МОБИЛЬНЫЙ СТАНОК-КАЧАЛКА
MOBILE CONVENTIONAL PUMPING UNIT

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.
Мобильный станок-качалка применяется для механизированного способа добычи нефти установками штангового скважинного насоса, который является самым распространенным способом эксплуатации скважин как в России, так и в других нефтедобывающих странах мира.
Известно устройство - станок-качалка (СК), который представляет собой преобразующий кривошипно-шатунный механизм с трансмиссией и двигателем, смонтированными на раме. Станок-качалка - это индивидуальный наземный механический привод, через колонну штанг передающий возвратно-поступательное движение плунжеру штангового скважинного насоса (1. Бухаленко Е.И. и др. Нефтепромысловое оборудование: Справочник / Под ред. Е.И.Бухаленко. - М.: Недра, 1990. - 559 с. 2. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 510 с).
Известно, что станки-качалки могут быть балансирные и безбалансирные. Безбалансирные станки-качалки, в которых возвратно-поступательное движение штанг осуществляется с помощью цепи или канатов, перекинутых через шкивы-звездочки, укрепленные на наклонной к устью скважины пирамиде-опоре. Канатная подвеска (или цепь) прикрепляется к штангам, а другим концом к кривошипу редуктора. Безбалансирные станки-качалки уравновешиваются с помощью противовесов, укрепляемых на кривошипе. Однако они не нашли широкого распространения. Разработаны гидравлические качалки, состоящие из длинного цилиндра и движущегося в нем поршня, соединенного непосредственно с колонной штанг. Цилиндр устанавливается вертикально над устьем скважины. Возвратно-поступательное движение поршня и штанг достигается путем переключения золотниковым устройством потока жидкости, нагнетаемой силовым насосом. Однако длинноходные цилиндры и поршни сложно изготовить (2. с.388).
Балансирный станок-качалка имеет кривошипно-шатунный механизм, состоящий из балансира, установленного на стойке, шатунов, кривошипов, и обеспечивает преобразование вращательного движения кривошипов в возвратно-поступательное движение головки балансира. Балансир на переднем плече имеет головку, к которой через канатную подвеску закрепляется колонна штанг. Заднее плечо посредством траверсы через опору траверсы двумя шатунами соединено с кривошипами, на которых закреплены противовесы - контргрузы. Кривошипы закреплены на тихоходном валу редуктора. Для уменьшения инерционных нагрузок на балансир, возникающих при неравномерном движении контргруза, необходимо уравновешивание. Уравновешивание станка-качалки можно обеспечить размещением необходимого контргруза либо на заднем плече балансира, либо на кривошипе. В соответствии с этим различают балансирное (как правило, для СК малой грузоподъемности), кривошипное (для СК большой грузоподъемности) и комбинированное уравновешивание (2. с.391). Существуют балансирные СК с гидропневматическим и пневматическим уравновешиванием, они сложнее в изготовлении, дороже и, несмотря на некоторое уменьшение габаритных размеров, более металлоемки. Трансмиссия станка-качалки состоит из редуктора и клиноременной передачи. Для привода применяют, как правило, электродвигатель, возможно использование двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является балансирный станок-качалка (1. с.54, рис.2.2; 2. с.386, рис.Х.9).
Известно, что такой балансирный станок-качалка состоит из рамы, на которой смонтирована стойка с балансиром и его опорой, поворотная головка переднего конца балансира канатной подвеской соединяется с колонной штанг насоса. Задний конец балансира через траверсу и шатуны соединен с кривошипами, оснащенными противовесами. Кривошипы получают привод от редуктора, который клиноременной передачей связан с электродвигателем. Такое устройство хорошо работает при добыче нефти установками штангового скважинного насоса.
