ПРИВОД СТАНКА-КАЧАЛКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ИЗ МАЛОДЕБИТНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к оборудованию для эксплуатации нефтяных скважин, в частности, к электромеханическим преобразователям, и может быть использована на станках-качалках для оптимизации технологического режима добычи нефти из малодебитных скважин. Техническим результатом использования полезной модели является обеспечение непрерывного оптимального режима отбора нефти из малодебитных скважин, снижение мощности и повышение КПД привода, повышение долговечности работы станка-качалки.
Известна конструкция станка-качалки для отбора нефти из малодебитных скважин ((В.П.Казанцев, А.М.Костыгов, А.Д.Коротаев, П.Н.Цылев. Регулируемый электропривод станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Эл. машины и электромагн. системы. Межвуз. Сб. научных трудов. Пермь, ПГТУ, 1995, с.191.), в которой преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателем постоянного тока или трехфазным асинхронным двигателем (В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев В.И., А.А.Сабиров и др. Скважинные насосные установки для добычи нефти. М., ГУП, изд-во «Нефть и газ», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2002, с.824.). Непрерывный режим отбора нефти достигается использованием регуляторов электрических параметров преобразователей энергии, в качестве которых в первом случае применен управляемый выпрямитель, а во втором используется преобразователь частоты.
Недостатками применения таких регуляторов электрических параметров электромеханических преобразователей является то, что для обеспечения непрерывного отбора нефти из малодебитных скважин существенно повышается стоимость станка-качалки, снижается надежность его работы, ведущая к росту эксплуатационных затрат.
Известна конструкция станка-качалки для отбора нефти из малодебитных скважин (Патент РФ №2229622, кл. Е 21 В 43/00, F 04 B 47/02, «Многоскоростной биротативный привод станка-качалки со ступенчатым регулированием скорости»), в качестве электромеханического преобразователя в котором используется трехфазный асинхронный электродвигатель. Непрерывный режим отбора нефти в данном случае достигается устройством регулирования механических параметров асинхронного двигателя, выполненным в виде блока биротативных двигателей, содержащего общий статор с двумя трехфазными обмотками и двумя роторами, вал одного из которых соединен с асинхронным электродвигателем, а вал другого- с нагрузкой, при этом муфта снабжена фрикционным тормозом, приводимым в действие электромагнитом.
Недостатками станка-качалки с таким электромеханическим преобразователем являются сложность конструкции устройства управления его механическими параметрами, высокая стоимость, низкая надежность, повышенные энергозатраты.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция станка-качалки (А.Г.Молчанов, В.Л.Чичеров. Нефтепромысловые машины и механизмы. Изд. 2-е, М., «Недра», 1983, с.308.), содержащая электромеханический преобразователь, клиноременную передачу, редуктор и кривошипно-шатунный механизм, соединенный с канатной подвеской устьевого штока посредством балансира или траверсы. В качестве электромеханического преобразователя используется асинхронный электродвигатель, содержащий неподвижный статор, шихтованный магнитопровод которого выполнен в виде полого цилиндра с
пазами на внутренней поверхности, в которых размещена трехфазная обмотка, и цилиндрический ротор, установленный внутри статора с равномерным воздушным зазором, поддерживаемым посредством подшипниковых узлов.
Недостатком данной установки является то, что при отборе нефти из малодебитных скважин, количество которых непрерывно возрастает, из-за высокой частоты вращения вала ротора (1500, 1000, 750 об/мин.), скважины эксплуатируются в циклическом режиме, что существенно снижает их эффективность, а в ряде случаев, ухудшает качественные показатели добываемой жидкости (например, увеличивает процент обводненности). Кроме того, из-за высокой частоты вращения ротора для получения необходимого крутящего момента на выходном валу редуктора приходится завышать мощность электромеханического преобразователя, при этом масса ротора обуславливает однонаправленную нагрузку на подшипники, в которых вращается вал ротора, что приводит к их преждевременному износу и снижению надежности работы электромеханического преобразователя и станка-качалки.
Целью создания данной полезной модели является достижение нового технического результата, выражающегося в снижении числа качаний штанги станка-качалки при обеспечении непрерывного режима отбора нефти из малодебитных скважин, снижение мощности электромеханического преобразователя, повышение КПД, надежности и долговечности станка-качалки.
