ЭЛЕКТРОННО-ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ СКВАЖИННЫМ ШТАНГОВЫМ НАСОСОМ

Полезная модель относится к устройствам для добычи нефти, в частности к наземному электронно-гидравлическому оборудованию, которое приводит в действие штанговый скважинный насос.
Основным видом устройств, широко используемых в настоящее время в качестве приводов штанговых скважинных насосов, являются балансирные станки-качалки. Они имеют высокий КПД и высокую надежность, но изменение режимов работы (числа качаний, хода штока скважинного насоса) связано с большими затратами ручного труда, а сами устройства имеют большую массу. Значительный вес таких приводов требует затрат на обустройство фундаментов и ограничивает возможность переноса установок с одной скважины на другую, а также их установку на плавучих, болотистых и обводняемых грунтах.
В связи с этим все более широкое применение находят гидроприводы штанговых скважинных насосов. В России действует ГОСТ Р 51763-2001 «Приводы скважинных штанговых насосов», который регламентирует общие требования к механическим гидравлическим приводам. В конструкции гидропривода используется насосная установка, обеспечивающая поток масла под давлением, и гидроцилиндр, поршень и шток которого движутся под действием потока масла от насосной установки. Шток гидроцилиндра непосредственно или через механическую систему (рычаг, блок с гибким тяговым органом) соединен со штоком штангового скважинного насоса. Насосная установка в свою очередь состоит из приводного двигателя, насоса и системы управления. Балансирование гидропривода, также как обычных станков-качалок, состоит в статическом уравновешивании колонны штанг скважинного насоса и в динамическом уравновешивании моментов инерции движущихся частей, обеспечивающем равномерное потребление энергии приводным двигателем во всем цикле подъема и опускания штанг. Гибкость управления потоком масла обеспечивает преимущество в эксплуатации описываемых гидравлических устройств. При этом за счет малой инерции гидромашин достигается быстрое и автоматизируемое изменение хода штока скважинного насоса, числа ходов в минуту, изменение скорости подъема и опускания штанг.
Балансирование гидропривода осуществляется различными способами. Например, в патенте US 5996688 «Hydraulic pump jack drive system for reciprocating an oil well pump rod» кроме основного гидроцилиндра используется дополнительный гидроцилиндр, соединенный с резервуаром, заполненным сжатым газом (пневмогидроаккумулятором). Давление и энергия сжатого газа используются для статического и динамического балансирования гидравлического привода и возвратно-поступательного движения штока. Однако недостатком гидравлического привода является относительно невысокий КПД. Это связано с жидкостным трением в гидросистеме и дросселирующих аппаратах управления.
Для снижения потерь энергии в гидроприводе используют регулируемые гидромашины. Регулируемый насос подает в гидросистему ровно столько масла, сколько необходимо для движения штока скважинного насоса с требуемой скоростью, а дополнительное дросселирование не требуется. Реверсирование потока масла производят изменением наклона качающего узла насоса, а не применением дросселирующих гидравлических аппаратов. Например, в гидроприводе по патенту US 5827051 «Regenerative hydraulic power transmission for down-hole pump» используется реверсивный по потоку регулируемый аксиально-поршневой насос, подающий масло при подъеме штанг в штоковую полость гидроцилиндра, а при опускании - в бак (гидросистема открытого типа). Из бака масло забирается в поршневую полость гидроцилиндра. Динамическое балансирование осуществляется с помощью маховика, соединенного с валом приводного двигателя. Реверс качающего узла насоса осуществляется за счет механической связи этого узла с движущимся штоком. Недостатком этого устройства является отсутствие статического балансирования и фиксированный момент инерции маховика для динамического балансирования, который невозможно оперативно изменять при изменении параметров добычи и характеристик скважины, таких как нагрузка на штоке, количество откачиваемой нефти и ее плотность, длина хода штока скважинного насоса. На обычных станках-качалках аналогичные маховые массы регулируют перестановкой грузов, а это связано с большими затратами ручного труда и простоями нефтедобывающего оборудования, что является экономически невыгодным.
