ГИДРОПРИВОД НАСОСНОЙ СКВАЖИННОЙ УСТАНОВКИ
HYDRAULIC DRIVE OF A PUMPING DOWNHOLE UNIT

Изобретение относится преимущественно к нефтепромысловому оборудованию, а именно к оборудованию для добычи пластовой жидкости из скважин, и предназначено для приведения в действие штангового глубинного насоса, установленного на скважине.
Известен привод насосной скважинной установки, предназначенный для приведения в действие двух штанговых глубинных насосов (патент RU №2125186, опубл. 20.01.1999) содержащий два приводных цилиндра, штоковые и бесштоковые полости которых разделены поршнем с штоком, имеющим узел соединения с колонной штанг, и гидравлическую систему, включающую в себя силовой насос, гидрораспределитель, пневмогидроаккумулятор, управляемые вентили, отличающийся тем, что пневмогидроаккумулятор выполнен в виде тандемного цилиндра с штоком с закрепленными на его концах поршнями и двумя гидравлическими штоковыми полостями, каждая из которых через управляемые вентили соединена с одноименными полостями цилиндров, при этом бесштоковые полости приводных цилиндров через распределитель соединены с силовым насосом и сливом в бак.
Недостатками является:
- не предусмотрена система кондиционирования рабочей жидкости в штоковой полости и пневмогидроаккумулятора, рабочая жидкость движется по замкнутому контуру без фильтрации и температурного баланса, тем самым ускорят процесс износа гидроаппаратуры и подвижных уплотнений что снижает ресурс привода.
- большое количество управляемых вентилей снижает надежность привода и усложняет его техническое обслуживание.
- конструктивно реализуемая подпитка закрытого контура штоковых полостей и пневмогидроаккумулятора рабочей жидкостью в случае утечек требует работы большого числа управляемых вентилей и сложного алгоритма работы.
Известна система управления гидравлическим приводом штангового насоса (патент RU №2646934, опубл. 12.03.2018) содержащая программируемый логический контроллер, аналоговые входы которого соединены с выходами датчика давления масла, датчика температуры масла в штоковой полости гидроцилиндра и датчика температуры масла; дискретные входы программируемого логического контроллера соединены с выходами датчика перемещения штока, датчика положения штока, датчика положения затвора напорной линии, датчика уровня масла в баке, датчика засоренности фильтра и преобразователя частоты; коммуникационный порт программируемого логического контроллера соединен с аналогичными портами датчика угла наклона опоры, эхолота и устройства беспроводного обмена данными; к дискретным выходам программируемого логического контроллера подсоединены реле, управляющие электромагнитами, устройства включения/выключения систем нагрева и охлаждения масла и дискретные входы частотного преобразователя, входная силовая машина которого подключена к питающей сети, а его выходная силовая шина подключена к электродвигателю насоса гидравлического привода штангового насоса. Результатом является повышение надежности работы гидравлического привода штангового насоса за счет обеспечение контроля работы всех систем привода в реальном времени с возможностью предотвращения аварийных ситуаций, в том числе в условиях низких температур.
Недостатками является:
- система управления гидропривода предназначена на опускание колонны под собственным весом и рекуперацией гидравлической энергии в электрическую с отдачей последней во внешнюю сеть, при этом высвобождается большое количество тепла что снижает КПД установки.
- предусмотрена только одноступенчатая система фильтрации тонкой очистки масла, такая система допускает в случае засоренности фильтра пропускать неочищенное масло в гидросистему. Тем самым ускоряется процесс износа гидроаппаратуры и подвижных уплотнений что снижает ресурс привода.
- система управления не рассчитана на обнаружение утечек рабочей жидкости и контролировать процесс износа уплотнений подвижных частей гидропривода.
Известен групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов, работающих в противофазе друг другу (патент RU №2196250, опубл. 10.01.2003). Групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов, содержащий приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, при этом выходы гидронасоса трубопроводами соединены с другими одноименными полостями гидроцилиндров. Силовой насос имеет два исполнения первое с регулируемым реверсивным насосом и второе исполнение подразумевает регулируемый насос, выходы которого соединены с полостями цилиндра через реверсивный гидрораспределитель. Система подпитки происходит от дополнительного насоса на валу электродвигателя и соединена с трубопроводами одноименных полостей гидроцилиндров через подпиточные клапана, при этом в подпиточную линию включен предохранительный клапан со сливом в бак.
Недостатками является:
- рабочая жидкость движется по замкнутым контурам без фильтрации и температурного баланса, тем самым ускоряется процесс износа гидроаппаратуры и подвижных уплотнений что снижает ресурс привода.
- сложность выявления внутренних утечек подвижного уплотнения поршня между штоковой и поршневой полости.
