Роторный привод штанговых насосов скважин
ROTARY DRIVE OF SUCKER ROD PUMPS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оборудованию в основном для добычи нефти. В частности к технике добычи нефти из буровых скважин, и особенно эффективно в труднодоступных местах добычи нефти, где больше всего сжигается попутного газа бесцельно, в то время как туда производится прокладка новых протяженных линий электропередач на высоком напряжении и установка собственной трансформаторной подстанции. Такие линии обычно имеют большие потери электроэнергии, а трансформаторы низкий коэффициент загрузки, что значительно увеличивает себестоимость добычи нефти. Возможно применение в шахтах для откачки воды с использованием выделяющегося метана.
Уровень техники
В настоящее время нефть практически везде добывают с помощью насосов: винтовых, поршневых, центробежных, струйных, основными приводами для которых служат электродвигатели реже двигатели, работающие на дизельном топливе. Одновременно создаются новые технологии и оборудование для трудноизвлекаемых запасов сырья и остаточной нефти.
Тем не менее, ведущая роль в добыче нефти по-прежнему принадлежит балансирным станкам-качалкам, которые почти столетие используются на нефтепромыслах России и зарубежья. Эти станки в специальной литературе чаще называются приводами штанговых глубинных насосов, расположенных на дне скважины. Но аббревиатура ПШГН не особенно прижилась, и их по-прежнему именуют станками-качалками. По мнению многих нефтяников, пока по-настоящему не создано другого более надежного и простого в обслуживании оборудования, чем эти приводы.
Известно, что станки-качалки могут быть балансирные и безбалансирные. Основными узлами известных балансирных конструкций является рама, стойка в виде усеченной четырехгранной пирамиды, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, шарнирно подвешенная к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами. Станок-качалка комплектуется набором сменных шкивов для изменения числа качаний, т.е. регулирование дискретное. Для смены и натяжения ремней электродвигатель устанавливается на поворотной раме-салазках. Недостатки: чрезмерная металлоемкость; сложность монтажа, пуско-наладочных работ, обслуживания; повышенные удельные затраты электрической энергии.
В безбалансирных приводах (RU 2445511): возвратно-поступательное движение штанг осуществляется с помощью цепи или канатов, перекинутых через шкивы-звездочки, укрепленные на наклонной к устью скважины пирамиде-опоре. Канатная подвеска (или цепь) прикрепляется к штангам, а другим концом к кривошипу редуктора.
Безбалансирные станки-качалки уравновешиваются с помощью противовесов, укрепляемых на кривошипе. Однако они не нашли широкого распространения т.к. имеют в основном те же недостатки, что и балансирные станки-качалки, имея преимущества в энергопотреблении. Но при этом приближение электродвигателя к устью скважины повышает пожарную опасность.
Известны так же гидравлические приводы (RU 2344319, F04B 47/08, 27.07.2008), состоящие из длинного цилиндра и движущегося в нем поршня, соединенного непосредственно с колонной штанг. Цилиндр устанавливается вертикально над устьем скважины. Возвратно-поступательное движение поршня и штанг достигается путем переключения золотниковым устройством потока жидкости, нагнетаемой силовым насосом. Однако длинноходные цилиндры и поршни сложно изготовить.
К недостаткам так же относятся: приводом является электродвигатель, ограничение по глубине спуска насоса (чем глубже, тем выше вероятность обрыва штанг); малая подача насоса; ограничение по наклону ствола скважины и интенсивности его искривления (неприменимы в наклонных и горизонтальных скважинах, а также в сильно искривленных вертикальных).