Поставленная цель достигается тем, что обеспечение требуемого числа качаний штанги станка-качалки при оптимальном непрерывного режиме отбора нефти производится за счет снижения частоты вращения привода благодаря тому, что неподвижная часть асинхронного двигателя выполнена в виде двух дугообразных сегментов с пазами на внутренней поверхности и размещенной в пазах 3-х фазной обмоткой с определенной величиной
полюсного деления, при этом параметры дугообразных сегментов магнитопровода статора электромеханического преобразователя, установленных над ротором, зависят от расчетного заданного, требуемого для данной скважины, числа качаний штанги станка-качалки и определяются расчетным путем.
Техническим результатом использования предлагаемой полезной модели является обеспечение непрерывного оптимального режима добычи нефти штанговыми глубинными насосами из малодебитных скважин, повышение КПД привода станка-качалки, существенное снижение мощности электромеханического преобразователя установки, снижение нагрузки на подшипники, повышение их долговечности и, следовательно, увеличение срока службы станка-качалки.
На фиг.1 представлена схема привода станка-качалки для добычи нефти из малодебитных скважин;
На фиг.2 - представлен дугообразный сегмент магнитопровода статора;
На Фиг.1 схематично представлен привод станка-качалки. В корпусе 1 статора установлены дугообразные сегменты магнитопровода 2, соосно которым с воздушным зазором установлен ротор, вариантом исполнения которого является конструкция, включающая стальной обод 3, ступицу 4 со спицами, в центральном отверстии которой установлен вал 5, закрепленный в двух подшипниковых щитах, жестко связанных с основанием.
СР
С внутренней стороны магнитопровода 2 имеются пазы, в которых размещены проводники трехфазной обмотки 7. Размеры дугообразного сегмента магнитопровода 2 показаны на Фиг.2 - центральный угол α/2, средний радиус R, ширина b и высота h определяются расчетным путем.
Технологическим вариантом исполнения ротора двигателя привода станка-качалки является конструкция, в которой обод 3 выполнен шихтованным из электротехнической стали и имеет на поверхности,
обращенной к магнитопроводу 2, пазы, в которых размещается короткозамкнутая обмотка.
Другим технологическим вариантом исполнения ротора привода станка-качалки является конструкция, когда обод 3 с пазами на наружной поверхности и ступицу 4 со спицами изготавливают из сплошной стали, а в пазы укладывают короткозамкнутую обмотку.
Один из концов вала 5 выполнен выступающим за пределы подшипникового щита. На него одевают шкив с канавками для ремней клиноременной передачи, посредством которой, а также системы передач, осуществляется привод штанги станка-качалки.
Работа привода станка-качалки для добычи нефти из малодебитных скважин осуществляется следующим образом. При подключении обмотки 7 к питающей сети трехфазного синусоидального напряжения частотой 50 Гц, в воздушном зазоре между сегментарным дугообразным магнитопроводом 2 и стальным ободом 3 ротора возникает бегущее магнитное поле, которое создает в короткозамкнутой обмотке ротора электродвижущую силу и электрический ток. Электрический ток, проходящий по обмотке ротора, вступает во взаимодействие с бегущим магнитным полем, в результате чего на обод 3 будут действовать электромагнитные силы, под действием которых ротор приходит во вращение. Вращение вала 5 ротора, посредством ремней клиноременной передачи, редуктора, кривошипно-шатуного механизма и балансира, преобразуется в возвратно-поступательное движение штанги станка-качалки.
СР
Непрерывный режим работы станка-качалки обеспечивают тем, что размеры магнитопровода 2 дугостаторного двигателя, имеющего форму двух одинаковых дугообразных сегментов (Фиг.2), а именно: центральный угол двух магнитопроводов α, средний радиус R (м), ширину b (м) и высоту h (м), рассчитывают в зависимости от наибольшей допустимой нагрузки на
устьевой шток штанги, длины хода устьевого штока, коэффициента передачи редуктора, коэффициента клиноременной передачи, удельного усилия с единицы поверхности дуги статора дугообразного магнитопровода, частоты питающего напряжения, скольжения, полюсного деления обмотки, коэффициента, учитывающего неравномерность распределения магнитного поля по ширине дуги, коэффициента полезного действия кинематической цепи, и определяют по формулам:
где F - наибольшая допускаемая нагрузка на устьевой шток, Н
l - длина хода устьевого штока, м
-1
n - количество качаний, мин
P
k - коэффициент передачи редуктора, о.е.
k
k - коэффициент клиноременной передачи, о.е.
y
2
F - удельное усилие с единицы поверхности дуги, н/м
f - частота питающего напряжения, Гц
S - скольжение, о.е.
τ - полюсное деление обмотки, м
n
k - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения магнитного поля по ширине дуги, о.е.