- соединенные между собой одноименные полости трубопроводом не имеют подпитки рабочей жидкостью при утечках, тем самым снижается полезный ход уравновешенных приводов.
Известно устройство гидропривода гидравлической насосной установки и соответствующая гидравлическая насосная установка (патент RU №2673641 опубл. 28.11.2018). Устройство состоит из силового насоса, приводимого в движение от электродвигателя, при этом на одном валу с силовым насосом подключен второй управляющий насос, питающий два управляющих устройства, одно управляющее устройство регулирует производительность силового насоса, а другое управляющее устройство управляет работой насос-мотора. Предохранительные клапана установлены на линии нагнетания силового насоса, на линии управления управляющих устройств и на линии подачи к гидроприводу отсекаемой от линии нагнетания насосом обратным клапаном. Гидропривод имеет два конструктивных исполнения в первом исполнении давление подается в поршневую полость, шток выдвигается вверх, на конце штока гидропривода установлен ролик-колесо через который проходит трос один конец которого заземлен, а второй тянет колонну штанг. Во втором исполнении давление подается в штоковую полость, втягиваясь шток поднимает присоединенную колонну штанг. При опускании штанговых колон плунжерного насоса под собственным весом рабочая жидкость под созданным давлением выдавливается из рабочей полости гидропривода к насос-мотору, который в этой фазе работает в режиме мотора и раскручивает вал с маховиком, в противоположной фазе насос-мотор работает в режиме насоса и возвращает с аккумулированную энергию обратно в гидросистему. Положение штанговых колон при работе установки контролируется датчиками положения. Установка предусматривает подключение делителя потока, который позволяет управлять работой группового привода.
Недостатками является:
-сложность контроля и недопущения утечек рабочей жидкости из гидросистемы установки,
-большое количество гидравлических агрегатов снижают надежность установки.
- исполнение гидропривода с выдвижением штока вверх требует большей жесткости и металлоемкости т.к. шток работает на изгиб.
- потери энергии, вызванные неуравновешенностью системы, что высвобождает большое количество тепла при аккумулировании гидравлической энергии мотором в крутящий момент на валу маховиком.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ добычи нефти на малых глубинах и устройств для его осуществления (патент RU №2754247 опубл. 31.08.2021). Идея заключается в установлении двух гидроприводов непосредственно на трубные головки устьевой арматуры штангового насоса, через переходной фланец с выдвижением штоков гидроприводов вверх на которых закреплена траверса связанная с колонных штанг. Особенностью гидравлической системы является подача рабочей жидкости под давлением как в штоковую полость, так и поршневую полость гидропривода, тем самым обеспечивается принудительное контролируемое опускание колонны штанг. Величина хода устьевого штока изменяется в диапазоне от 0,2-1,6 метров. Так же гидросистема подразумевает использование гидроаккумулятора.
Недостатками является:
- предлагаемое устройство гидропривода подразумевает работу штоков гидроцилиндров на сжатие, поэтому для сохранения равновесия устойчивости штоков гидроцилиндров привод имеет ограниченный рабочий ход гидропривода, 0,2-1,6 метров, а также малую грузоподъемность гидропривода.
- скорость работы устройства регулируется только дросселированием, такое регулирование подразумевает гидравлические потери выделяемое в тепло.
- сложность выявления внутренних утечек через подвижные уплотнения между штоковой и поршневой полостью.
Техническим результатом изобретения является увеличение технико-эксплуатационных характеристик устройства без использования аккумулирующих гидравлическую энергию устройств, а также уравновешивание гидропривода штангового насоса.
Технический результат достигается за счет того, что в гидроприводе насосной скважинной установки, содержащим как минимум два гидроцилиндра, на штоках которых закреплена траверса и штанговая колона насоса, маслостанцию, включающую в себя насос, датчики конечного положения, предохранительный клапан, обратный клапан, как минимум один гидропереключатель, бак, датчик уровня рабочей жидкости, фильтры, отчищающие рабочую жидкость на линиях всасывания и нагнетания насоса, а также на линии слива в бак, масленый охладитель рабочей жидкости с принудительным охлаждением, блок управления, отвечающий за регулирование производительности насоса, а так же станцию управления, согласно изобретению, траверса снабжена стабилизатором перекоса, маслостанция содержит пропорциональную дроссельную заслонку, датчик температуры, нагревательный элемент, подогревающий рабочую жидкость до температурного баланса при низких температурах, датчики давления рабочей жидкости, при этом один датчик установлен на линии подвода в штоковые полости гидроцилиндров, а другой датчик на линии подвода в поршневые полости гидроцилиндров, расходомер, установленный на линии нагнетания насоса между насосом и гидропереключателем.
