Обзор приводов штангового скважинного насоса

УДК 622.276

ОБЗОР ПРИВОДОВ ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА

А. А. Кошкин

Пермский государственный технический университет

Дан обзор новых отечественных конструкций приводов штангового скважинного насоса: цепных и с дифференциальным кривошипным механизмом. Приведен сравнительный анализ их конструкции.

Привод штангового скважинного насоса является одним из важнейших компонентов штанговой скважинной насосной установки, предназначенной для подъема пластовой жидкости из скважин. Привод обеспечивает перемещение плунжера насоса посредством колонны насосных штанг. Этот вид насосных установок является наиболее массовым в нефтедобывающей промышленности, и в настоящее время ими оснащено свыше половины всего фонда действующих скважин.

Наземная часть насосной установки - станок-качалка - является достаточно консервативным комплексом оборудования, конструктивные элементы которого не менялись на протяжении десятилетий. Современный балансирный станок-качалка по-прежнему состоит из рамы, стойки, преобразующего механизма, редуктора, клиноременной передачи и приводного двигателя.

Однако, несмотря на всю надежность устройства, балансирным приводам присущ ряд недостатков:

- низкий срок службы редуктора;

- разрушение элементов преобразующего механизма;

- неудобство перестановки пальцев шатунов;

- высокая трудоемкость перемещения грузов при уравновешивании;

- наличие значительных неуравновешенных масс;

- необходимость постройки дорогостоящих фундаментов.

Все это создает предпосылки для создания принципиально новых конструкций приводов штангового скважинного насоса: ленточный привод, цепной привод, канатный привод, привод на основе линейного электродвигателя и др. В отечественной практике применение нашли

лишь цепные приводы, также стоит выделить станки-качалки с дифференциальным преобразующим механизмом, которые пока что находятся в начале своего пути.

1 - рама; 2 - колонна; 3 - противовес; 4 - цепь; 5 - канатная подвеска; 6 - узел канатных блоков; 7 - звездочка ведущая; 8 - звездочка ведомая; 9 - подвеска устьевого штока или штанговращатель; 10 - винт натяжения цепи; 11 - редуктор; 12 - муфта зубчатая; 13 - площадка передняя поворотная; 14 - площадка обслуживания редуктора; 15 - площадка обслуживания ведомой звездочки; 16 - площадка обслуживания канатных блоков; 17 - отвес; 18 - ограничитель схода каната; 19 - станция управления; 20 - электродвигатель; 21 - тормоз; 22 - упор противовеса технологический; 23 - кожух ременной передачи; 24 - ограждение; 25 - дверь купейная

В нашей стране цепной привод представлен моделью ПЦ-80-6,1 [1] (рис. 1) производства ОАО «Ижнефтемаш». Прототипом отечественного привода послужила разработка Rotaflex американской компании Weatherford. Конструктивно привод содержит раму 1, размещенную на фундаменте, на раме установлен двигатель 20, редуктор 11, ременную передачу 23 - механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущую 7 и ведомую 8 звездочки, охваченные непрерывным гибким звеном 4, связанным с кареткой, соединенной с противовесом 3, который связан через гибкое звено колонной штанг.

Привод работает следующим образом (рис. 2, а): крутящий момент от электродвигателя через ременную передачу, редуктор, нижнюю звездочку, установленную на валу редуктора, передается на тяговую цепь, которая преобразует вращательное движение звездочки в поступательное. Тяговая цепь соединена посредством скалки с кареткой и уравновешивающим грузом.

Подвеска устьевого штока —

Ведущая звездочка

Скалка,

Каретка

а б

Рис. 2. Цепной привод:

а - кинематическая схема цепного привода; б - график изменения скорости точки подвеса штанг цепного и балансирного привода за цикл при одинаковой скорости откачки; 1 - станок-качалка; 2 - цепной привод

В момент, когда уравновешивающий груз в нижнем положении, а подвеска устьевого штока - в верхнем, каретка находится посередине полости. При вращении звездочек каретка перемещается вправо и одновременно вверх вместе с уравновешивающим грузом, при этом подвеска устьевого штока перемещается вниз. При достижении кареткой горизонтальной оси нижней звездочки движение каретки вправо прекращается, и она движется только вверх.

