ЛИНЕЙНЫЙ РЕЕЧНЫЙ ПРИВОД ГЛУБИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА С ОПОРОЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области нефтяного машиностроения, а именно к насосным системам для добычи нефти с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН), более конкретно к линейному реечному приводу глубинного штангового насоса с опорой, которая предназначена для установки привода на скважину.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее близким техническим решением по своей сущности и достигаемому эффекту к заявляемой полезной модели является запатентованное компанией Unico. Inc (США) изобретение под названием «Устройство линейного штангового насоса и способ его эксплуатации», защищенное патентом США № US 8152492 В2, МКП F04B 17/00, опубл. 10.04.2012 г., приор. 12.06.2006 г., которое принято в качестве прототипа.
В указанном документе описано устройство линейной штанговой насосной системы, обеспечивающее возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного штангового насоса (ШГН), которое содержит: линейный механический привод, состоящий из: корпуса, установленного на фланце колонной головки; вертикально расположенного подвижного элемента, связанного со штанговой колонной УШГН, с помощью которого обеспечивается управляемое возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного насоса; реверсивного двигателя, имеющего обратимо вращающийся элемент, функционально соединенный с вертикально подвижным элементом. Взаимодействие в линейном механическом приводе осуществляется таким образом, чтобы обеспечить фиксированную взаимосвязь между угловым положением вращающегося элемента электродвигателя и перемещением вертикально подвижного элемента, обратимо с возможностью разворота (реверса). Двигатель попеременно вращается сначала в прямом направлении при первой части хода насоса (стадия ход плунжера вверх), а затем в обратном направлении, при протекании второй части хода насоса (стадия ход плунжера вниз).
Устройство линейного механического привода включает: зубчатую реечную передачу, состоящую из стойки со сформированной на ней зубчатой рейкой и ведущей шестерни, приспособленную для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения стойки вдоль оси рабочего хода насоса. Зубчатая рейка взаимодействует с зубчатым венцом ведущей шестерни, а шестерня соединяется с вращающимся валом двигателя. Таким образом, вращение электродвигателя в прямом направлении обеспечивает движение зубчатой рейки вертикально вверх, вдоль оси рабочего хода насоса, а движение рейки вертикально вниз, сопровождается вращением двигателя в обратном направлении, противоположном прямому направлению хода насоса. Стойка зубчатой рейки функционально соединена с устьевым штоком штанговой колонны для передачи усилия. Стойка имеет в ее верхнем конце узел для оперативного прикрепления штока штанговой колонны. В стойке имеется продольно направленное отверстие, проходящие вдоль оси рабочего хода насоса от нижнего конца стойки к верхней части стойки. Шток имеет возможность перемещения внутри стойки в отверстии.
Устройство линейного механического привода дополнительно включает крепежный зажим (фиксатор), обеспечивающий жесткое крепление штока штанговой колонны к стойке. Крепежный зажим (фиксатор) обеспечивает опору и осуществляет передачу усилия к верхнему концу штанговой колонны от стойки реечного привода.
Стойка реечного привода, имеющая U-образное поперечное сечение, образует продольно направленное отверстие в стойке, в форме открытого канала, расположенного вокруг оси рабочего хода насоса, а с наружной поверхности центральной части стойки, направленной противоположно от ножек, имеются зубья для зацепления с соответствующими зубьями венца ведущей шестерни. Устройство линейного штангового насоса также имеет одни или более направляющих роликовых подшипника. Они размещены продольно против ножек стойки и напротив шестерни, для обеспечения зацепления зубьев стойки реечного механизма с зубчатым венцом ведущей шестерни. Устройство линейного штангового насоса, имеет пару направляющих опор, размещаемых с боков ножек стойки, напротив друг друга, для принудительного удержания стойки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев стойки с венцом ведущей шестерни.