Однако применяемые в настоящее время балансирные станки-качалки имеют сложное устройство, большие габариты и массу, требуют значительных затрат на монтаж и эксплуатацию. Например, масса станков-качалок типа СК может достигать почти 35 тонн, а габаритные размеры: длина - 13,2 м, ширина - 3,1 м, высота - 11,5 м (2. с.387, таблица Х.5) для СК15-6-12500, где 15 - грузоподъемность станка-качалки в тоннах, 6 - максимальный ход в метрах и 12500 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кгс·м (2. с.385). Монтаж станка-качалки начинается с подготовки и планировки площадки и рытья котлована под фундамент, который состоит из двух частей: подземной и наземной. Фундаменты могут быть монолитными (бутобетонными или железобетонными), сборными железобетонными и металлическими. Большие проблемы возникают из-за неуравновешенности работы устройства при подъеме и спуске колонны штанг, вызывающие колебания внутрицикловой нагрузки на двигатель, что приводит к необходимости повышения его мощности и затрат энергии. Клиноременная передача ограничивает эксплуатационные возможности СК, так как имеет небольшой диапазон передаточных чисел (отношение передаточного числа низшей передачи к высшей), невысокую долговечность, необходимость систематической регулировки натяжения ремней.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в снижении затрат на монтаж и эксплуатацию мобильного станка-качалки за счет упрощения и совершенствования его конструкции.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что мобильный станок-качалка содержит стойку, противовесы, траверсу, двигатель, трансмиссию, при этом в направляющих стойки установлена траверса, к которой крепится колонна штанг, стойка оснащена двумя талевыми системами, гибкие связи этих систем через шкивы, расположенные на противоположных сторонах в верхней части стойки, соединяют траверсу и основные противовесы, дополнительные противовесы подвешены в верхней части стойки, в основании стойки под траверсой установлены сервопружины, цепные передачи расположены в средней части стойки, цепи взаимодействуют с траверсой, оснащенной механизмом переключения, соединяющим траверсу поочередно то с одним, то с другим рядом цепей при контакте траверсы с верхним и нижним ограничителями хода, стойка соединена с автоприцепом, на котором установлены двигатель и трансмиссия, состоящая из коробки передач, раздаточной коробки и двух карданных передач к валам звездочек цепных передач.
Предлагаемое техническое решение разделяет привод на две простые отдельные системы. Первая система - это два талевых устройства, соединяющих основные противовесы с траверсой и закрепленной к ней колонной штанг, они заменяют сложный кривошипно-шатунный механизм и уравновешивают массу колонны штанг и столба жидкости, находящейся над насосом. Изменение сопротивления перемещению колонны штанг компенсируется дополнительными противовесами, подвешенными в верхней части стойки. Сервопружины, установленные в основании стойки под траверсой, накапливают энергию при завершении спуска траверсы и обеспечивают наиболее сложный этап работы насоса при начале хода вверх его плунжера. Вторая система преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное за счет механизма переключения траверсы, соединяющего траверсу поочередно то с одним, то другим рядом противоположно движущихся цепей. Все это снижает затраты энергии на привод насоса, габариты и массу станка-качалки, что позволяет монтировать его на автоприцепе.
На фиг.1 показаны два вида мобильного станка-качалки: автоприцепа и присоединенной к ней стойки. В нижней части фиг.1 - вид сверху в транспортном положении. В верхней части фиг.1 - вид сбоку в рабочем положении стойки, а также пунктирными линиями - в транспортном положении. На фиг.2 приведены два вида стойки с размещенными на ней элементами мобильного станка-качалки. Лестницы и защитные ограждения не показаны.
На фиг.3 изображены два вида фрагмента стойки с выделением траверсы с механизмом переключения и ограничителей ее хода. Шкивы, звездочки и их опоры не показаны.
На опорах автоприцепа 1 (см. фиг.1) установлена стойка 2 с лонжеронами 3 в верхней части и поперечными опорами 4 в основании стойки 2. На боковых сторонах стойки 2 закреплены направляющие 5 (см. фиг.2 и 3), в которых расположена траверса 6 с опорами качения 7 и механизмом переключения 8 с пластинами 9 и фиксаторами положений 10, а также закреплены верхний 11 и нижний 12 ограничители хода траверсы 6. Две талевые системы 13 с гибкими связями 14, например тросами или цепями, через шкивы 15 с опорами 16, расположенными на противоположных сторонах лонжеронов 3 в верхней части стойки 2, соединяют траверсу 6 с основными противовесами 17. Дополнительные противовесы 18 подвешены на гибких связях 19 на концах лонжеронов 3 в верхней части стойки 2 над основными противовесами 17. В основании стойки 2 под траверсой 6 установлены сервопружины 20. В средней части стойки 2 расположены два ряда цепных передач 21 с цепями 22, смонтированными между верхними звездочками 23, консольно установленными на верхних валах 24 с опорами 25, закрепленными на лонжеронах 3, и нижними звездочками 26, установленными на ведущих валах 27 с опорами 28, закрепленными в пазах в нижней части стойки 2. Двигатель 29 через трансмиссию 30, состоящую из коробки передач 31, раздаточной коробки 32 и двух карданных передач 33, соединен с ведущими валами 27 нижних звездочек 26 цепных передач 21. На нижнем ограничителе 12 хода траверсы 6 размещен рычаг 34 со штоком. Шток расположен на уровне пластины 9, а рычаг вынесен за ограждение противовесов. К траверсе 6 канатной подвеской 35 крепится колонна штанг скважинного насоса.