При достижении кареткой и уравновешивающим грузом горизонтальной оси верхней звездочки каретка начинает перемещаться влево, продолжая при этом движение вверх. Это движение продолжается до тех пор, пока каретка не перейдет на противоположную сторону звездочки. При этом направление движения уравновешивающего груза и подвески устьевого штока меняется на противоположное. Таким образом достигается возвратно-поступательное движение подвески устьевого штока.

Главной особенностью преобразующего механизма по сравнению с шарнирным четырехзвенником балансирных станков-качалок [2] является постоянная скорость на преобладающей части хода (рис. 2, б). В результате этого максимальная скорость точки подвеса штанг в 1,6 раза ниже при одинаковом числе качаний и длине хода с балан-сирными приводами, что дает следующие преимущества:

- увеличение надежности и долговечности всех составных частей насосной установки, снижение износа штанг и труб;

- увеличение межремонтного периода насосной установки;

- значительная экономия электроэнергии по сравнению с УЭЦН.

На сегодняшний день цепные приводы нашли свое применение

на промыслах компании ОАО «Татнефть».

Другой новой отечественной разработкой является станок-качалка с дифференциальным преобразующим механизмом [3] (рис. 3). Привод разработан предприятием ООО «ОНТЕКС-Механика». Конструктивно дифференциальный станок-качалка содержит фундаментную плиту 14, тумбу 13, электродвигатель 10, связанный через клиноременную передачу с редуктором 1, преобразующий дифференциальный кривошипный механизм, который содержит два взаимосвязанных через планетарную шестерню кривошипа - центральный 2 и ведущий 3. На ведущем кривошипе 3 установлен натяжной шкив 4, который охватывается гибким элементом 8 и через направляющие шкивы 7, установленные на стойке 5, связан с подвеской устьевого штока 9. Для уравновешивания станка-качалки на ведущем кривошипе установлены грузы 12.

Рис. 3. Конструктивная схема дифференциального станка качалки: 1 - редуктор; 2 - центральный кривошип; 3 - ведущий кривошип; 4 - натяжной шкив; 5 -стойка; 6 - перекладина; 7 - направляющие шкивы; 8 - гибкий элемент; 9 - подвеска устьевого штока; 10 - электродвигатель и клиноременная передача; 11 - шкив тормозного устройства; 12 - уравновешивающие грузы; 13 - тумба; 14 - фундаментная плита

Отличительной особенностью дифференциального преобразующего механизма является наличие кинематически взаимосвязанных кривошипов, которые расположены с одной стороны редуктора и вращаются в разные стороны с одинаковой частотой.

При сложении их движений натяжной шкив, установленный на ведущем кривошипе, совершает вертикальное прямолинейное возвратно-поступательное движение, которое посредством гибкого элемента через установленную на стойке станка-качалки равноплечую перекладину с направляющими шкивами передается подвеске устьевого штока. При этом на стойку действуют только вертикально направленные, сжимающие ее усилия.

Поперечных знакопеременных сил, возникающих в балансирных станках-качалках от наклона шатунов и балансира и составляющих в зависимости от длины хода от 0,3 до 0,5 от тягового усилия, здесь

нет. Кинематически взаимосвязанные кривошипы вращаются встречно, поэтому и динамические усилия сведены к минимуму.

В целом металлоконструкция станка-качалки с таким преобразующим механизмом нагружена значительно меньшими силами, что обеспечивает им большую надежность и безотказность.

Важно также и то, что отсутствуют такие слабые звенья, как шатуны, траверса, балансир и головка балансира, на долю которых приходится значительная часть отказов станков-качалок с балансирным преобразующим механизмом. Они заменены более надежными - натяжным шкивом на ведущем кривошипе, сравнительно короткой равноплечей перекладиной с направляющими шкивами и стойкой, нагруженной только вертикальными усилиями.

Дифференциальный кривошипный механизм (рис. 4, а) работает следующим образом. Вращательное движение выходного вала 4 редуктора 1 передается корпусу центрального кривошипа 2, при вращении которого сателлит 8 через «паразитную» шестерню 7 обкатывается вокруг неподвижного центрального колеса 5 и вращается в противоположном по отношению к центральному кривошипу 2 направлении вместе с ведущим кривошипом 3, установленным на выходном конце сателлита 8. Поскольку число зубьев сателлита в 2 раза меньше числа зубьев неподвижного центрального колеса 5 и с учетом того, что сателлит совершает планетарное движение за один оборот центрального кривошипа 2, сателлит, а вместе с ним и ведущий кривошип 3 также совершают один оборот в противоположном направлении. При равенстве радиусов кривошипов конец радиуса ведущего кривошипа 3 (точка крепления натяжного шкива) находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось выходного вала редуктора 1, и тогда, при встречном вращении кривошипов с одинаковой частотой, при сложении их движений, конец радиуса ведущего кривошипа 3 перемещается возвратно-поступательно по прямой вертикальной линии.

