СТАНОК-КАЧАЛКА "ЦЕПЬ"
CHAIN BALANCED PUMPING UNIT

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.
Станок-качалка применяется для механизированного способа добычи нефти установками скважинного ШГН (штангового глубинного насоса), который является самым распространенным способом эксплуатации скважин, как в России, так и в других нефтедобывающих странах мира.
Известно устройство - СК (станок-качалка), который представляет собой преобразующий КШМ (кривошипно-шатунный механизм) с трансмиссией и двигателем, смонтированными на раме. СК - это индивидуальный наземный механический привод через колонну штанг передающий возвратно-поступательное движение плунжеру ШГН. (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).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является балансирный СК (1. с.54, рис.2.2; 2. с.386, рис.Х.9).
Известно, что такой балансирный СК 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 ШГН.
Однако, применяемые в настоящее время балансирные СК имеют сложное устройство, большие габариты и массу, требуют значительные затраты на монтаж и эксплуатацию. Например, масса 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 СК в тоннах, 6 - максимальный ход в метрах и 12500 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кГм (2. с.385). Высота - 11,5 м почти в два раза больше хода -6 м. Габариты и масса СК увеличены из-за того, что ось балансира расположена на значительном расстоянии от центра скважины.
Монтаж СК 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. Эксплуатационные характеристики каждой модели СК ограничены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение состоит в снижении затрат на изготовление и эксплуатацию СК, расширение эксплуатационных характеристик за счет упрощения и совершенствования его конструкции, приводящей к существенному снижению габаритов и массы СК.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что станок -качалка содержит раму, противовесы, двигатель, при этом на раме параллельно зафиксированы две вертикальные направляющие с размещенными на них цепными передачами, верхние звездочки этих передач закреплены на осях, установленных в опорах, зафиксированных в верхней части рамы, нижние ведущие звездочки этих передач закреплены на выходных валах двух параллельно установленных редукторов, ведущая ось которых соединена с выходным валом коробки передач, а входной вал соединительной муфтой взаимосвязан с двигателем, одно из звеньев каждой цепи соединено с основной осью, на которой подвижно установлена серьга, соединенная с осью катков с креплением к ней штока колонны штанг, на этой оси установлены катки, расположенные внутри направляющих, к основной оси или оси катков присоединена гибкая связь, например, трос, по шкивам на осях взаимосвязанная с противовесами.
Предлагаемое техническое решение существенно снижает габариты и массу станка-качалки за счет меньшей массы и высоты рамы, замены сложного, громоздкого привода, расположенного на расстоянии от центра на установленный над центром скважины, перемещение колонны штанг ШГН обеспечивается цепными передачами, расположенными на параллельно зафиксированных на раме двух вертикальных направляющих, верхние звездочки этих передач закреплены на осях, установленных в опорах, зафиксированных в верхней части рамы, нижние ведущие звездочки этих передач закреплены на выходных валах двух параллельно установленных редукторов, ведущая ось которых соединена с выходным валом коробки передач, а входной вал соединительной муфтой взаимосвязан с двигателем, одно из звеньев каждой цепи соединено с основной осью, на которой подвижно установлена серьга, соединенная с осью катков с креплением к ней штока колонны штанг, на этой оси установлены катки, расположенные внутри направляющих, к основной оси или оси катков присоединена гибкая связь, например, трос, по шкивам на осях взаимосвязанная с противовесами.
На фиг.1, а приведена принципиальная схема одной из возможных компоновок СК в приводе ШГН при размещении звездочек цепных передач по оси направляющих, показан вид сбоку на СК в верхнем положении плунжера. КП (коробка передач) не показана. Внутри рамы расположен фрагмент состояний складной серьги относительно нижней ведущей звездочки и катка.
На фиг.1, б показан фрагмент вида спереди - выделены вертикальные направляющие (двутавр) и цепные передачи (пунктирные линии справа).
На фиг.2, а показан вариант компоновки привода нижних ведущих звездочек цепных передач СК с двумя параллельно установленными редукторами и с несоосной четырехступенчатой КП.