Стойка 2 может быть дополнительно оснащена боковыми опорами 36 (см. фиг.1).
Трансмиссия 30 может быть гидромеханической - «автомат» или типа ГСК «гидротрансформатор-сцепление-коробка передач». Возможна установка вариатора. Для рекуперации энергии хода «спуск» целесообразно установить электромеханическую трансмиссию. Вместо раздаточной коробки 32, разделяющей поток мощности на две части, можно последовательно установить два однотипных противоположно развернутых редуктора с ведущими валами на одной оси и выходными валами на осях в сторону ведущих валов цепных передач. Возможно совмещение коробки передач 31 и раздаточной коробки 32 в одном трансмиссионном агрегате.
Предлагаемый мобильный станок-качалка монтируется и работает следующим образом. Для транспортировки и установки автоприцепа 1 со смонтированной на нем стойкой 2 (см. фиг.1) используется подъемный агрегат типа А-50 на шасси автомобиля КрАЗ. В транспортном положении противовесы 17 и 18 установлены на шасси автоприцепа, карданные передачи 33 отсоединены от ведущих валов 27 цепных передач 21. На подготовленной выровненной и утрамбованной площадке вокруг устья скважины намечаются места установки стойки 2 и автоприцепа 1. Автоприцеп 1 подводится со стороны, противоположной отводному трубопроводу, и фиксируется на заранее отмеченном месте. Под трубопроводом и около заднего торца автоприцепа размещают поперечные опоры 4 основания стойки 2. С помощью подъемного агрегата стойка 2 без противовесов 17 и 18 устанавливается в вертикальное положение на поперечные опоры 4 над устьем скважины. Сначала относительно устья скважины выставляется траверса 6. Установка цепей 22 обеспечивается консольным расположением верхних 23 и нижних 26 звездочек цепных передач 21. Натяжение цепей 22 регулируется перемещением опор 28 по пазам в нижней части стойки 2. Вручную перемещаем траверсу 6 в верхнее положение. Затем вся стойка 2 при расположении траверсы в верхнем положении выставляется вертикально относительно устья скважины. Для этой операции можно использовать боковые опоры 36 стойки 2, а также клинья под основание стойки. Вручную опускаем траверсу 6 в нижнее положение. Рычаг 34 со штоком (см. фиг.3) установлен в положение, при котором шток взаимодействует с пластиной 9 механизма переключения 8, и удерживает ее в нейтральном (среднем) положении с помощью фиксатора 10 - траверса 6 отсоединена от цепных передач 21. После этой операции ведущие валы 27 соединяются с карданными передачами 33. В этом состоянии производится проверка работы цепных передач 21 СК на холостом ходу без траверсы 6. Перемещением рычага 34 передвигаем пластину 9, при этом ее боковые выступы (на фиг.3 они условно обозначены стрелками) проходят через пазы ряда цепей 22, которые движутся вверх и соединяют траверсу 6 с цепными передачами 21. Проверяем работу механизма переключения 8 траверсы 6 без нагрузки. Опоры качения 7 траверсы 6 обеспечивают вертикальное перемещение траверсы по направляющим 5 без перекоса. Когда траверса 6 достигнет верхнего положения и торец пластины 9 соприкоснется с верхним ограничителем 11 хода траверсы 6, то пластина 9 перемещается внутри траверсы 6, сжимает пружины механизма переключения 8, которые накапливают энергию и после перехода пластины через среднее положение толкают ее. Боковые выступы пластины 9 выходят из зацепления с рядом цепей, движущихся вверх, и соединяются с рядом цепей, движущихся вниз. Когда траверса 6 достигнет нижнего ограничителя 12 хода траверсы, то пластина 9 при взаимодействии с ограничителем хода 12 переместится в обратном направлении. Фиксаторы 10 удерживают пластину 9 во включенных состояниях. Перемещением ограничителей хода регулируется величина перемещения траверсы и плунжера скважинного насоса. Переключением передач в коробке передач задаем необходимое число ходов траверсы. Выключаем двигатель и монтируем талевые системы 13 - устанавливаем гибкие связи (например, тросы) 14 по шкивам 15 и соединяем тросы с траверсой (на фиг.3 обозначены т.П «противовесы»). Перемещаем траверсу в верхнее положение и регулируем длину тросов 14 по нижней кромке крепления основных противовесов 17. Перемещаем траверсу в нижнее положение и подсоединяем к центру траверсы 6 (на фиг.3 обозначена т.Н «насос») канатную подвеску 35 колонны штанг скважинного насоса. Используя подъемный агрегат, последовательно устанавливаем основные грузы 17 так, чтобы траверса 6 в состоянии, близком к равновесному, достигла верхнего положения, а основные противовесы 17 опустились на опорную поверхность, например использованные автомобильные покрышки. На концы лонжеронов 3 стойки 2 подвешиваем гибкие связи 19 с дополнительными противовесами 18. Мобильный станок-качалка готов к работе.
