Силовой агрегат насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов
POWER UNIT OF A PUMPING UNIT FOR DEEP-PENETRATING HYDRAULIC FRACTURING OF BULKHEADS OF ISOLATED CAVITIES OF OIL AND GAS RESERVOIRS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к агрегатам для гидроразрыва нефтяных и газовых пластов и может использоваться для наиболее полной разработки изолированных полостей при буровых разработках нефтяных и газовых месторождений.
Известны силовые агрегаты насосной установки мобильного комплекса на транспортной колесной базе для глубокопроникающего гидравлического разрыва нефтяных и газовых пластов, содержащие двигатель внутреннего сгорания (ДВС), коробку переключения передач (КПП) и гидронасос, производства Канада и США (КП Cat CX 48-P2300), Германия (КП Cat ZF8TX), в которых используются гидромеханические планетарные КПП типа “Allison”.
Наиболее близким является силовой агрегат установки для гидроразрыва пластов СИН 31.75 (Каталог продукции. Завод нефтегазового машиностроения Синергия стр. 26. URL: https://www.sinergia.ru/upload/files/catalog.pdf - Режим доступа: свободный / дата обращения: 23.06.2022), содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания с номинальной мощностью 2000 л.с., автоматической трансмиссией «Caterpillar», «Allison», «ZF», пятиплунжерный гидронасос установленный на транспортной базе – полуприцепе.
Недостатками известных силовых агрегатов являются недостаточная производительность и надежность в связи с использованием ДВС ограниченной мощности и гидронасосов с низким давлением рабочей жидкости, большие потери мощности двигателя при использовании гидротрансформатора в КПП, низкий коэффициент полезного действия и сложность конструкции.
Задачей изобретения является разработка конструкции силового агрегата насосной установки для глубоко проникающего гидроразрыва нефтяных и газовых пластов, позволяющей максимально использовать рабочий потенциал гидронасоса (давление рабочей жидкости до 105 МПа) и использование двигателей внутреннего сгорания с эффективной мощностью до 3000 л.с.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности и надежности работы силового агрегата насосной установки, обеспечивающих его эффективное использование для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов.
1
2
Технический результат достигается за счет того, что силовой агрегат насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов, содержащий двигатель внутреннего сгорания, коробку переключения передач и гидронасос, при этом содержит двигатель внутреннего сгорания с эффективной мощностью от 2000 до 3000 л.с., двухвальную двухпоточную многоскоростную высокооборотную коробку переключения передач, промежуточный вал которой связан с двигателем внутреннего сгорания через повышающий обороты планетарный редуктор с неподвижной эпициклической шестерней, с передаточным числом i=0,25, а грузовой вал через понижающий обороты планетарный редуктор с неподвижной эпициклической шестерней, с передаточным числом i=4 связан с цилиндро-планетарным понижающим редуктором гидронасоса.
Сущность изобретения заключается в конструкции силового агрегата с высокооборотной многоскоростной двухпоточной механической коробкой переключения передач (КПП), обеспечивающей регулирование оборотов и переключение передач с приблизительно равными ступенями переключения без разрыва потока мощности в процессе работы установки под нагрузкой с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с эффективной мощностью от 2000 до 3000 л.с. и гидронасосом с максимальным давлением рабочей жидкости до 105 МПа.
1
Дизельный ДВС с эффективной мощностью до 3000 л.с. через повышающий обороты планетарный редуктор с неподвижной эпициклической шестерней и с передаточным числом i= 0,25 (выбранным исходя из условия ограничения максимальных оборотов подшипников качения) связан с промежуточным (входным) валом двухвальной двухпоточной многоскоростной высокооборотной с переключением без разрыва потока мощности КПП с суммирующим планетарным рядом. В суммирующем планетарном ряду к эпициклической шестерне, связанной с грузовым валом КПП, подводится основной поток мощности, к солнечной шестерне суммирующего планетарного ряда подводится дополнительный поток мощности от входного вала КПП.
На фиг.1 представлена кинематическая схема силового агрегата насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов.