На фиг.2, б - схема сосной четырехступенчатой КП.
На фиг.2, в - схема несосной восьмиступенчатой КП.
На фиг.2, г - схема сосной восьмиступенчатой КП. Буквы А, В и С - обозначения муфт переключения передач. Цифры 1-3 и 1-4 - обозначения пар шестерен.
На фиг.3 приведен вариант компоновки с выносом цепных передач из направляющих в среднюю часть рамы. Звездочки цепных передач и их оси расположены снаружи вертикальных направляющих (швеллеры). Гибкая связь - трос закреплен к основной оси. Привод к редукторам не показан.
На фиг.4 приведен вариант компоновки, при котором рама образована только из вертикальных направляющих. На левом виде цепные передачи условно показаны на разрезе направляющих, они впереди - перед направляющими (см. вид справа). Гибкая связь - трос закреплен к оси катков.
Над устьем скважины 1 (см. фиг.1) со штоком 2 колонны штанг плунжера ШГН расположена пространственная рама 3 (элементы усиления и ограждения не показаны). В раме 3 параллельно зафиксированы две вертикальные направляющие 4, например, двутаврового сечения. В основании рамы 3 в направляющих 4 смонтированы нижние ведущие звездочки 5 цепных передач, а на другом конце - верхние звездочки 6, между звездочками натянуты цепи 7, например, роликовые. Нижние ведущие звездочки 5 закреплены на выходных валах 8 редукторов 9 (см. фиг.2, а). Входной вал 10 редукторов 9 соединен с выходным валом 11 КП 12. Входной вал 13 КП 12 соединительной муфтой 14 взаимосвязан с валом двигателя 15. КП могут быть как соосными, когда входной 13 и выходной 11 валы сосны, а параллельно им смонтированы промежуточный вал 16 (см. фиг.2, б) или ось (см. фиг.2, г), так и несоосными, когда входной и выходной валы установлены параллельно (см. фиг.2, а, в). Допускается установка как 4-хступенчатых (см. фиг.2, а, б) на базе трех пар шестерен, так и 8-миступенчатых КП (см. фиг.2, в, г) на базе четырех пар шестерен. Возможна установка двигателя 15 (например, электродвигателя или ДВС - двигателя внутреннего сгорания) с соединительной муфтой 14 напрямую к входному валу 10 редукторов 9 или клиноременной или цепной передачей. Верхние звездочки 6 закреплены на осях 17, которые расположены в опорах 18, установленных в верхней части направляющих 4 (устройства натяжения цепей 7 не показаны). Одно из звеньев каждой цепи 7 соединено с основной осью 19, на которой подвижно установлена складная серьга (серьги) 20, соединенная с осью 21 катков, с креплением 22 к штоку 2 колонны штанг ШГН, на оси 21 установлены катки 23, расположенные внутри вертикальных направляющих 4. К основной оси 19 или к оси 21 катков присоединена гибкая связь 24, например, трос, который соединен с противовесами 25 по шкивам 26 на осях, под противовесами 25 может быть расположено эластичное основание 27. Над нижней ведущей звездочкой 5 (см. фрагмент внутри рамы 3) установлен ограничитель 28 хода катков 23. Возможно применение стандартных редукторов, в этом случае между выходными валами 8 и ведущими звездочками 5 могут быть установлены дополнительные зубчатые передачи. Если гибкая связь 24 закреплена к оси катков 21 (см. фиг.4), то целесообразно шкив 26 сместить правее, так чтобы гибкая связь не соприкасалась с основной осью 19, или основная ось должна быть фигурной, например, П-образной, с пространством для прохода гибкой связи. Серьга 20 может быть в виде гибкой связи, например, трос или цепь.
Допускается применение вариатора или ГМКП - гидромеханической КП с гидротрансформатором.
