СТАНОК-КАЧАЛКА
CONVENTIONAL PUMPING UNIT

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.
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. В безбалансирных станках-качалках 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 значительные затраты 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 СК 15-6-12500, 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, вызывающей 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 изготовление и эксплуатацию станка-качалки за счет упрощения и совершенствования его конструкции, приводящей к существенному снижению его габаритов и массы.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что станок-качалка содержит раму, стойку, на опоре которой шарнирно установлен балансир, противовесы, двигатель, при этом стойка имеет две опоры, расположенные с разных сторон устья скважины, на осях каждой опоры качания установлены противоположно развернутые балансиры, на наконечниках длинных плеч балансиров расположены противовесы, наконечники коротких плеч балансиров попарно соединены длинными осями, к этим осям рядом с балансирами шарнирно закреплены наконечники нижнего ряда двуплечих звеньев, несколько рядов двуплечих звеньев наконечниками соединены с длинными осями, середины таких звеньев попарно соединены короткими осями, к длинным осям верхнего ряда двуплечих звеньев шарнирно закреплены наконечники коротких звеньев, другие наконечники этих звеньев соединены длинной осью, к которой в середине крепится колонна штанг скважинного насоса, наконечники штоков поршней силовых гидроцилиндров соединены с элементами нижнего ряда звеньев, силовые гидроцилиндры в верхней части оснащены плавающими поршнями, отделяющими рабочую гидравлическую жидкость от сжатого газа, гидромагистрали соединяют подпоршневую и надпоршневую полости параллельно подключенных силовых гидроцилиндров с секциями масляного насоса через гидрораспределитель, изменяющий направление потоков рабочей гидравлической жидкости на полости силовых гидроцилиндров и подключающий одну из секций насоса только при спуске колонны штанг скважинного насоса.
Предлагаемое техническое решение существенно снижает габариты и массу станка-качалки за счет меньшей высоты стойки, перемещение колонны штанг скважинного насоса обеспечивается компактным телескопическим механизмом малой металлоемкости; а также замены сложного, громоздкого механического привода на гидропривод с регулируемой подачей рабочей гидравлической жидкости, оптимизирующий работу станка-качалки увеличением скорости холостого хода при спуске колонны штанг насоса, что способствует уменьшению неуравновешенности работы устройства при подъеме и спуске колонны штанг и не требует высокой мощности двигателя, присоединение штоков поршней силовых гидроцилиндров к осям нижних звеньев не требует применения сложных, длинноходных гидроцилиндров.
На фиг.1 показан вид сбоку на станок-качалку в поднятом положении штангового скважинного насоса. Справа приведен разрез варианта резьбового соединения противовеса на балансире. Штриховкой выделены звенья с приводом от правого балансира.
На фиг.2 показан вид сбоку на станок-качалку в опущенном положении штангового скважинного насоса - плунжер насоса в крайнем нижнем положении. Слева выделен разрез силового гидроцилиндра.
На фиг.3 приведен вид сверху на станок-качалку в опущенном положении штангового скважинного насоса. В нижней части фиг.3 показаны опора со стойками, установка балансиров на опоре и соединение попарно наконечников коротких плеч балансиров длинными осями без звеньев. В верхней части этой фиг. показаны звенья, которые расположены над балансирами. Волнистыми линиями обозначены совпадения длинных осей, как балансиров, так и звеньев. На средней длинной оси обозначен разрыв, отделяющий вид оси от опоры.
На фиг.4 приведены два вида объемного гидропривода с силовыми гидроцилиндрами, гидрораспределителями и насосами. Вид «а» слева - подъем поршня - работает только верхняя секция насоса. Вид «б» справа - опускание поршня - работают обе секции насоса.
На фиг.5 показан вариант привода насосов с муфтой включения.
На платформе 1 установлены две стойки 2 с распорками, в верхней части стоек 2 закреплены опоры качания 3 с осями 4 (см. фиг.1-3). На осях 4 опор 3 попарно установлены противоположно развернутые балансиры 5 с противовесами 6, расположенными на наконечниках длинных плеч балансиров 5. Длинные оси 7 попарно соединяют наконечники коротких плеч балансиров 5 (см. фиг.3), на осях 7 расположены опоры качания 8 нижнего ряда двуплечих звеньев 9 (см. фиг.3 внизу). Длинные оси 10 соединяют наконечники двуплечих звеньев 9, ряды которых располагаются один над другим над взаимодействующими с ними балансирами 5 (см. фиг.1 и 2 - выделены штриховкой). Короткие оси 11 попарно соединяют середины двуплечих звеньев 9. Короткие звенья 12 располагаются на длинных осях 10 верхнего ряда двуплечих звеньев 9. Ось 13 соединяет все четыре ряда коротких звеньев 12. Силовые гидроцилиндры 14 опарами качания закреплены на платформе 1 под наконечниками балансиров 5. Поршни 15 штоками 16 закреплены на длинных осях 7 наконечников балансиров 5. Плавающие поршни 17 расположены в верхней части силовых гидроцилиндров 14 и отделяют рабочую гидравлическую жидкость 18 от сжатого газа 19. Силовые гидроцилиндры 14 гидромагистралями 20 соединены с постоянно включенной секцией 21 и подключаемой секцией 22 насоса через гидрораспределитель 23.