-1
1
2
Силовой агрегат насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов содержит дизельный ДВС 1 с эффективной мощностью от 2000 до 3000 л.с., n=1800 мин, двухвальную двухпоточную многоскоростную высокооборотную коробку переключения передач 2, промежуточный вал 3 которой связан с двигателем внутреннего сгорания 1 через повышающий обороты планетарный редуктор 4 с неподвижной эпициклической шестерней 5, с передаточным числом i=0,25, а грузовой вал 6 через понижающий обороты планетарный редуктор 7 с неподвижной эпициклической шестерней 8, с передаточным числом i=4 связан с цилиндро-планетарным понижающим редуктором (не показан) гидронасоса 9. В двухвальной двухпоточной многоскоростной высокооборотной КПП 2 с суммирующим планетарным рядом 10 к эпициклической шестерне 11 подходит основной поток мощности от промежуточного вала 3 КПП 2. Зубчатые пары с цилиндрическими шестернями 12-15 и фрикционные элементы управления 16-19 – фрикционные муфты, дисковый тормоз 20 КПП 2 низшей передачи для остановки грузового вала 6 КПП 2 связаны с эпициклической шестерней 11 суммирующего планетарного ряда 10. Через пару цилиндрических шестерен 21, 22 и фрикционные муфты 23 к солнечной шестерне планетарного ряда 10 подходит дополнительный поток мощности от промежуточного вала 3 КПП 2. Солнечная шестерня суммирующего планетарного ряда 10 связывается с соединенным с картером дисковым тормозом 20 КПП. Водило 24 суммирующего планетарного ряда 10 связано с остановочным тормозом (ОТ) 25 силового агрегата и с понижающим обороты планетарным редуктором 7 с неподвижной эпициклической шестерней 8, выходное звено которого через шарнирную связь соединено через цилиндро-планетарный понижающий редуктор, с гидронасосом 9 с максимальным давлением рабочей жидкости до 105 МПа. Цилиндро-планетарный редуктор встроен в гидронасос 9, а валы КПП по компоновке узла расположены горизонтально.
В качестве фрикционных элементов управления могут применяться фрикционные элементы с металлокерамическими дисками, например, со спеченным порошковым фрикционным материалом на медной основе типа МК-5 или на железной основе типа «Шадеф».
Силовой агрегат работает следующим образом.
Для включения передачи в КПП включается один фрикционный элемент в основном потоке мощности к эпициклу суммирующего планетарного ряда и один фрикционный элемент в дополнительном потоке мощности к солнечной шестерне суммирующего планетарного ряда – две фрикционные муфты или одна фрикционная муфта в основном потоке мощности и дисковый тормоз 20 КПП в дополнительном потоке мощности при включении замедленной передачи. Переключение всех передач (основных и замедленных) производится без разрыва потока мощности с помощью системы автоматического переключения передач с использованием фрикционных устройств, работающих в масле. Суммарный поток мощности снимается с водила суммирующего планетарного ряда. В силовом приводе при включенной передаче в КПП эпициклическая шестерня, солнечная шестерня и водило суммирующего планетарного ряда вращаются в одном направлении, что исключает паразитную циркулирующую мощность в замкнутом кинематическом контуре. Для выключения и остановки силового привода применяется ОТ (с металлокерамическими накладками сухого трения на железной основе с материалом типа СМК-137).
Передаточное число на первой передаче (I) при остановленном грузовом вале КПП определяется по формуле , для первой замедленной передачи .
Передаточные числа на второй (II) – пятой (V) передачах в КПП определяются по формуле
.
Передаточные числа на второй (II) замедленной – пятой (V) замедленной передачах в КПП определяются по формуле
.
i
Коэффициент распределения момента между эпициклом и солнечной шестерней суммирующего планетарного ряда КПП на  – ой передаче (доля мощности от ДВС, передаваемая соответственно основным потоком) определяется по формулам
В приведенных формулах используются следующие обозначения:
K –
i
i
i
д
д зам
параметр суммирующего планетарного ряда КПП (внутреннее передаточное число); ,  – передаточные числа привода к солнечной шестерне суммирующего планетарного ряда;  – передаточное число цилиндрической пары шестерен основного потока мощности к эпициклической шестерне суммирующего планетарного ряда на  – ой передаче КПП. Здесь передаточное число i – отношение частоты вращения ведущих элементов к частоте вращения ведомых элементов.
При всех выключенных гидроприводом системы управления фрикционных элементах управления силовой поток от ДВС не передается гидронасосу. В этом состоянии можно пользоваться ОТ силового агрегата для его выключения и остановки.
-1
Так как коробка перемены передач высокооборотная (до 8000 мин на ее элементах по условию работы подшипников качения), то она компактна и имеет фрикционные элементы управления с пониженными нагрузочными показателями, что обеспечивает ее надежную работу при использовании ДВС большой мощности. Компактный механический силовой привод конструктивно прост, имеет высокий к.п.д., надежен в работе, обеспечивает работоспособное и эффективное сочетание дизельного ДВС до 3000 л.с. и установку гидронасоса с максимальным давлением до 105 МПа рабочей жидкости, позволяющее осуществлять глубокопроникающие гидравлические разрывы перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов для наиболее полной разработки изолированных полостей при разработке нефтяных и газовых месторождений.
Предлагаемый силовой агрегат насосной установки для глубокопроникающего гидравлического разрыва перемычек изолированных полостей нефтяных и газовых пластов позволяет повысить объемы добычи нефти и газа и перспективен при дальнейшем повышении мощности ДВС, например, до 5000 л.с.