Предлагаемый СК - привод ШГН работает следующим образом. Масса (вес) противовесов 25 частично уравновешивает массу колонны штанг 2 и перекачиваемой жидкости. Энергия двигателя расходуется на преодоление изменяющейся разницы этих масс. Крутящий момент от двигателя 15 передается на входной вал 13 КП 12 соединительной муфтой 14 (см. фиг.2) или клиноременной или цепной передачей. Далее парами шестерен и муфтами переключения на выходной вал 11 и входной вал 10 редукторов 9. Выходные валы 8 редукторов 9 передают усилия нижним ведущим звездочкам 5 цепей 7, а от них на основную ось 19, складные серьги 20, ось 21 катков, крепление 22 и шток 2 колонны штанг ШГН (см. фиг.1). Такт нагнетания в ШГН при движении плунжера, колонны штанг 2 вверх обеспечивается при перемещении основной оси 19 от нижних ведущих звездочек 5 к верхним звездочкам 6. Основная ось 19 тянет за собой складные серьги 20, ось 21 с катками 23, которые перекатываются по вертикальным направляющим 4, и креплением 22 вытягивает колонну штанг 2. Противовесы 25 от основной оси 19 гибкой связью 24, по шкивам 26 на осях, облегчают условия перемещения колонны штанг 2 вверх. На заключительном этапе перемещения противовесы 25 опираются на эластичное основание 27 (см. фиг.1). Защита от возможной перегрузки обеспечивается соединительной муфтой 14 или клиноременной передачей. Когда основная ось 19 на цепях 7 преодолевает верхнюю точку звездочек 6, то такт нагнетания заканчивается и начинается такт заполнения насоса жидкостью. Вес колонны штанг 2 и перекачиваемой ШГН жидкости через крепление 22 тянет вниз ось 21 с катками 23, усилие по складной серьге 20 передается на основную ось 19, при этом гибкая связь 24 перемещает противовесы 25 вверх. Кинематика прохождения нижней крайней точки показана на фрагменте в средней части рамы. Состояния системы показаны цифрами 1-4, помещенными в окружностях. В положении 1 катки 23 достигли ограничителя хода 28 - складная серьга 20 прямая. Усилие от ведущей нижней звездочки 5 через цепь 7 тянет вниз основную ось 19, при этом складная серьга 20 складывается - положение 2. При дальнейшем движении цепи 7 основная ось 19 преодолевает крайнюю нижнюю точку -положение 3 - складная серьга 20 прямая. Затем серьга 20 складывается аналогично состоянию 2 и далее распрямляется - положение 4. Складная серьга 20 может быть заменена гибкой связью, например тросом.
Скорость движения плунжера насоса можно варьировать вариатором или переключая передачи в КП 12, а также изменяя размеры шестерен в редукторах 9 и КП 12 или изменяя диаметр звездочек 5 и 6.
Несоосная 4-хступенчатая КП на фиг.2, а работает следующим образом:
1-я передача. Муфта А в левом положении, а муфта В - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте В поступает на 3-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен выходного вала 11 на 2-ю пару, затем по блоку шестерен входного вала на 1-ю пару шестерен и по муфте А на выходной вал 11 КП 12 и входной вал 10 редукторов 9. Работают три пары шестерен.
2-я передача. Переключаем муфту В в левое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте В поступает на блок шестерен входного вала, на 1-ю пару шестерен и по муфте А на выходной вал 11 КП 12.
3-я передача. Переключаем муфты А и В в правое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте В поступает на 3-ю пару шестерен, по блоку шестерен выходного вала, по муфте А на выходной вал 11 КП.
4-я передача. Переключаем муфту В в левое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте В поступает на блок шестерен входного вала, на 2-ю пару шестерен и по муфте А на выходной вал 11 КП 12.
Соосная 4-хступенчатая КП на фиг.2, б работает следующим образом:
1-я передача. Муфты А и В в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 поступает на 3-ю пару шестерен, затем по промежуточному валу 16 на 1-ю пару, по муфте А на выходной вал 11 КП 12 и входной вал 10 редукторов 9. Работают две пары шестерен.
2-я передача. Переключаем муфты В в правое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте В поступает на 2-ю пару шестерен, затем по промежуточному валу 16 на 1-ю пару, по муфте А на выходной вал 11.