Указанные недостатки устраняются применением электронно-гидравлических автоматизированных систем с управлением от общего электронного микропроцессора (контроллера). Примером такой конструкции может служить патент РФ №76085 на полезную модель «Гидропривод глубинного штангового насоса». В этом устройстве регулирование потока масла и соответственно скорости и закона движения штока скважинного (глубинного) штангового насоса осуществляется автоматически от ПЭВМ (персональной электронно-вычислительной машины), которая получает и обрабатывает данные от датчиков давления масла (рабочей жидкости) в гидроцилиндре и датчика температуры. ПЭВМ работает по заложенной в ней программе. Указанная ПЭВМ управляет золотником гидрораспределителя, регулирующего направление и величину потока масла в гидроцилиндре привода. Устройство также дополнительно содержит дроссель. Электронное управление обеспечивает широкий диапазон и плавность изменения всех параметров гидропривода штангового скважинного насоса: быстрое и автоматизированное изменение хода штока скважинного насоса, числа ходов в минуту, раздельное изменение скорости подъема и опускания штанг и так далее. Патент РФ №76085 на полезную модель «Гидропривод глубинного штангового насоса» принят за прототип.
Недостатком прототипа является низкий КПД, который меньше, чем у классического станка-качалки за счет потерь в регулирующих гидравлических аппаратах и соединяющих их магистралях. Это является очень важным недостатком, поскольку в настоящее время идет резкое удорожание энергоресурсов и энергосбережение является как государственной, так и корпоративной политикой нефтедобывающих предприятий. Кроме того, устройство, принятое за прототип, является очень сложным.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемой полезной модели, является обеспечение широкого диапазона автоматического регулирования параметров гидропривода при одновременном повышении КПД до уровня, не уступающего станку-качалке (~0,7), а также упрощение конструкции.
Технические результаты достигаются за счет того, что в электронно-гидравлическом устройстве для добычи нефти скважинным штанговым насосом, содержащем гидроцилиндр, насос, привод насоса, пневмогидроаккумулятор и систему управления, штоковая полость гидроцилиндра, насос и пневмогидроаккумулятор гидравлически связаны последовательно, при этом насос расположен между гидроцилиндром и пневмогидроаккумулятором, система управления связана с насосом и датчиком перемещения штока, установленным на штоке или поршне гидроцилиндра, а насос выполнен в виде управляемого реверсивного насоса.
Устройство может быть снабжено реверсивным фильтром, установленным между реверсивным насосом и пневмогидроаккумулятором.
Устройство может быть снабжено маслоохладителем, установленным между реверсивным насосом и пневмогидроаккумулятором.
Устройство может быть снабжено датчиком давления в рабочей полости, установленным между гидроцилиндром и реверсивным насосом.
Устройство может быть снабжено датчиком давления масла в пневмогидроаккумуляторе, установленным между насосом и пневмогидроаккумулятором.
Устройство может быть снабжено датчиком давления газа в пневмогидроаккумуляторе.
Гидроцилиндр приводит в действие глубинный штанговый насос. Датчик перемещения штока гидроцилиндра позволяет осуществлять непрерывное слежение за положением штока. Заявляемая конструкция позволяет разместить датчик перемещения штока непосредственно на штоке, что обеспечивает повышение точности измерения и соответственно повышение точности регулирования. Сигнал от датчика поступает в электронную систему управления и используется для точного управления перемещением и скоростью штока.
Управляемый реверсивный насос и привод насоса образуют гидропривод, предназначенный для приведения в движение штока гидроцилиндра посредством гидравлической энергии. Использование именно реверсивного насоса обусловлено необходимостью обеспечения возможности перекачивания рабочей жидкости (масла) из штоковой полости гидроцилиндра в пневмогидроаккумулятор и обратно. Для обеспечения автоматизации процесса реверсивный насос управляется при помощи системы управления.