Дополнительно в упомянутом документе раскрываются особенности конструкции места расположения ведущей шестерни в линейном механическом приводе. Так, устройство может дополнительно содержать механический редуктор (коробку), размещенный между электродвигателем и ведущей шестерней и этот механический редуктор представляет собой редуктор конического типа, благодаря чему ось вращения ведущей шестерни имеет перпендикулярное направление относительно оси рабочего хода насоса. Система управления (СУ) линейным реечным приводом насосной установки обеспечивает работу электродвигателя в «двигательном» режиме при движении стойки вверх (прямое вращение электродвигателя) при восходящей части рабочего хода насоса, и обеспечивает работу двигателя в режиме торможения (электродвигатель работает в «генераторном» режиме), при движении стойки вниз при нисходящей части рабочего хода насоса. Кроме того, система управления включает элемент хранения энергии, для накопления энергии, вырабатываемой в режиме торможения работы электродвигателя (когда электродвигатель работает в генераторном режиме), в котором расположен блок для использования накопленной энергии, обеспечивающий передачу накопленной энергии электродвигателю во время работы электродвигателя в двигательном (нагруженном) режиме. Система управления также может включать рассеивающий элемент для обеспечения рассеивания энергии, вырабатываемой электродвигателем в режиме торможения его работы, при этом устройство управления избирательно настраивается для работы одного или другого из элементов накопителя энергии и элемента рассеивания энергии. Устройство может дополнительно содержать масляной поддон (ванну, картер), расположенный ниже нижнего конца стойки, и выполненный для удержания в нем объема смазки, и для погружения в него нижней концевой части стойки, в результате чего обеспечивается смазка стойки при ее рабочем перемещении. Нижняя часть стойки погружается в смазку, находящуюся в поддоне, в течение по меньшей мере части каждого рабочего хода насоса. Поддон (ванна, картер) образован двумя трубами, герметично соединенными внизу, образуя жидкостную кольцевую полость между ними, для заполнения в эту полость объема смазки, которая закачивается в верхнюю часть этой кольцевой полости. Внутренняя трубчатая стенка поддона расположена вокруг устьевого штока, и свободно помещается внутри отверстия рейки для обеспечения хода, а внешняя стенка трубчатого отстойника расположена вокруг рейки. Устройство дополнительно может содержать упругий элемент, расположенный внутри полости в отстойнике, ниже нижнего конца стойки. Он обеспечивает появление в системе направленного вверх усилия приложенного к нижнему концу стойки, в случае если нижний конец стойки вышел за пределы разрешенного нормального нижнего положении стойки во время протекания рабочего хода. Упругий элемент может быть выполнен и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу стойки в течение части каждого рабочего хода глубинного штангового насоса. Согласно описанию полезной модели упругий элемент может быть выполнен в виде пневмоцилиндра, в котором воздух сжимается при ходе стойки вниз, и расширяется при ходе стойки вверх. Последнее позволяет использовать энергию, высвобождаемую на стадии хода ШГН вниз, для использования при работе на стадии хода ШГН вверх.
Недостатком технического решения, описанного выше, является то, что оно устанавливается непосредственно на устье, которое может быть наклонено под значительным углом из-за чего привод невозможно будет на него установить.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков известных технических решений, а также создание такого линейного привода штангового насоса с опорой, который позволит установить привод на скважину вне зависимости от установленной на нее арматуры.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и эффективности установки при устойчивом позиционировании линейного привода штангового насоса на устье скважины.
Технический результат реализуется благодаря такой конструкции линейного реечного привода глубинного штангового насоса с опорой, в соответствии с заявляемой полезной моделью, в которой опора представляет собой шатер, содержащий верхнюю платформу, к которой прикреплены по меньшей мере три ноги, соединенные между собой посредством перемычек, при этом каждая нога снабжена регулируемой винтовой опорой, установленной с возможностью позиционирования привода на устье скважины в заданном положении, а верхняя платформа представляет собой площадку и выполнена с возможностью установки на нее привода
Согласно варианту осуществления полезной модели верхняя платформа может быть выполнена многослойной, что дает возможность прикладывать на опору большее усилие, что в свою очередь дает повышение эффективности привода и большой запас по производительности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемого линейного реечного привода глубинного штангового насоса с опорой, в плане.
На Фиг. 2 представлен вид спереди линейного реечного привода глубинного штангового насоса с опорой.
На Фиг. 3 представлен общий вид опоры.
На Фиг. 4 представлен общий вид монтажной площадки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Линейный штанговый насос предназначен для перекачки жидкостей, таких как вода и / или углеводородов, из подземного пласта или резервуара, и содержит линейный привод штангового насоса, имеющий механизм реечной передачи, приспособленный для прикрепления установок штанговых глубинных насосов (УШГН). Зубчатая рейка имеет крепление для подключения к полированному штоку. Рейка имеет зацепление с шестерней и приводится в движение асинхронным двигателем, задавая возвратно-поступательное движение зубчатой рейке и насосному механизму. Привод может оснащаться системой рекуперации, возвращающей часть мощности при движении рейки вниз под собственным весом.
Линейный привод Т-РЕКС это механическое устройство, которое имеет по существу вертикально подвижный элемент, прикрепленный к полированному штоку штангового насоса для придания и контроля вертикального движения колонны штанг из штангового насоса. Асинхронный двигатель посредством системы управления меняет положение фаз, тем самым через вал редуктора передает возвратно-поступательные движения на линейный механизм, таким образом, устанавливает фиксированное соотношение между вращающимся валом асинхронного двигателя и линейным положением вертикально подвижного элемента.
Устройство линейного привода Т-РЭКС включает линейное механическое устройство привода, состоящее из: зубчатой рейки, редуктора, асинхронного двигателя, и станции управления, функционально соединенной с асинхронным двигателем для управления.
Асинхронный электродвигатель соединен с редуктором, что позволяет достичь оптимального крутящего момента. Выходной вал редуктора со шпонкой соединён с шестерней линейного привода.
Система управления анализирует информацию и управляет асинхронным двигателем, ориентируясь на датчик положения рейки, позволяя регулировать скорость подъема и опускания зубчатой рейки независимо, так же позволяет обеспечить выдержку в верхней и нижней точке движения зубчатой рейки для оптимального наполнения насоса.