3-я передача. Переключаем муфту А в правое положение, а муфты В - в левое. Крутящий момент от входного вала 13 поступает на 3-ю пару шестерен, затем по нижней муфте В на 2-ю пару, по муфте А на выходной вал 11.
4-я передача - прямая. Переключаем муфты В в правое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по верхней муфте В поступает на шестерню 2-й пары, затем по шестерне и по муфте А на выходной вал 11.
При методе свободной установки шестерен на валах каждая пара шестерен удваивает число передач.
Несоосная 8-миступенчатая КП на фиг.2, в работает следующим образом:
1-я передача. Работают 1-я, 3-я и 4-я пары шестерен. Муфты А и В в левом положении, а С - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на 1-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен промежуточного вала 16 и по нижней муфте В на 3-ю пару, далее по верхнему блоку шестерен, по 4-й паре шестерен и по муфте С на выходной вал 11 КП 12 и входной вал 10 редукторов 9.
2-я передача. Работают 1-я, 2-я и 4-я пары шестерен. Муфта А в левом положении, а муфты В и С - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 поступает на 1-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен промежуточного вала 16 на 2-ю пару шестерен, по верхней муфте В и по верхнему блоку шестерен, по 4-й паре шестерен и по муфте С на выходной вал 11.
3-я передача. Работают 2-я, 3-я и 4-я пары шестерен. Муфты А и С в правом положении, а муфты В - в левом. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на 2-ю пару шестерен, по нижней муфте В на 3-ю пару, далее по верхнему блоку шестерен, по 4-й паре шестерен и по муфте С на выходной вал 11.
4-я передача. Работает 4-я пара шестерен. Все муфты в правом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на верхнюю шестерню 2-й пары, по верней муфте В, далее по верхнему блоку шестерен, по 4-й паре шестерен и по муфте С на выходной вал 11.
5-я передача. Работает 1-я пара шестерен. Все муфты в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на 1-ю пару шестерен, по нижнему блоку шестерен, по нижней муфте В, по шестерне 3-й пары и по муфте С на выходной вал 11.
6-я передача. Работают 1-я, 2-я и 3-я пары шестерен. Муфты А и С в левом положении, а муфта В - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 поступает на 1-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен промежуточного вала 16 на 2-ю пару шестерен, по верхней муфте В, по 3-й паре шестерен и по муфте С на выходной вал 11.
7-я передача. Работает 2-я пара шестерен. Муфта А в правом положении, а муфты В и С в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на 2-ю пару шестерен, по нижней муфте В, по шестерне 3-й пары и по муфте С на выходной вал 11.
8-я передача. Работает 3-я пара шестерен. Муфты А и В в правом положении, а муфта С в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте А поступает на шестерню 2-й пары, по верхней муфте В, по шестерням 3-й пары и по муфте С на выходной вал 11.
Соосная 8-миступенчатая КП на фиг.2, г работает следующим образом:
1-я передача. Работают 4-я и 1-я пары шестерен. Муфта А в левом положении, а муфты В и С - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 4-ю пару шестерен, затем по первому блоку шестерен оси промежуточного вала 16, по нижней муфте В, далее по второму блоку шестерен, по 4-й паре шестерен и по муфте А на выходной вал 11 КП 12 и входной вал 10 редукторов 9.
2-я передача. Работают все четыре пары шестерен. Переключаем муфты В в левое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 4-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен оси промежуточного вала 16, по 3-й паре шестерен, верхней муфте В, по 2-й паре шестерен, по второму нижнему блоку шестерен, по 1-й паре шестерен и по муфте А на выходной вал 11.
3-я передача. Работают 4-я и 2-я пары шестерен. Все муфты в правом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 4-ю пару шестерен, затем по блоку шестерен оси промежуточного вала 16, по нижней муфте В на 2-ю пару и по муфте А на выходной вал 11.
4-я передача. Работают 4-я и 3-я пара шестерен. Переключаем муфты В в левое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 4-ю пару шестерен, затем по правому блоку шестерен оси промежуточного вала 16, по 3-й паре шестерен, верхней муфте В, по шестерне 2-й пары, по муфте А на выходной вал 11.