Включаем двигатель 29, который через трансмиссию 30, состоящую из ступенчатой механической коробки передач 31, раздаточной коробки 32 и карданных передач 33, двумя потоками передаст крутящий момент на ведущие валы 27 нижних звездочек 26 цепных передач 21. Цепи 22, соединяясь через боковые выступы пластины 9 траверсы 6, передвигают ее вниз вместе с колонной штанг скважинного насоса, преодолевая разность сил между основными противовесами 17, перемещающимися вверх, и нагрузкой от колонны штанг. В верхней части стойки нагрузка на талевые системы 13 постепенно увеличивается за счет массы дополнительных противовесов 18. На заключительной стадии хода «спуск» траверса 6 взаимодействует с сервопружинами 20, сжимая их и накапливая энергию. Нижний ограничитель 12 хода траверсы 6 передвигает пластину 9 и переключает траверсу 6 с ряда цепей, движущихся вниз, на ряд цепей, движущихся вверх. В период смены направления движения возникает максимальная нагрузка на трансмиссию и двигатель, при этом сжатые сервопружины 20, разжимаясь, снижают нагрузку на привод. При ходе «подъем» нагрузка от колонны штанг уменьшается, это снижение нагрузки уравновешивается дополнительными противовесами 18, которые последовательно отсоединяются от талевых систем 13. На заключительной стадии хода «подъем» верхний ограничитель 11 хода траверсы 6 передвигает пластину 9 и переключает траверсу 6 с ряда цепей, движущихся вверх, на ряд цепей, движущихся вниз. Такой цикл повторяется многократно. Для отключения траверсы 6 от цепных передач 21 перемещаем рычагом 34 шток вверх, при контакте пластины 9 со штоком она выставляется в нейтральное положение - траверса 6 остается в нижнем положении под действием массы колонны штанг. Для уменьшения неравномерности внутрицикловой нагрузки двигателя необходимо увеличивать разность между массой противовесов и колонной штанг, что приводит к увеличению требуемой мощности двигателя.
Уменьшение требуемой мощности двигателя возможно, если вместо ступенчатой механической коробки передач 31 применить автоматическую коробку передач с гидротрансформатором. Гидротрансформатор автоматически изменяет крутящий момент на выходе. Изменение крутящего момента оценивается коэффициентом трансформации, равным отношению крутящего момента на турбинном колесе (на выходе из гидротрансформатора) к крутящему моменту на насосном колесе (на входе в гидротрансформатор). Чем выше коэффициент трансформации, тем ниже КПД. Как правило, величина этого коэффициента не превышает трех, поэтому для увеличения диапазона передаточных чисел за гидротрансформатором устанавливают ступенчатую коробку передач с автоматической системой переключения передач. Такая гидромеханическая трансмиссия обеспечит плавную работу СК, создавая большое усилие при малой скорости, например при начале хода «подъем», увеличение скорости движения при уменьшении нагрузки, а также режим торможения при ходе «спуск».
Промежуточное положение занимает трансмиссия типа ГСК: «гидротрансформатор-сцепление-коробка передач». Такая трансмиссия использует ручное переключение передач, которое можно применять при настройке числа ходов траверсы. Внутрицикловую неравномерность нагрузки будет сглаживать только гидротрансформатор, в предыдущем варианте для этого было также возможно использование автоматического переключения передач.
Вместо гидротрансформатора возможно использование вариатора, например клиноременного с толкающим металлическим ремнем. Такие конструкции в настоящее время отработаны и надежны в эксплуатации.