Система управления включает датчики для считывания одного или нескольких параметров группы параметров, состоящих из: линейного положения зубчатой рейки вдоль оси накачки, угловое положение линейного привода Т-РЭКС относительно отклонения от вертикали, крутящий момент двигателя, скорость вращения двигателя, двигателя ускорение, и потребляемая мощность двигателя.
Система управления может дополнительно включать систему рекуперации энергии, вырабатываемой во время отключения режима работы двигателя.  Механизмы зондирования в сочетании с устройством управления выполнены с возможностью определения линейного положения зубчатой рейки дважды в течение каждого цикла работы насоса, один раз на движении вверх и один раз на время хода вниз. Система управления также выполнена, в некоторых вариантах осуществления, для обнаружения неисправного состояния и применения корректирующих действий в работе двигателя.
Линейный реечный привод глубинного штангового насоса 1 (см. Фиг. 1 и 2) состоит из следующих компонентов: электроприводного узла, электродвигателя 4 с находящемся на его валу редуктором 6, сформированного в едином корпусе электродвигателя, реечной передачи, состоящей из зубчатой рейки 5, приспособленной для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения вдоль оси рабочего хода насоса, и ведущей шестерни реечной передачи 7 с осью перпендикулярной оси рабочего хода насоса, функционально соединенной с выходным элементом электроприводного узла; узла крепления устьевого штока штанговой колонны; направляющих, расположенных в корпусе сверху и снизу шестерни, для фиксации и направления рейки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев рейки с венцом ведущей шестерни и опоры 2, на которую устанавливается привод 1. Опора 2 (см. Фиг. 3) представляет собой шатер, содержащий верхнюю платформу 9, к которой прикреплены по меньшей мере три ноги 10. Верхняя платформа 9 представляет собой площадку и выполнена с возможностью установки на нее привода 1. Оптимальным количеством ног 10 является три. Именно такое количество ног 10, при любых воздействиях на них, обеспечивает устойчивость общей конструкции, и вся конструкция не подвергается деформации основных элементов.
Ноги 10 соединены между собой посредством перемычек 11, которые являются ребрами жесткости, и дополнительно увеличивают надежность фиксации ног и устойчивость шатра на устье скважины. Каждая нога 10 снабжена регулируемой винтовой опорой 12, благодаря которым шатер 2 устанавливается в заданное положение, то есть осуществляется его позиционирование вместе с приводом 1 на устье скважины.
Верхняя платформа 9 является многослойной, состоящей из двух слоев металлического листа, между которыми расположен швеллер. В центре платформы 9 выполнено отверстие для установки в него привода 1. Описанная конструкция платформы 9 является надежной и обеспечивает воздействие нагрузок до 20 тонн, при заданном воздействии в 14 тонн.
Такая конструкция шатра 2 позволяет распределить полезную нагрузку от штангового глубинного насоса на поверхность рядом с устьем, тем самым снимая основную нагрузку с фланца устьевой колонны, как это выполнено в прототипе. Также шатер 2 позволяет произвести позиционирование, а именно, горизонтирование привода относительно поверхности у устья и установить его под заданным углом для корректировки положения выходного штока из устья.
Такая конструкция шатра также позволяет смонтировать привод на большом количестве скважин.
Данная конструкция является простой в изготовлении, так как направляющие образованы одной цилиндрической поверхностью, такую форму проще всего реализовать на практике, при этом в указанном прототипе направляющих поверхностей не менее четырех.
Также имеется опорный подшипниковый узел, который исключает крутящий момент, возникающий при работе насоса от штанг в скважине, что позволяет избавиться от необходимости дополнительных направляющих для фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси. На ее основе спроектирован линейный реечный привод УШГН грузоподъемностью 12 т с длиной рабочего хода 2,8 м.
Заявляемое устройство может дополнительно содержать следующие элементы: поддон (картер) со смазкой, обеспечивающий смазку реечного механизма за счет погружения в него нижней части рейки, упругий элемент 8, предназначенный для опоры рейки в нижнем положении при остановках, ремонтах, и для предотвращения выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования, также он может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу рейки во время хода вверх. В рейке может быть сквозной по ее длине открытый канал, ось которого параллельна оси рабочего хода глубинного штангового насоса, канал размещен напротив зубьев реечной стойки и предназначен для размещения в нем полированного штока. Варианты формы сечения сквозного открытого канала могут быть следующие: круглой формы, прямоугольной формы, имеющей связь с внешней круговой поверхностью стойки; комбинированной из двух сливающихся фигур круга и прямоугольника. Устройство может содержать электроприводной или механический штанговращатель, предназначенный для принудительного вращения штанг, который устанавливается на подшипниковую опору.
Дополнительно устройство 1 может быть снабжено монтажной площадкой 3 (см. Фиг. 4), предназначенной для обслуживания привода 1.
Конструкция привода 1 является унифициорованной, чтобы за счет изменния длины зубчатой рейки 5 и изменения мощности асинхронного двигателя 4, изменялась полезная нагрузка от глубинного насоса в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1