5-я передача. Работают 3-я и 1-я пары шестерен. Муфты А и С в левом положении, а муфты В - в правом. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 3-ю пару шестерен, по нижней муфте В, по левому нижнему блоку шестерен, по шестерням 1-й пары и по муфте С на выходной вал 11.
6-я передача. Работают 2-я и 1-я пары шестерен. Все муфты в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает по шестерне 3-й пары, по верхней муфте В на 2-ю пару шестерен, затем по левому блоку шестерен промежуточного вала 16 на 1-ю пару шестерен, по муфте А на выходной вал 11.
7-я передача. Работают 3-я и 2-я пары шестерен. Переключаем муфты В в правое положение. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на 3-ю пару шестерен, по нижней муфте В, по 2-й паре шестерен и по муфте А на выходной вал 11.
8-я передача - прямая. Муфта А в правом положении, а муфты В и С в левом положении. Крутящий момент от входного вала 13 по муфте С поступает на шестерню 3-й пары, по верхней муфте В, по шестерне 2-й пары и по муфте А на выходной вал 11.
Для снижения колебаний внутрицикловой нагрузки на двигатель целесообразно применить вариатор, например, один из серии хорошо зарекомендовавших себя вариаторов фирмы Nissan. Принимая во внимание то, что мощность N=F V - это произведение силы F на линейную скорость V, можно сгладить изменение внутрицикловой нагрузки F от плунжера ШГН за счет плавного изменения его линейной скорости V вариатором.
Станки-качалки, приведенные на фиг.3 и 4, работают следующим образом. Энергия двигателя через вариатор или КП (не показаны) поступает на входной вал 10, по шестерням на выходной вал 8 редуктора 9, на нижние ведущие звездочки 5 и цепи 7. Цепи 7 перемещают вверх и вниз основную ось 19, которая серьгой 20 передает усилие на вал 21 катков 23 и по креплению 22 на колонну штанг 2. Катки 23, перекатываясь по вертикальным направляющим 4, обеспечивают возвратно-поступательное перемещение колонны штанг 2 и плунжера ШГН.
Предлагаемые технические устройства конструктивно и технологически просты, имеют малые габариты и металлоемкость, трудоемкость изготовления и эксплуатации. Вариант, приведенный на фиг.4, целесообразно применять при ходе плунжера ШГН равном 2-3 м.
Аббревиатуры:
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ГМКП - гидромеханическая коробка передач;
КП - коробка передач;
КШМ - кривошипно-шатунный механизм;
СК - станок-качалка;
ШГН - штанговый глубинный насос.
Обозначения:
1 - устье скважины;
2 - шток колонны штанг плунжера ШГН;
3 - пространственная рама;
4 - вертикальные направляющие;
5 - нижние ведущие звездочки цепных передач;
6 - верхние звездочки цепных передач;
7 - цепь, например, роликовая;
8 - выходной вал редуктора 9;
9 - редуктор;
10 - входной вал редукторов 9;
11 - выходной вал КП 12;
12 - вариатор или КП;
13 - входной вал КП 12;
14 - соединительная муфта или клиноременная передача;
15 - двигатель (электродвигатель, ДВС и т.д.);
16 - промежуточный вал (ось) КП 12;
17 - оси верхних звездочек 6;
18 - опоры осей 17, установленные в верхней части направляющих 4;
19 - основная ось, зафиксированная на одном из звеньев каждой цепи 7, она может быть фигурной, например, П-образной, с пространством для прохода гибкой связи 24;
20 - складная серьга (серьги), соединяющие основную ось 19 с осью 21 (на фиг.3 и 4 - упрощенно простая серьга), серьга может быть выполнена в виде гибкой связи, например, трос или цепь;
21 - ось катков 23;
22 - крепление оси 21 катков 23 к штоку колонны штанг 2;
23 - катки оси 21, размещенные внутри вертикальных направляющих 4;
24 - гибкая связь, например, трос от основной оси 19 к противовесам 25;
25 - противовесы;
26 - шкивы на осях для гибкой связи 24;
27 - эластичное основание противовесов 25;
28 - ограничитель хода катков 23.;