СТАНОК-КАЧАЛКА
PUMPING UNIT

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.
Станок-качалка применяется для механизированного способа добычи нефти установками скважинного ШГН (штангового глубинного насоса), который является самым распространенным способом эксплуатации скважин, как в России, так и в других нефтедобывающих странах мира.
Известно устройство - СК (станок-качалка), который представляет собой преобразующий КШМ (кривошипно-шатунный механизм) с трансмиссией и двигателем, смонтированными на раме. СК - это индивидуальный наземный механический привод через колонну штанг передающий возвратно-поступательное движение плунжеру ШГН. (1. Бухаленко Е.И. и др. Нефтепромысловое оборудование: Справочник / Под ред. Е.И. Бухаленко.- М.: Недра, 1990. - 559 с. 2. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 510 с.).
Известно, что СК могут быть балансирные и безбалансирные. Безбалансирные СК, в которых 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 СК уравновешиваются с помощью противовесов, укрепляемых на кривошипе. Однако они не нашли широкого распространения. Разработаны гидравлические качалки, 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 (2. с.388). Однако длинноходные цилиндры сложно изготовить.
Балансирный СК имеет КШМ, состоящий из балансира, установленного на стойке, шатунов, кривошипов и обеспечивает преобразование вращательного движения кривошипов в возвратно-поступательное движение головки балансира. Балансир на переднем плече имеет головку, к которой через канатную подвеску закрепляется колонна штанг. Заднее плечо посредством траверсы, через опору траверсы двумя шатунами соединено с кривошипами, на которых закреплены противовесы - контргрузы. Кривошипы закреплены на тихоходном валу редуктора. Для уменьшения инерционных нагрузок на балансир, возникающих при неравномерном движении контргруза, необходимо уравновешивание. Уравновешивание СК можно обеспечить размещением необходимого контргруза либо на заднем плече балансира, либо на кривошипе. В соответствии с этим различают балансирное (как правило, для СК малой грузоподъемности), кривошипное (для СК большой грузоподъемности) и комбинированное уравновешивание (2. с.391). Существуют балансирные СК с гидропневматическим и пневматическим уравновешиванием, они сложнее в изготовлении, дороже и, несмотря на некоторое уменьшение габаритных размеров, более металлоемки. Трансмиссия СК состоит из редуктора и клиноременной передачи. Для привода применяют, как правило, электродвигатель, возможно использование ДВС (двигателя внутреннего сгорания).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является балансирный СК (1. с.54, рис.2.2; 2. с.386, рис.Х.9).
Известно, что такой балансирный СК состоит из рамы, на которой смонтирована стойка с балансиром и его опорой, поворотная головка переднего конца балансира канатной подвеской соединяется с колонной штанг насоса. Задний конец балансира через траверсу и шатуны соединен с кривошипами, оснащенными противовесами. Кривошипы получают привод от редуктора, который клиноременной передачей связан с электродвигателем. Такое устройство хорошо работает при добыче нефти установками штангового скважинного насоса.
Однако применяемые в настоящее время балансирные СК имеют сложное устройство, большие габариты и массу, требуют значительные затраты на монтаж и эксплуатацию. Например, масса СК может достигать почти 35 тонн, а габаритные размеры: длина - 13,2 м, ширина - 3,1 м, высота - 11,5 м (2. с.387, таблица Х.5) для СК15-6-12500, где 15 - грузоподъемность СК в тоннах, 6 - максимальный ход в метрах и 12500 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кГм (2. с.385). Высота - 11,5 м почти в два раза больше хода - 6 м. Габариты и масса СК увеличены из-за того, что ось балансира расположена на значительном расстоянии от центра скважины. Монтаж СК начинается с подготовки и планировки площадки и рытья котлована под фундамент, который состоит из двух частей: подземной и наземной. Фундаменты могут быть монолитными (бутобетонными или железобетонными), сборными железобетонными и металлическими. Большие проблемы возникают из-за неуравновешенности работы устройства при подъеме и спуске колонны штанг, вызывающие колебания внутрицикловой нагрузки на двигатель, что приводит к необходимости повышения его мощности и затрат энергии. Клиноременная передача ограничивает эксплуатационные возможности СК, так как имеет небольшой диапазон передаточных чисел (отношение передаточного числа низшей передачи к высшей), невысокую долговечность, необходимость систематической регулировки натяжения ремней. Эксплуатационные характеристики каждой модели СК ограничены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение состоит в снижении затрат на изготовление и эксплуатацию СК, расширение эксплуатационных характеристик за счет упрощения и совершенствования его конструкции, приводящей к существенному снижению габаритов и массы СК.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что станок - качалка содержит раму, противовесы, двигатель, при этом в верхней части рамы установлен редуктор, состоящий из простого трехзвенного планетарного механизма, имеющего солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпициклическое колесо, и трехвальной соосной двухступенчатой коробки передач, соединительная муфта закреплена на валу двигателя и входном валу коробки передач, на входном валу коробки передач закреплены солнечная шестерня и шестерня привода промежуточного вала, на котором закреплены три шестерни, между шестернями входного вала установлен трубчатый выходной вал, на котором закреплено водило с сателлитами и свободно расположены две шестерни, между которыми установлена муфта переключения с вилкой и рычагом с датчиками переключения, на выходном валу редуктора закреплены эпициклическое колесо и шестерня привода зубчатой рейки, нижний конец зубчатой рейки соединен с колонной штанг глубинного насоса и через шкив гибкой связью с противовесами, на концах зубчатой рейки закреплены концевые переключатели.
