наружу паза частью, которая введена в нарезку бесконечной ленты, состоящей из вышеупомянутых нарезок. Ведомый вал мотор-редуктора выполнен в виде трубы, а ходовой винт установлен в ведомом валу коаксиально, причем длина ведомого вала больше длины прямого или обратного хода ходового винта. Ведомый вал установлен в опоре на подшипниках [RU 2482332].
Благодаря выполнению ходового винта с попарно противоположно направленными ленточными нарезками, образующими бесконечную ленту, отпадает необходимость изменять направление вращения электродвигателя. Однако предлагаемая конструкция ходового винта представляется технологически сложно выполнимой и в условиях длительной, практически безостановочной, эксплуатации малонадежной. Износ ролика и ленточных нарезок способен значительно повлиять на работоспособность привода.
Использование реечного механизма в приводе ШГН в сравнении с винтовым выглядит более перспективным особенно в плане реализации вышеназванных требований, предъявляемых к приводам ШГН.
Известен линейный привод ШГН, который содержит неподвижно установленный на устье скважины и жестко связанный с последней посредством фланцевого соединения вертикальный корпус, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий зубчатую реечную передачу, образованную взаимодействующими зубчатой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых связана с блестящим штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем [US 8555984].
Несмотря на очевидные достоинства описанного привода, последний обладает недостатком, который относится к конструкции собственно зубчатой реечной передачи и выражается, во-первых, в технологической сложности изготовления рейки с модулем значительной величины, во-вторых, в характере взаимодействия зубьев рейки и шестерни, основанном на трении скольжения, и поэтому подверженных значительному износу, учитывая существующие нагрузки на привод ШГН, снижающий надежность работы привода в целом, в-третьих, низкой ремонтоспособности, выражающейся в необходимости замены всей рейки при разрушении или недопустимом износе хотя бы одного зуба.
Таким образом, задачей полезной модели является упрощение технологии изготовления реечной передачи, а также повышение надежности ее работы и улучшение условий проведения ремонтных работ.
Поставленная задача достигается за счет того, что в линейном приводе ШГН, включающем вертикальный корпус с фланцем для связи с устьем скважины, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий реечную передачу, образованную взаимодействующими между собой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых связана с полированным штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем, реечная передача содержит рейку, снабженную цевками, которые взаимодействуют с зубьями шестерни с профилем, выполненным по эквидистанте к гипоциклоиде. При этом каждая цевка установлена в рейке с возможностью вращения вокруг своей оси.
Технический результат полезной модели состоит в упрощении конструкции реечной передачи за счет выполнения рейки с цевками, являющейся более технологичной при изготовлении и обеспечивающей собственно конструкцией цевок значительное уменьшение сил трения взаимодействующих элементов образованного зубчатого механизма. В целом предлагаемое усовершенствование ведет к повышению надежности линейного привода ШГН.
На фиг. 1 дано схематическое изображение линейного привода ШГН.
На фиг. 2 изображено сечение по опорному концу цевки, размещенному в игольчатом подшипнике, установленном в балке.
Линейный привод ШГН содержит несущий корпус 1, выполненный в виде полой цилиндрической трубы, которая снабжена фланцем 2, соединяемым посредством болтового соединения 3 с устьем скважины, представленной трубой 4. Снаружи несущего корпуса 1, в его средней части, смонтирован механизм привода ШГН, который включает реечную передачу, преобразующую вращательное движение электродвигателя в возвратно-поступательное движение рейки. Реечная передача образована зубчатой шестерней 5 и рейкой 6, взаимодействующими между собой. При этом рейка 6 снабжена цевками 7, которые смонтированы между парой параллельных балок 8. В связи с этим, далее, рейка будет именоваться как цевочная рейка, а реечная передача - как цевочная передача. Каждая цевка 7 установлена с возможностью вращения за счет того, что ее концевые части 9 установлены в игольчатых подшипниках 10, корпуса 11 которых расположены в соответствующих отверстиях балок 8. В связи с тем, что рейка выполнена цевочной, рабочий профиль зубьев шестерни выполняется по эквидистанте к гипоциклоиде [Руководящие технические материалы. Цевочное зацепление. РТМ 31 4005-76. Центральное бюро научно-технической информации Министерства морского флота СССР, Москва, 1977, с. 81]. В несущем корпусе 1 установлена неподвижная каретка 12 снабженная четырьмя роликами 13, упирающимися в балки 8, при этом каждый ролик 13 имеет реборды с двух сторон. Зубчатая шестерня 5 через трансмиссию, заключенную в корпус 14, кинематически связана с электродвигателем 15. Цевочная рейка 6 с помощью муфты 16 связана через штангу 17 с полированным штоком (не показан) насоса.
Работа линейного привода ШГН заключается в придании возвратно-поступательного перемещения цевочной рейке 6, а значит и связанному с ней блестящему штоку насоса, за счет реверсивного вращения электродвигателя 15 с частотой, задаваемой системой управления линейным приводом, которая отвечает и за длину хода.
Преимущество цевочной передачи перед другими видами зубчатых механизмов заключается:
во-первых, в конструктивной и технологической простоте цевочной рейки, изготовление которой не требует применения специального оборудования как, например, при изготовлении рейки с эвольвентным зацеплением;
во-вторых, применение цевочной передачи позволяет получить рейку меньшей массы из-за отсутствия в процессе взаимодействия шестерни и рейки радиального усилия, изгибающего рейку;
в-третьих, вращающиеся относительно своих осей цевки уменьшают потери на трение и снижают износ поверхностей зубьев шестерни.
Перечисленные преимущества позволяют увеличить надежность и долговечность работы линейного привода в целом.