Кроме того, гидропривод насосной скважинной установки, согласно изобретению, содержит устройство противовеса, содержащее конструкцию противовеса, направляющие, трос, стабилизатор перекоса, как минимум один ролик с датчиком вращения, противовес, при этом вес противовеса подбирается с учетом характеристик эксплуатируемой скважины.
Технический результат обеспечивается за счет включения в компоновку гидропривода устройства противовеса штанговой колоны насоса, такое решение позволит снизить приложенные силы на траверсе гидропривода от веса колонны штангового насоса или изменить их направление с сил сжатия штока на силы растяжение штока, а также разгрузить гидравлическую систему привода, тем самым уменьшит требуемое давление гидропривода для подъема колонны штангового насоса.
Новым предлагается помимо стандартного подключения гидроцилиндров привода использовать дифференциальное подключения гидроцилиндров привода колонны штангового насоса, это позволит увеличить частоту качаний колонны штангового насоса при той же производительности силового насоса, что и при обычном подключении гидроцилиндров.
Новым предлагается включение в гидравлическую систему гидропривода расходомера, который позволит совместно со станцией управления контролировать частоту, плавность и амплитуду рабочих перемещений гидропривода, а также фиксировать наличие утечек в гидравлической системе.
На фигуре 1 представлена схема гидравлической системы гидропривода насосной скважинной установки.
На фигуре 2 представлено размещение гидроцилиндров на устьевой арматуре.
Гидропривод насосной скважинной установки состоит из устройства противовеса, двух гидроцилиндров 2, 3 с датчиками конечных положений 4, 5 станции управления 29 и маслостанции 42. Гидропривод может принимать различные варианты исполнения размещения гидроцилиндров 2, 3, например, на конструкции противовеса 39 или на закрепленной площадке над скважиной или на устьевой арматуре 37. Противовес 40 на направляющих 41 подвешен на тросе 31, который через ролики 38, установленные на конструкции противовеса 39, соединен со штоком колонны штангового насоса 34 через стабилизатор перекоса 32 и траверсу 33, закрепленную на штоках гидроцилиндров 2,3, при этом гидроцилиндры 2, 3 установлены на опорной плите 36 и дополнительно зафиксированы плитой поддержки гидроцилиндров 35, установленных на устьевой арматуре скважины 37. Датчики вращения 30 контролируют отсутствие проскальзывания троса 31 по роликам 38. Маслостанция 42 управляется станцией управления 29. Таким образом, под действием силы тяжести противовеса 40 на траверсе 33 гидропривода снижаются силы от веса штанговой колонны 34.
При работе гидропривода, рабочая жидкость из бака 21 через всасывающий фильтр 24 поступает во всасывающую линию 25 силового насоса 23, от которого нагнетаемая рабочая жидкость по линии нагнетания 9, проходя напорный фильтр 18, расходомер 13, обратный клапан 11 и гидропереключатель 8, подается в рабочие полости гидроцилиндров, при этом выдавливаемая из противоположных полостей гидроцилиндров рабочая жидкость через гидропереключатель 8, поступает по сливной линии 10 через пропорциональную дроссельную заслонку 12, масленый охладитель 15 и сливной фильтр 16 обратно в бак 21. А в случае дифференциального подключения гидроцилиндров 2, 3 выдавливаемая из штоковой полости рабочая жидкость через гидропереключатель 8 поступает в поршневую полость гидроцилиндра.
Частоту, плавность и амплитуду рабочих перемещений гидропривода, а также наличие утечек и их динамику контролирует станция управления 29 посредством блока управления 26, датчиков конечных положений 4, 5, расходомера 13, датчиков давления 6, 7, а также пропорциональной дроссельной заслонки 12.
Для защиты гидравлической системы от перегрузок в линию нагнетания насоса 9 включен регулируемый предохранительный клапан 19 с возможностью дистанционного управления от станции управления 29 со сливом во всасывающий патрубок насоса, а также датчики давления 6, 7 сообщенные со станцией управления 29, при этом датчик давления 6 установлен на линии штоковой полости гидроцилиндров, а датчик давления 7 на линии поршневой полости гидроцилиндров.
Температурный баланс рабочей жидкости осуществляется нагревательным элементом 20 установленным в баке 21 и масленым охладителем 15 посредством датчика температуры 17 и станции управления. Уровень рабочей жидкости в баке 21 определяется датчиком уровня масла 22.
Производительность насоса определяется станцией управления 29 и регулируется блоком управления 26 путем использования преобразователя частоты с изменением частоты вращения на валу электродвигателя 27, либо путем использования регулируемого насоса с изменяемым объемом рабочей камеры (на фигуре не указано).