Привод насоса может быть выполнен в виде двигателя, например электродвигателя, который будет преобразовывать какой-либо вид энергии, например электрическую энергию, в механическую энергию, необходимую для работы реверсивного насоса.
Пневмогидроаккумулятор предназначен для накопления и отдачи энергии рабочей жидкости посредством сжатия и расширения газа.
Одна магистраль реверсивного насоса должна быть соединена со штоковой полостью гидроцилиндра, а вторая - с пневмогидроаккумулятором. То есть, реверсивный насос должен находиться между гидроцилиндром и пневмогидроаккумулятором, чтобы иметь возможность перекачивать рабочую жидкость из рабочей полости гидроцилиндра в пневмогидроаккумулятор и обратно. Благодаря такому расположению элементов и их соединению образуется замкнутая гидравлическая система, в которой масло циркулирует внутри контура гидроаппаратов и никогда не контактирует с воздухом. В этом случае исключается дросселирование масла и насыщение масла парами воды, также уменьшается окисление масла воздухом. Кроме того, уменьшается сжимаемость масла, снижается жидкостное трение и в итоге повышается КПД с 0,4 до 0,7.
Система управления связана с насосом и датчиком перемещения штока, то есть система управления контролирует указанные устройства и управляет ими. В частности, управляющее устройство регулирует положение качающего узла насоса и положение датчика перемещения штока.
Для охлаждения масла в замкнутой гидросистеме целесообразно применять теплообменный аппарат - маслоохладитель, выдерживающий рабочее давление до 250 бар. Маслоохладитель может быть расположен между реверсивным насосом и пневмогидроаккумулятором для охлаждения рабочей жидкости, поступающей в пневмогидроаккумулятор. Для фильтрации масла целесообразно использовать реверсивный фильтр, включенный по мостовой схеме, также выдерживающий рабочее давление до 250 бар. Реверсивный фильтр также целесообразно располагать между реверсивным насосом и пневмогидроаккумулятором.
Датчик давления в рабочей полости и датчик давления масла в пневмогидроакуумуляторе используются для контроля параметров работы гидросистемы и скважинного штангового насоса.
Датчик давления газа в пневмогидроаккумуляторе позволяет контролировать давление газа (азота) в пневмогидроаккумуляторе.
На фиг. показана принципиальная схема электронно-гидравлического устройства для добычи нефти скважинным штанговым насосом.
Согласно рисункам принципиальная схема заявляемого устройства состоит из гидроцилиндра (1), регулируемого реверсивного насоса с наклонной шайбой (2), привода насоса (3), пневмогидроаккумулятора (4) и системы управления (5). Устройство дополнительно содержит реверсивный фильтр (6) и маслоохладитель высокого давления (7) в линии пневмогидроаккумулятора (4). Гидравлический контур, в котором происходит циркуляция масла, замкнут, то есть не имеет сообщения с атмосферой и из гидравлических полостей насоса, гидроцилиндра и пневмогидроаккумулятора отсутствует утечка жидкости на иное потребление. В конструкции гидроцилиндра (1) над штоком расположен датчик перемещения штока (8). Кроме того, в системе дополнительно установлены электронные датчики, соединенные с электронной системой управления (5) - промышленным контроллером (персональной ЭВМ): датчик давления в рабочей полости гидроцилиндра (9) и датчики давления масла (10) и газа (11) в пневмогидроаккумуляторе (10). Датчики давления (9) и (10) используются для контроля параметров работы гидросистемы и скважинного штангового насоса. Давление газа в пневмогидроаккумуляторе контролируется датчиком (11).