При этом за один оборот центрального кривошипа (рис. 4, б) длина хода равна удвоенной сумме радиусов центрального и ведущего кривошипов, поскольку они складываются на полную длину один раз, когда находятся ниже оси выходного вала редуктора и направлены вниз, а другой раз, когда находятся выше оси выходного вала редуктора и направлены вверх. Поэтому при одинаковой длине хода радиусы кривошипов у дифференциального кривошипного преобразующего механизма в 2 раза меньше, чем у балансирного преобразующего механизма. Соответственно, в 2 раза увеличивается эффективность

воздействия уравновешивающего груза на ведущем кривошипе на тяговое усилие на подвеске устьевого штока. При этом на выходном валу центрального кривошипа, который является опорой для ведущего кривошипа, возникает реакция, которая уравновешивается крутящим моментом от действия массы центрального кривошипа, а при ее недостаточности - установкой дополнительного груза на ведущем кривошипе. Если же неуравновешенная масса центрального кривошипа больше, чем требуется для уравновешивания реакции, возникает крутящий момент, который через планетарную передачу центрального кривошипа передается ведущему кривошипу и увеличивает тяговое усилие на подвеске устьевого штока. То же происходит при передаче крутящего момента центральному кривошипу от редуктора. Таким образом, тяговое усилие на натяжном шкиве ведущего кривошипа, а следовательно, и на подвеске устьевого штока, складывается из суммы усилий от воздействия крутящего момента от массы ведущего кривошипа и размещенного на нем уравновешивающего груза, крутящего момента от массы центрального кривошипа и крутящего момента, передаваемого редуктором.

Рис. 4. Дифференциальный механизм привода станка-качалки: а - конструктивная схема; б - кинематическая схема; 1 - цилиндрический редуктор; 2 - центральный кривошип; 3 - ведущий

кривошип; 4 - выходной вал редуктора; 5 - центральное колесо планетарной передачи; 6 - ось; 7 - паразитная шестерня; 8 - сателлит; 9 - натяжной шкив; 10 - уравновешивающие грузы

В настоящее время преимущественное применение находят балан-сирные станки-качалки, дифференциальные же находятся в начале своего пути. Их создание и применение обусловлено необходимостью повышения надежности и конкурентоспособности, а также потребностью в станках-качалках с большей длиной хода и для больших тяговых усилий [4].

В заключении заметим, что, рассуждая о перспективах развития и совершенствования приводов штанговых скважинных насосов, стоит иметь в виду, что вновь вводимые месторождения не сравнимы с ранее освоенными. Они располагаются в основном в труднодоступных, заболоченных районах с вечномерзлыми грунтами. Бурение скважин на таких территориях ведется, как правило, с кустов наклонно-направленными скважинами, эксплуатация которых штанговыми насосами затруднительна. А к перспективным относятся районы шельфа и морские месторождения, на которых применение станков-качалок нереально. Таким образом, основное направление развития приводов заключается в увеличении надежности, облегчении монтажа и обслуживания, снижении металлоемкости и удельных энергозатрат.

Список литературы

1. Паспорт ЦП81.00.00.00 ПС «Привод цепной штангового сква-жинного насоса ПЦ 80-6,1».

2. Валовский В. М. «Прирученный» цепной привод / В. М. Валовский // Нефтегазовая вертикаль. - 2006. - № 12. - С. 90-91.

3. Колошко В. П. Станки-качалки с дифференциальным кривошипным преобразующим механизмом / В.П. Колошко // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - 2006. - № 5. - С. 21-23.

4. Патент 2265138. Российская Федерация, МПК7 F 04 В 47/02. Дифференциальный станок-качалка / Колошко В. П., Колошко В. В. (РФ) - № 2003136914/06; заявл. 22.12.03; опубл. 27.11.04. -Бюл. 33. - 7 с.