Предлагаемое техническое решение существенно снижает габариты и массу станка-качалки за счет меньшей массы и высоты рамы, замены сложного, громоздкого привода, расположенного на расстоянии от центра на установленный над центром скважины, перемещение колонны штанг ШГН обеспечивается компактным зубчато-реечным механизмом с приводом от редуктора, состоящего из простого трехзвенного ПМ (планетарного механизма) и двухступенчатой КП (коробки передач). Работа ПМ в суммирующем режиме с постоянным приводом на солнечную шестерню, переключаемым приводом на водило с сателлитами и выходом на эпициклическое колесо обеспечивает высокое передаточное число привода и легкое переключение реверса при близких значениях величин передаточных чисел переключаемых пар шестерен. Телескопический механизм малой металлоемкости позволяет в широких пределах изменять ход плунжера насоса за счет применения различного числа и размеров звеньев телескопа.
На фиг.1 приведена принципиальная схема одной из возможных компоновок СК в приводе ШГН, показан вид сбоку на СК в промежуточном положении плунжера. Соединительная муфта закреплена на валу двигателя и входном валу трехвальной соосной КП, противовесы гибкой связью через шкив соединены с нижним концом зубчатой рейки (пунктирная линия по оси зубчатой рейки).
На фиг.2 показан вариант компоновки СК с несоосной КП, гибкой связью (например, клиноременная или цепная передача) между валом двигателя и входным валом КП, противовесы гибкой связью (например, тросом) соединены с барабаном, который закреплен на выходном валу редуктора.
На фиг.3 приведена схема СК с телескопическим механизмом, увеличивающим ход штока плунжера. На фиг.3, а показан вид спереди - две зубчатые рейки расположены рядом со штоком плунжера ШГН, (противовесы на балансирах не показаны), а на фиг.3, 6 - вид сбоку при максимально выдвинутом положении штока плунжера ШГН.
Над устьем скважины 1 (см. фиг.1) со штоком 2 плунжера ШГН расположена пространственная рама 3 (элементы усиления и ограждения не показаны). Зубчатая рейка 4 установлена в направляющих 5 рамы 3, нижний конец зубчатой рейки 4 соединен со штоком 2 плунжера ШГН. В верхней части рамы 3 смонтированы двигатель 6 (например, электродвигатель) и редуктор 7, который состоит из простого трехзвенного ПМ 8 и трехвальной сосной двухступенчатой КП 9. ПМ 8 состоит из солнечной шестерни 10, водила 11 с сателлитами 12 и эпициклического колеса 13. Сателлиты 12 зацеплены с солнечной шестерней 10 и эпициклическим колесом 13, которое закреплено на выходном валу 14 редуктора 7, на валу 14 также закреплена шестерня привода зубчатой рейки 15, которая зацеплена с зубчатой рейкой 4. КП 9 состоит из входного вала 16 привода солнечной шестерни 10, на этом валу также закреплена шестерня 17 привода промежуточного вала 18, на котором закреплены шестерни 19-21. Шестерня 17 зацеплена с шестерней 19. На входном валу 16 между шестернями 10 и 17 расположен трубчатый выходной вал 22, на котором свободно установлены шестерни 23 и 24, зацепленные соответственно с шестернями 20 и 21 промежуточного вала 18. На трубчатом выходном валу 22 закреплено водило 11 с сателлитами 12. Между шестернями 23 и 24 на выходном валу 22 закреплен зубчатый венец 25 с муфтой переключения 26. Муфта 26 взаимодействует с вилкой переключения 27, рычагами 28 и датчиками переключения 29. Концевые выключатели 30 установлены на концах зубчатой рейки 4. Соединительная муфта 31 закреплена на валу двигателя 6 и входном валу 16 КП 9. Нижний конец зубчатой рейки 4 гибкой связью 32, например, тросом (пунктирная линия на фиг.1) через шкив 33 соединен с противовесами 34, под которыми расположено эластичное основание 35.