Основными недостатками всех известных способов добычи нефти в крупных месторождениях являются: большие потребности в электрической энергии с учетом инфраструктуры; солидные объемы бесцельного сжигания попутного нефтяного газа особенно в труднодоступных местах; чрезмерная металлоемкость; сложность монтажа, балансировки и обслуживания каждой установки по добыче нефти.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков с учетом использования попутного нефтяного газа при упрощении конструкции привода по замкнутому циклу, повышении его надежности и долговечности путем применения жесткой кинематической связи между собой с уменьшением количества его подвижных конструктивных элементов, а также заявленное техническое решение направлено на решение проблемы полной утилизации попутного нефтяного газа на месте не только для самообслуживания нефтедобычи, но и для выработки электроэнергии для инфраструктуры и даже сторонним потребителям, снижение пожарной опасности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции привода штангового насоса, повышении его надежности и долговечности, упрощении монтажа и пуско-наладочных работ.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что привод штанговых насосов скважин, содержащий роторный двигатель, и привод для генераторов электрической энергии, при этом роторный двигатель выполнен в корпусе и состоит из разделенных перегородкой по меньшей мере двух роторных секций, одна из которых через перегородку соединена с секцией синхронизатора, при этом каждая роторная секция образована корпусом с двумя внутренними смежными цилиндрическими расточками, и в каждой цилиндрической расточке с зазором от внутренней поверхности цилиндрической расточки уставлены роторы на вал (11) и вал (12) соответственно, а каждый ротор выполнен с выступом в форме эвольвентного зуба и с выемкой с образованием рабочей камеры между роторами каждой секции, внутренней поверхностью цилиндрических расточек и выступами роторов рабочей камеры, при этом в корпусе роторного двигателя выполнены каналы подвода и отвода пара, соединенные с трубопроводом подвода и трубопроводом отвода пара, а в перегородках между секциями выполнен канал перехода пара, при этом над каждой скважиной установлены вертикальные направляющие с установленной внутри штангой, соединенной с насосными штангами насосно-компрессорных труб каждой скважины, и каждая штанга каждой направляющей снабжена ползуном и каждый ползун посредством кривошипа и шатуна соединен с валом (12) соответственно, при этом, ползуны с кривошипами и шатунами в направляющих, расположены таким образом, что при вращении вала совершают движение в разных направлениях, при этом на валу (11) установлены редукторы для привода удаленных от устья генераторов электрической энергии, при этом роторный двигатель трубопроводом (16) соединен с сепаратором, выполненным в виде емкости с расположенным внутри змеевиком и соединенным с трубопроводом (16), емкость сепаратора с одной стороны соединена трубопроводом (22) с обратными клапанами (23), обеспечивающими поток нефти и попутного газа только в одном направлении от скважин в емкость сепаратора, а с другой стороны посредством трубопровода (13) соединена с котельной, при этом емкость сепаратора (14) также соединена трубопроводом (20) с резервуаром.
В частном случае реализации заявленного изобретения привод установлен на облегченную пространственную раму, монтируемую на сваи, или на фундамент между двух скважин, на морскую платформу сооруженную для бурения, или может также быть установлен на шасси на гусеничном или пневматическом ходу.
В частном случае реализации заявленного изобретения источником энергии для роторного двигателя является попутный нефтяной газ.
В частном случае реализации заявленного изобретения секция синхронизатора содержит, установленные на коротком и длинном валах, шестерни синхронизатора.
В частном случае реализации заявленного изобретения валы выполнены с возможностью изменения длины.
В частном случае реализации заявленного изобретения длинный вал (12) установлен на дополнительные опоры с подшипниками.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - привод скважинного штангового насоса, установленный между двух скважин
Фиг. 2 - разрез по А-А
Фиг. 3 - роторный двигатель в работе (функционирующий);
Фиг. 4 - роторный двигатель в мертвой точке.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - направляющие; 2 - ползун; 3 - кривошип; 4 - штанга (полировальный шток); 5 - шатун; 6 - трубопровод поступления пара; 7 - корпус; 8 - рабочая камера; 9 - ротор; 10 - крышка корпуса (статора); 11 - короткий вал; 12 - длинный вал; 13 - трубопровод отвода ПНГ; 14 - нефтегазовый сепаратор; 15 - пространственная рама; 16 - трубопровод отработавшего пара; 17 - змеевик; 18 - трубопровод поступления отработавшего пара в котельную; 19 - резервуар для нефти; 20 - трубопровод сепарированной нефти; 21 - трубопровод отстойной нефти; 22 - трубопровод пластовой нефти; 23 - обратный клапан; 24 - трубопровод отстоя; 25 - устьевая арматура с манифольдом; 26 - угловой редуктор: 27 - вал привода генератора; 28 - генератор: 29 - шестерни синхронизатора; 30 - перегородка; 31 - выступ в форме эвольвентного зуба: 32 - выемка.
