МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДЛИННОХОДОВОЙ СТАНОК-КАЧАЛКА
SMALL-SIZE LONG-STROKE PUMPING UNIT

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано в составе штанговой глубиннонасосной установки преимущественно для подъема нефти или для откачки пластовых вод.
Известен станок-качалка, содержащий раму, установленные на ней пирамиду, редуктор и связанный с ним клиноременной передачей двигатель. На тихоходный вал редуктора насажены с двух сторон кривошипы. На пирамиде установлено с возможностью качания коромысло, на одном конце которого имеется головка для подвески штанг, а на другом на шарнире траверса, расположенная поперек коромысла. Траверса и кривошипы связаны, также с помощью шарниров, шатунами (патент РФ №2107187, F04B 47/02, 1996 г.).
Этот станок-качалка (СК) имеет ограниченную длину хода (высоту подъема) точки подвеса штанг (ТПШ) в пределах 1,5-3,5 м, редко до 4,5 м, что создает с учетом упругого растяжения колонны штанг ограничение в длине хода плунжера глубинного насоса, т.е. в производительности глубиннонасосной установки. Малая длина хода СК требует для обеспечения необходимой производительности увеличения частоты качаний, а это приводит к возрастанию динамических нагрузок на штанги, которые в совокупности с переменными статическими нагрузками снижают порог усталости материала штанг. В результате уменьшается межремонтный период работы скважины, увеличиваются расходы на эксплуатацию скважины.
Известен СК, в котором увеличена длина хода ТПШ (А.С. СССР №1541408, F04B 47/02, 1987 г.). Увеличение длины хода достигается тем, что используется система канатной оснастки, связывающей колонну штанг, головку коромысла, само коромысло, дополнительные траверсы и кривошипы. Канатная оснастка рассчитана на применение ее в СК известной конструкции четырехзвенного механизма (например, в СК по патенту №2107187). Это ограничивает возможность увеличения длины хода ТПШ только до 1,5-2,0-кратной величины. Другим недостатком этого технического решения является большой габаритный размер по высоте (5-7 м) и ширине (2,8-3,0 м), что требует транспортировать СК в разобранном виде, производить сборку, наладку (особенно канатной оснастки) и юстировку в полевых условиях. Возникают сложности при демонтаже и монтаже канатной оснастки во время подземных ремонтов скважины, а также при обслуживании ее в связи с «жестким» регламентом эксплуатации канатов. Размеры по ширине СК по А.С. №1541408 также оказываются увеличенными по сравнению с известными СК из-за необходимости разместить струны канатов за пределами вращающихся противовесов.
Целью изобретения является повышение эффективности использования станка-качалки за счет снижения расходов на транспортировку, монтаж на скважине и эксплуатацию, а также более существенного увеличения длины хода ТПШ. Предложенный СК полностью собирается на заводе-изготовителе и, имея малые габариты, доставляется на скважину в собранном виде, где устанавливается на подготовленный фундамент.
На фиг.1 изображена кинематическая схема станка-качалки; на фиг.2 схематично представлен общий вид СК (вид сбоку); на фиг.3 - вид сверху; на фиг.4 - вид на поперечное сечение по стр.А.
Станок-качалка содержит (фиг.2, 3): двигатель 1, редуктор 2, кривошипы 3, насаженные на концы тихоходного вала редуктора и имеющие рычаги 4 для противовесов 5; шатуны 6, соединенные шарнирами 7 с кривошипами; двойной маятник 8, качающийся на двухстоечной пирамиде 9 и имеющий две пары рычагов 10 и 11, одна из которых шарнирами 12 соединена с шатунами; коромысло 13, размещенное между стойками пирамиды и соединенное с другой парой рычагов шарнирами 14. На одном конце коромысла имеется головка 15 с отверстием 16 для подвески полированного штока и колонны штанг, а на другом - ролик 17, контактирующий с горизонтально расположенным рельсом 18 и имеющий возможность по нему катиться.
Пирамида, редуктор и двигатель установлены на раме 19. Ось 20 качания маятника и ось 21 качения ролика находятся в одной горизонтальной плоскости 22.
Хорды 23, соединяющие крайние точки дуги качания оси шарниров 14 коромысла расположены вертикально, а хорды 24, соединяющие крайние точки дуги качания оси шарниров 12 - горизонтально.
На предложенном СК могут быть установлены дополнительные противовесы 25 и 26, также рассчитанные на уравновешивание веса колонны штанг в жидкости и половины веса поднимаемого столба жидкости. Они могут снять с редуктора часть нагрузки от крутящего момента. Противовесы 25 могут быть выполнены в виде приливов на рычагах 10, а противовес 26 в виде груза с возможностью его перестановки вдоль заднего плеча коромысла.
Рельс находится над редуктором и прикреплен к раме с помощью стоек 27. Ролик и рельс могут быть выполнены с одной дорожкой качения, как показано на фиг.4, или с двумя, расположенными по обе стороны коромысла (не показано).
Головка коромысла с помощью шарнира 28 откидывается назад на время транспортировки и подземного ремонта скважины.