Силовых гидроцилиндров 14 может быть несколько на каждую длинную ось 7. Наконечники штоков 16 поршней 15 силовых гидроцилиндров 14 можно соединять с короткими осями 11 нижнего ряда двуплечих звеньев 9'п и 9'л (на фиг.1 не показано). В этом случае не потребуются опоры качания силовых гидроцилиндров 14, но увеличится рабочий ход штоков 16 поршней 15.
Число двуплечих звеньев 9 зависит от величины хода плунжера штангового скважинного насоса. Число секций 21 и 22 насоса зависит от мощности станка-качалки. Включение секций насоса может быть как за счет гидрораспределителя 23 (см. фиг.4), так и муфтой 24, подключающей дополнительные секции насосов (см. фиг.5).
Предлагаемый станок-качалка работает следующим образом. Канатная подвеска колонны штанг скважинного насоса (на фиг. не показана) крепится к оси 13 коротких звеньев 12 в т. А. Противовесы 6, расположенные на длинных плечах балансиров 5, частично уравновешивают вес колонны штанг скважинного насоса. Уравновешивание может быть достигнуто как изменением массы противовесов 6, так и изменением величины длинного плеча балансиров 5, например перемещением противовеса 6 по резьбе балансира 5 (см. фиг.1, справа).
Для подъема колонны штанг скважинного насоса при срабатывании концевого переключателя (на фиг. не показан) гидрораспределитель 23 перемещается в верхнее положение (см. фиг.4, а), при этом нижняя секция 22 отключена от масляной гидромагистрали 20. Верхняя постоянно включенная секция 21 насоса гидропривода перекачивает рабочую гидравлическую жидкость 18 из пространства над поршнем 15 в пространство под поршнем 15 каждого силового гидроцилиндра 14, которые подсоединены параллельно. Штоки 16 поршней 15 силовых гидроцилиндров 14 воздействуют на длинные оси 7, которые перемещают нижние секции двуплечих звеньев 9. От длинных осей 7 через двуплечие звенья 9, соединенные по краям длинными осями 10 и в средней части короткими осями 11, усилие поршней 15 передается коротким звеньям 12 и от оси 13 этих звеньев колонне штанг скважинного насоса. Противовесы 6 расположены на наконечниках длинных плеч балансиров 5, которые, поворачиваясь на осях 4 в опорах качания 3 стоек 2, облегчают работу силовых гидроцилиндров 14. Кинематика коротких плеч балансиров, 5, двуплечих звеньев 9 и коротких звеньев 12, соединенных опорами качания 3 и 8 на осях 4, 7, 10, 11 и 13, обеспечивает вертикальное перемещение т. А и колонны штанг скважинного насоса. Устойчивость телескопической системы обеспечивается как правильной кинематикой перемещений, так и ограничением хода каждой секции звеньев, а также возможным контактом противовесов 6 с опорной поверхностью в крайнем положении (см. фиг.1).
При срабатывании верхнего концевого переключателя гидрораспределитель 23 перемещается в нижнее положение (см. фиг.4, б), при этом нижняя секция 22 подключена к гидромагистрали 20. Работают обе секции 21 и 22 насоса гидропривода, которые перекачивает рабочую гидравлическую жидкость 18 из пространства под поршнем 15 в пространство над поршнем 15 каждого силового гидроцилиндра 14. Плавающий поршень 17 компенсирует объем жидкости, равный объему перемещаемой части штока 16, перемещаясь вверх и сжимая газ 19 над поршнем 17. Штоки 16 поршней 15 силовых гидроцилиндров 14 воздействуют на длинные оси 7, которые перемещают нижние секции двуплечих звеньев 9. От осей 7 через двуплечие звенья 9, соединенные по краям длинными осями 10 и в средней части короткими осями 11, усилие поршней 15 передается коротким звеньям 13 и от оси этих звеньев 13 колонне штанг скважинного насоса. Звенья опускаются и достигают нижнего положения (см. фиг.2). Далее цикл повторяется.
Фиксация гидрораспределителя 23 в среднем положении отключает подачу рабочей гидравлической жидкости 18 в полости силовых гидроцилиндров 14, запирает эти полости, фиксирует положение поршней 15, звеньев 9, 12 и колонны штанг скважинного насоса.
Дополнительно подключаемая секция 22 насоса гидропривода увеличивает подачу рабочей гидравлической жидкости и скорость холостого хода - спуска колонны штанг скважинного насоса. Такое подключение секции 22 насоса не только оптимизирует режим движения плунжера скважинного насоса, но и существенно сближает мощность приводного двигателя при ходах подъема и спуска колонны штанг скважинного насоса. Мощность, расходуемая на гидропривод, равна произведению давления жидкости на ее подачу. При подъеме подача жидкости ограничена одной верхней секцией 21 насоса, при этом необходимо высокое давление жидкости. При спуске давление жидкости снижается, но подача жидкости увеличивается за счет подключения нижней секции 22 насоса гидропривода.