Раскрытие изобретения
Предлагается принципиально новое техническое решение по добыче нефти из двух скважин одновременно одной установкой, расположенной между скважинами, при этом электродвигатели заменяются на пожаробезопасные приводы, источником энергии для которых является пар, получаемый при сжигании попутного газа за пределами роторного механического привода штангового насоса и подаваемый по трубопроводу к двигателю.
Привод скважинного штангового насоса содержит роторный двигатель, как привод насосов для двух скважин и привод для генераторов электрической энергии. При этом источником энергии является попутный нефтяной газ.
Привод скважинного штангового насоса двух скважин может быть установлен на облегченную пространственную раму (15) монтируемую на сваи или на фундамент между двух скважин, на морскую платформу, сооруженную для бурения, или может также быть установлен на шасси на гусеничном или пневматическом ходу.
Далее по описанию раскрыта сущность приоритетного варианта исполнения привода скважинного штангового насоса двух скважин, установленного на пространственную раму (15), монтируемую на сваи или на фундамент между двух скважин. Привод также содержит роторный двигатель, установленный на упомянутую раму (15).
Роторный двигатель выполнен в корпусе (7) и состоит из разделенных перегородкой (30) двух роторных секций. Одна из роторных секций также через перегородку соединена с секцией синхронизатора. Каждая роторная секция образована корпусом с двумя внутренними смежными цилиндрическими расточками, в каждой цилиндрической расточке с зазором от внутренней поверхности цилиндрической расточки уставлен ротор (9) на вал (11) и вал (12) соответственно. Роторы (9) установлены на валах с возможностью вращения в противоположных направлениях. Секция синхронизатора содержит, установленные на коротком и длинном валах (11 и 12), шестерни (29) синхронизатора.
В корпусе (7) роторного двигателя, с противоположных сторон непосредственно по границе соседних цилиндрических расточек выполнены каналы подвода и отвода пара, соединенные с трубопроводом подвода (6) и трубопроводом отвода (16) пара.
Каждый ротор (9) выполнен с выступом (31) в форме эвольвентного зуба и с выемкой (32) с образованием между роторами (9), внутренней поверхностью цилиндрических расточек и выступами роторов (9) рабочей камеры (8). На стенки выступов (31) давит пар, заставляя вращаться роторы (9), а соответственно и валы (11 и 12) в противоположных направлениях.
По трубопроводу (6) от сжигания попутного газа в котельной, удаленной от привода на пожаро безопасное расстояние (на чертеже не показана), пар через канал в корпусе (7) подается в рабочую камеру (8) между двух параллельных цилиндрических расточек, в которых вращаются роторы (9), при сближении выступов (31) с впадинами (32) давление на их стенки прекращается (мертвая точка), и пар свободно выходит из рабочей камеры (8). В целях преодоления мертвой точки без маховика и пар по каналу направляется в соседнюю секцию, расположенную через перегородку (30) в которой выступы (31) и впадины (32) роторов воспринимают давление пара т.к. смещены по оси вращения. Пар, оказывая давление на выступы (31) роторов вращает валы 11 и 12 и размещенные на них шестерни (29) секции синхронизатора, синхронизирующие вращение роторов могут выполнять функции шестеренного насоса.