м
η - коэффициент полезного действия кинематической цепи, о.е.
Примеры:
Исходные данные:
Тип станка-качалки
СК4-2,1-1600
СК8-3,5-5600
Наибольшая допустимая нагрузка на устьевой шток, кН
40
80
Наибольший допускаемый крутящий момент на ведомом валу редуктора, к Нм
16
56
Номинальная длина хода устьевого штока, м
2,1
3,5
Полюсное деление обмотки, м
0,055
0,1
Частота вращения вала электромеханического преобразователя, об/мин
120
180
Коэффициент клиноременной передачи, о.е.
3
3
Коэффициент передачи редуктора, о.е.
40
40
Скольжение, о.е.
0,1
0,1
Число качаний балансира, мин <sup>-1</sup>
1,0
1,5
Частота напряжения, Гц
50
50
Коэффициент полезного действия кинематической цепи, о.е.
0,95
0,95
Мощность на валу дугостаторного электромеханического преобразователя, кВт
1,764
9,259
Расчетные данные:
Центральный угол дуги, град
93,62
116,9
Средний радиус дуги, м
0,394
0,477
Ширина дуги, м
0,154
0,280
Высота дуги, м
0,0745
0,0973
Привод станка-качалки с дугостаторным двигателем при добыче нефти из малодебитных скважин, в котором магнитопровод выполнен в форме дугообразных сегментов с геометрическими размерами, определяемыми по предлагаемым формулам, и размещение в пазах трехфазной обмотки с полюсным делением т позволяет получить 50-450 об/мин ротора дугостаторного двигателя, что обеспечивает 0,3-4,5 качаний штанги станков-качалок, выпускаемых промышленностью. Использование предлагаемых формул дает возможность для каждой низкодебитной скважины рассчитать параметры дугового магнитопровода статора, при которых будет обеспечен оптимальный непрерывный режим добычи нефти из малодебитных скважин, что позволит увеличить объем и снизить процент обводненности добытой нефти.
Так, например, образец дугостаторного электропривода смонтирован на Кокуйском нефтяном месторождении ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» на станке-качалке СК-8. Основным элементом испытуемого электроприводя является электромеханический преобразователь с дугостаторным асинхронным двигателем ДАД-88-400, имеющий число фаз-3, номинальную частоту вращения ротора 60 об/мин, номинальную мощность 1,5 кВт. В рабочем режиме экспериментальный образец обеспечил плавный разгон станка-качалки до 0,35 качаний/минуту, а ротор в установившемся режиме совершал 63 об/мин.
Электромеханический преобразователь с магнитопроводом статора в форме дугообразных сегментов характеризуется низкой частотой вращения вала ротора. Это позволяет получить необходимый крутящий момент на ведомом валу редуктора при меньшей исходной мощности электромеханического преобразователя, что способствует снижению энергозатрат и стоимости электромеханического преобразователя.
Со стороны дугообразных сегментов магнитопровода на ротор действуют силы магнитного тяжения. При установке магнитопровода над ротором результирующая этих сил направлена вертикально вверх, т.е. противоположно силам тяжести самого ротора. Это приводит к разгрузке подшипников, в которых вращается вал ротора, увеличению срока их службы и надежности работы станка-качалки.
Для регулирования режимов работы станка-качалки создается несколько комплектов дугообразных сегментов магнитопровода статора, причем все они имеют одинаковые геометрические размеры и являются взаимозаменяемыми, но отличаются друг от друга только величиной полюсного деления обмотки статора.
Кроме того, регулирование режимов добычи может быть достигнуто за счет смены шкивов на валу ротора дугостаторного двигателя.
Таким образом, все элементы конструкции электромеханического преобразователя дугостаторного привода, включая ротор, подшипниковые узлы, корпус статора, кроме дугообразных сегментов магнитопровода статора, отличающихся только параметрами обмоток, будут одинаковыми на всех низкодебитных скважинах, что упрощает и удешевляет изготовление элементов механического преобрахователя и использование дуг статора, что приводит к унификации оборудования при добыче нефти из малодебитных скважин. Следовательно, использование привода станка-качалки с дугостаторным двигателем при добыче нефти из малодебитных скважин, в конструкцию которого входит магнитопровод статора в форме дуги, характеризуется простотой и технологичностью конструкции, высокой надежностью в эксплуатации и малой стоимостью, и может быть применен в балансирных и безбалансирных станках-качалках с количеством двойных ходов насосных штанг в минуту не более пяти.