Кинематическая схема качания коромысла 13 (фиг.1) симметрична относительно горизонтали 22.
Малогабаритный длинноходовой станок-качалка работает следующим образом.
Вращение от двигателя 1 через клиноременную передачу передается редуктору 2, а от него через кривошипы 3 и шатуны 6 движение передается рычагами 10 маятнику 8. Качание маятника через рычаги 11 передается коромыслу 13. Коромысло одновременно перемещается по вертикали, поворачивается вокруг оси ролика 17 и перемещается осью ролика 17 по горизонтали 22.
При правильном подборе длины коромысла, длины его заднего плеча, радиуса поворота рычага 11 и расстояния от оси качания маятника до вертикали, по которой перемещается ТПШ, это перемещение ТПШ будет прямолинейным без бокового отклонения от вертикали или с минимальным допустимым отклонением по всей длине хода ТПШ.
i
При повороте кривошипа 3 на угол α (фиг.1) маятник 8 повернется на угол
- шаговый угол поворота маятника, град,
где  - половина полного угла качания маятника, град;
o
R - радиус кривошипа, мм;
1
R - радиус качания оси шарнира 12, мм.
Коромысло 13 при этом повернется на угол
- шаговый угол поворота коромысла, град,
где  - половина полного угла поворота коромысла вокруг оси ролика 17, град;
3
i
i
m=ℓ·sin(β-β)=R·sin(γ-γ) - половина хорды 23, мм;
R - расстояние от оси качания маятника до оси шарнира, соединяющего коромысло с рычагами маятника, мм;
3
ℓ -длина заднего плеча коромысла от оси шарнира 14 коромысла до оси ролика 17, мм.
i
i
Точка подвеса штанг поднимется на высоту S=0,5S-ℓ·sin(β-β),
где  - полная длина хода станка-качалки, мм;
ℓ - длина коромысла от ТПШ до оси ролика 17, мм.
Верхняя половина хода ТПШ вверх будет проходить с таким же темпом увеличения угла поворота коромысла относительно горизонтали 22. При ходе ТПШ вниз все повторится в обратном порядке.
Прямолинейность перемещения ТПШ по вертикали оценивается по формуле
i
i
i
Δx=Δℓ·cos(β-β), - боковое отклонение ТПШ, мм,
i
i
3
i
i
3
i
i
где: Δℓ=ℓ-λ; ℓ=λ+R+ℓ; ℓ={λ+R·cos(γ-γ)+ ℓcos(β-β)}·sec(β-β)
λ - расстояние от вертикали, по которой перемещается ТПШ, до оси качания маятника, мм.
Соотношение размеров кинематических элементов СК и их взаимное расположение, обеспечивающее прямолинейность перемещения ТПШ, определяется уравнением
i
3
i
i
ℓ-{λ+R·cos(γ-γ)+ ℓ·cos(β-β)}·sec(β-β)≈0
3
o
1
В частном случае для параметров S=9000 мм; ℓ=8400 мм; λ=400 мм; R=3911 мм; ℓ=4089 мм, подобранных методом итерации, определены γ=34°04'; β=32°24'; R=0,5582 R.
i
Для этого случая боковое отклонение Δx находится в пределах 0,0-1,7 мм. Максимальное отклонение 1,7 мм возникает при углах поворота кривошипа 30°, 150°, 210°, 350°.
Практически можно допустить некоторое боковое отклонение ТПШ от вертикали, если изгибающие напряжения в полированном штоке будут меньше допустимых при многоцикловом нагружении.
i
3
i
Если принять расстояние от вертикали, по которой перемещается ТПШ, до оси качания маятника равным нулю, а расстояние от оси качания маятника до оси шарнира, соединяющего коромысло с рычагами маятника, равным длине заднего плеча коромысла от оси шарнира коромысла до оси вращения ролика, то боковое отклонение Δx на всем протяжении пути от НМТ до ВМТ и обратно будет равно нулю. Например, при λ=0; R=ℓ для ℓ=8400 мм; S=9000 мм имеем γ=β=32°24' и Δx=0. В этом случае на время подземного ремонта скважины станок-качалку придется отодвигать (откатывать) от устья скважины. Надобность в откидной головке коромысла отпадает.
Станок-качалка с рассмотренной кинематической схемой может иметь длину хода 9-12 м.
Наименьший габаритный размер по высоте предложенный станок-качалка имеет при горизонтальном положении коромысла. Этот габарит равен в сумме высоте редуктора, толщине рамы, диаметру ролика и толщине рельса, что составляет приблизительно 2,5-3,0 м. С застопоренным в горизонтальном положении коромыслом станок-качалка транспортируется. Габаритный размер по ширине - такой же, как у известных СК (≈2,3 м), но меньший, чем у прототипа по А.С. №1541408, имеющего канатную оснастку. Длина СК с длиной хода ТПШ S=9 м по экспертной оценке составляет 8,8-9,2 м, а с длиной хода S=12 м не более 12 м, что не является препятствием для транспортировки СК в собранном виде.