При этом валы (11 и 12) могут быть удлинены или укорочены, при необходимости, с помощью муфт, храповиков, фланцев и другими известными способами с учетом установки дополнительных опор с подшипниками. Это упрощает установку роторной качалки между существующими скважинами.
Рабочими элементами являются выступы (31), в процессе вращения они входят в выемки (32) смежного ротора (9) соответствующей конфигурации, обеспечивая беспрепятственное вращение роторов (9). Валы (11 и 12) вращаются в подшипниках качения или скольжения, установленные в крышке (10) корпуса. Для длинных валов могут устанавливаться дополнительные стойки с подшипниками.
Над каждой скважиной установлены вертикальные направляющие (1), при этом каждая направляющая выполнена с установленной внутри штангой (4), соединенной с насосными штангами насосно-компрессорных труб (на изображениях не показаны) каждой скважины. При этом каждая штанга (4) каждой направляющей снабжена ползуном (2) и каждый ползун (2) посредством кривошипа (5) и шатуна (3) соединен с валом (12) соответственно. При этом, ползуны (2) с кривошипами и шатунами в направляющих, расположены таким образом, что при вращении вала (12) совершают движение в разных направлениях. При этом в каждой направляющей ползуны (2), совершает возвратно-поступательное движение в диаметрально-противоположных направлениях, передавая его полировальному штоку, находящемуся в устьевой арматуре с манифольдом (25) и соединенному с насосными штангами насосно-компрессорных труб по известной схеме (на изображениях не показаны)
Длинный вал (12) с одной стороны привода вращает кривошип (5) который приводит в действие шатун (3) насоса одной скважины, и в тоже время с другой стороны шатун (3) выполняет аналогичную функцию на второй скважине в противоположном направлении со смещением на 180 градусов Ползун (2) каждой скважины совершает возвратно-поступательное движение по направляющим (1) в диаметрально противоположных направлениях. В то время как ползун (2) одной скважины поднимает штангу (4), второй ползун (2) опускает штангу (4) с которой он соединен в устьевую арматуру с манифольдом (25). Таким способом происходит уравновешивание штанг (4) на обеих скважинах без противовесов.
Разность в длине валов позволяет на коротком валу (11) через угловой редуктор (26) или шкивы, цепи, дополнительно установить генераторы (28) электрической энергии на значительном удалении от установки посредством вала (27).
Вместо кривошипного механизма могут применяться другие известные механизмы: шарнирно - рычажные, кулисные, в частности, Чебышёва, Хойкена, Липкина - Посселье, Ватта, Саррюса, Шотландский, реечный и другие известные устройства для превращения вращательного движения в возвратно-поступательное. Учитывая их многообразие, на чертеже не показаны.
По трубопроводу (16) отработавший пар направляется в нефтегазовый сепаратор (14). При этом сепаратор представляет собой емкость с установленным внутри змеевиком (17). Емкость сепаратора при этом соединена трубопроводом (22) с обратным клапаном (23), обеспечивающими поток нефти и попутного газа только в одном направлении от скважин в емкость сепаратора (14). Трубопровод (16) соединен со змеевиком (17) сепаратора (14). Посредством змеевика (17) происходит охлаждение отработавшего пара. Охлажденный пар по трубопроводу (18) направляется в котельную и, может дополнительно охлаждаться атмосферным воздухом или принудительно известными способами (вентилятор, емкость с водой) и пар, превратившись в воду, поступает в паровой котел. При этом, в результате охлаждения отработавшего пара происходит нагрев поступившей нефти и попутного газа в емкости сепаратора (14). Емкость сепаратора (14) посредством трубопровода (13) соединена с котельной (не показана). Подогретый попутный газ, как более легкая фракция по трубопроводу (13) поступает в котельную и, сгорая, превращает воду в пар, который по трубопроводу (6) поступает в роторный двигатель. А нефть, как более тяжелая фракция из емкости сепаратора (14) по трубопроводу (20) поступает в резервуар - отстойник (19), откуда по трубопроводу 21 производится вывод эмульсии сырья, а по трубопроводу (24) нефть насосами нагнетается в резервуары для доочистки или в нефтепроводы для транспортировки.