Работает заявляемое устройство следующим образом. Привод насоса (3) потребляет энергию, например из электросети, и преобразует ее в крутящий момент на валу насоса (2). В исходном положении качающий узел насоса (2) находится в нейтральном положении и насос (2) не подает рабочую жидкость (масло) в гидросистему. При подаче сигнала управления от системы управления (5) на насос (2) качающий узел наклоняется относительно оси вращения в заданную сторону, и масло подается в рабочую полость гидроцилиндра (1). Поршень и шток гидроцилиндра приходят в движение и тянут вверх шток штангового скважинного насоса, преодолевая силу веса штанг и скважинной жидкости, а также силу трения штанг о стенки скважины. При достижении заданного верхнего положения штока, определяемого датчиком (8), система управления (5) возвращает качающий узел насоса (2) в нейтральное положение и затем меняет направление наклона качающего узла насоса (2) на противоположное. Рабочая жидкость (масло) начинает перекачиваться насосом (2) из рабочей полости гидроцилиндра (1) в рабочую полость пневмогидроаккумулятора (4). Поршень и шток гидроцилиндра приходят в движение вниз и позволяют опускаться штоку штангового скважинного насоса, преодолевая силу трения штанг о стенки скважины и давление рабочей жидкости, создаваемое сжатым газом в пневмогидроаккумуляторе (4). При этом сила веса штанг и скважинной жидкости передается на поршень гидроцилиндра (1) и создает в нем давление, способствующее закачиванию рабочей жидкости (масла) в пневмогидроаккумулятор (4). Таким образом, энергия, потребляемая насосом (2) и приводом насоса (3) при зарядке пневмокидроаккумулятора (4), уменьшается на величину энергии, ранее запасенной в поднятой колонне штанг и скважинной жидкости. Однако одного этого давления не достаточно для зарядки пневмогидроаккумулятора (4) до рабочего давления, требуемого для подъема штанг, поскольку при опускании из силы веса штанг и столба скважинной жидкости вычитается сила трения штанг в скважине, которая составляет в правильно сконструированном скважинном оборудовании от 60% до 80% от сил веса. Необходимую дополнительную энергию устройство потребляет извне, например, из электросети, через приводной двигатель (5) и насос (2). При этом давление насоса (2) складывается с давлением в гидроцилиндре (1) и равняется давлению в пневмогидроаккумуляторе (4). Давление рабочей жидкости (масла) в пневмогидроаккумуляторе (4) определяется давлением газа (азота) в его газовой полости. Оно задается при зарядке пневмогидроаккумулятора от внешнего источника газа высокого давления (баллона) перед пуском устройства в эксплуатацию на данной скважине и корректируется в процессе эксплуатации при изменении максимального усилия на штоке скважинного насоса. При достижении нижнего положения штока, определяемого датчиком (8) система управления (5) снова возвращает качающийся узел насоса (2) в нейтральное положение. Далее цикл повторяется. Дополнительно потребленная при опускании штанг энергия, запасенная в пневмогидроаккумуляторе (4), возвращается в гидроцилиндр (1) при подъеме штанг за счет суммирования давления и потоков масла от пневмогидроаккумулятора (4) и насоса (2). Этим обеспечивается динамическое балансирование привода и равномерное потребление мощности из электросети.
В конкретном примере исполнения устройств применен регулируемый реверсивный по потоку насос с внешним электронным управлением типа 416 производства ОАО «Пневмостроймашина», со встроенными предохранительными клапанами и вспомогательным насосом для внутреннего гидравлического усилителя в системе электронного управления качающим узлом. В качестве привода насоса использован асинхронный электродвигатель мощностью 30 КВт, применен гидроцилиндр с максимальным усилием 8 тонн и ходом штока 3,5 м с бесконтактным магнитострикционным датчиком перемещения GEFRUN МК4А, управляющая система на основе серийного промышленного контроллера IFM, электронные датчики (преобразователи) давления СДВ-И-40,0-4-20 мА.
Заявляемое техническое решение устраняет все недостатки, имеющиеся в аналогах и, кроме того, является простым в применении и производстве.