Применением качалки одновременно для двух скважин без редукторов сокращается потребление энергии необходимой только на подъем веса скважинных флюидов, т.к. вес поднимаемых штанг в одной скважине синхронно уравновешивается весом опускающихся штанг в другой противоположно расположенной скважине. Кроме того, мобильная роторная качалка не только успешно обходится без линий подвода электрической энергии, но и может самостоятельно вырабатывать электрическую энергию при условии подключения генераторов к валам роторов.
Двигатель имеет большой момент силы при малых габаритах, и, соответственно, низком удельном коэффициенте металлоемкости. Не требуется фундамент. Упрощается пуско-наладка. В связи с тем, что рабочие элементы цикла двигателя происходят с фазовыми переходами жидкость - пар - жидкость и это происходит на протяжении всего цикла, и при использовании отработавшего пара для подогрева фракций в нефтегазовом сепараторе с учетом охлаждения пара там, агрегаты получаются компактными, а эффективность замкнутого цикла высокой.
При этом роторный двигатель работает от пара, поступающего по трубопроводу при сжигании попутного нефтяного газа в котельной за пределами установки, уменьшает пожарную опасность, исключая искрообразование, а отработавший пар используется для подогрева нефти. Кроме того, штанги каждой скважины, помимо основной функции, выполняют роль противовесов и, синхронно самоуравновешиваясь, уменьшают удельную металлоемкость и сокращают потребление энергии.
Работа устройства: во время совмещения выступа (31) одного ротора (9) с выемкой (32) другого ротора (9) отработавший пар переходит в смежную секцию и через канал 16 направляется в нефтегазовый сепаратор (14) для подогрева фракций с помощью змеевика (17), куда поступает нефть с примесью попутного газа из скважин по трубопроводу (22) с обратным клапаном (23) обеспечивающим поток нефтегазовой смеси только в одном направлении.
Охлажденный пар по трубопроводу (18) направляется в котельную и, дополнительно охлаждаясь, атмосферным воздухом или принудительно известными способами (вентилятор, емкость с водой) и пар, превратившись в воду, поступает в паровой котел.
Подогретый попутный газ, как более легкая фракция по трубопроводу (13) поступает в котельную и, сгорая, превращает воду в пар, который по трубопроводу (6) поступает в роторную качалку. А нефть, как более тяжелая фракция из сепаратора (14) по трубопроводу (20) поступает в емкость (19), откуда по трубопроводу (21) насосами нагнетается в цистерны или в нефтепроводы для транспортировки.
Работа на попутном газе, простота конструкции при минимуме взаимодействующих элементов, быстрый монтаж при простоте балансировки, малая удельная металлоемкость, надежность в эксплуатации, возможность автоматизации, в конечном счете, сокращают себестоимость добычи нефти.
Кроме того роторный привод скважинного штангового насоса обеспечивает электроэнергией место добычи нефти, и по существующим линиям электропередач могут снабжать электроэнергией другие точки в том числе и существующие станки-качалки до переустройства их на роторные качалки. При этом дополнительно обособленные двигатели роторного привода скаважинного штангового насоса наряду с роторным приводом штангового насоса могут использоваться только для выработки электроэнергии в качестве электростанции. Для этого достаточно оба вала использовать как приводы генераторов электрической энергии.
Заявленный привод эффективен при кустовом и двухрядном расположении скважин и на морских площадках с учетом быстрого ввода в эксплуатацию, особенно при доставке вертолетом.
Привод скважинного штангового насоса можно изготовить в любом промышленном предприятии, но целесообразно производить в специализированных предприятиях нефтегазового комплекса с учетом постепенной замены станков-качалок.