Фиг.2 отличается от фиг.1 тем, что КП 36 несоосная - входной вал 37 расположен параллельно валу 38 привода солнечной шестерни 10; барабан 39 гибкой связи 32 с противовесами 34 закреплен на выходном валу 14 редуктора 7; гибкая связь 40, например, клиноременная или цепная передача, расположена между валом двигателя 6 и входным валом 37 КП 36.
Противовесы 34 на гибкой связи 32 могут быть установлены как на фиг.1, так и на фиг.2 или с помощью шкива 33, или с барабаном 39.
Два телескопических механизма (см. фиг.3), состоящие из длинных двуплечих звеньев 41, соединенных осями опор качания 42 в средней части и осями опор качания 43 в наконечниках, расположены над двумя двусторонними зубчатыми рейками 4. Балансиры 44 установлены на опорах качания 45, закрепленных на раме 3. Они соединены с осями опор качания 43 наконечников нижних длинных двуплечих звеньев 41. На длинных плечах балансиров 44 закреплены противовесы 46. Верхние длинные двуплечие звенья 41 осями опор качания 43 соединены с короткими звеньями 47, которые осями опор качания 43 в верхней части взаимодействуют с длинной осью 48 коротких звеньев 47 телескопического механизма. К длинной оси 48 закреплен шток 2 плунжера ШГН.
Предлагаемый СК - привод ШГН работает следующим образом. Шток 2 колонны штанг ШГН крепится к зубчатой рейке 4 (см. фиг.1 и 2) или к длинной оси 48 коротких звеньев 47 телескопического механизма (см. фиг.3) в т.А над центром устья скважины 1. Крутящий момент от двигателя 6 передается на входной вал 16 КП 9 привода солнечной шестерни 10 соединительной муфтой 31 (см. фиг.1) или на входной вал 37 гибкой связью, например, клиноременной или цепной передачей 40 (см. фиг.2 и 3).
Простой трехзвенный ПМ может обеспечить 10 различных режимов работы: семь в редукторном режиме, когда одно из звеньев остановлено относительно корпуса, и три в суммирующем режиме, когда крутящий момент подается на два звена и снимается с третьего.
В ПМ 8 реализован вариант, когда крутящий момент подается с постоянной частотой вращения на солнечную шестерню 10 «а» от вала 16 (см. фиг.1) или от входного вала 37, по паре шестерен 19-17 и по валу 38 (см. фиг.2), с переключаемой - на водило 11 «h» и сателлиты 12, от входного вала 16, по паре шестерен 17-19 на промежуточный вал 18 (см. фиг.1), на фиг.2 от входного вала 37, далее или по паре шестерен 20-23 или 21-24, муфтой 26 крутящий момент передается на трубчатый выходной вал 28 и водило 11 «h». Результирующий момент снимается с эпициклического колеса 13 «b», далее выходным валом 14 редуктора 7 на шестерню 15 привода зубчатой рейки 4.
Кинематика ПМ в этом режиме описывается формулой
где u - передаточное число, индекс вверху указывает на остановленное звено ПМ - «h» водило, индексы внизу «ba» - звенья входа «b» (эпициклическое колесо) и выхода потока мощности «а» (солнечная шестерня).
b
a
К=Z/Z - внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни. (См. Планетарные передачи. Справочник / Под ред. В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшова. - Л.: Машиностроение, 1972. - 560 с.).
b
a
h
a
h
a
b
h
b
a
h
Можно получить передаточное число ПМ равное бесконечности при n=0. В этом случае n/к=n(к+1)/к. Если принять к=2, как у несимметричных дифференциалов, применяемых в РК (раздаточных коробках) отечественных автомобилей УРАЛ-4320, КамАЗ-5410, то получим 0,5n=1,5n или n=(к+1)n=3n. Чтобы получить условную блокировку дифференциала - вращение всех трех звеньев ПМ с одинаковой частотой, надо обеспечить условие n=n/3. Величина передаточного числа к водилу должна равняться u=3. При незначительных изменениях от этого числа получим высокие значения величин передаточных чисел ПМ.
a
h
Если на входе в ПМ частота вращения солнечной шестерни n=1000 об/мин и u=2,9; то на выходе получим:
b
a
h
пм
n=-n/к+n(к+1)/к=-1000/2,9+(1000/2,9)1,5=17,2 об/мин; u=1000/17,2=58,1.
h
h
При u=2,95; n=-1000/2,95+(1000/2,95)1,5=8,5 об/мин;
пм
u=1000/8,5=118.
h
b
При u=3,05; n=-1000/3,05+(1000/3,05)1,5=-8,2 об/мин;
пм
u=1000/-8,2=-122. Знак «-» указывает на изменение направления вращения выходного звена ПМ.
h
h
При u=3,1; n=-1000/3,1+(1000/3,1)1,5=-16,1 об/мин;
пм
u=1000/-16,1=-62.
При интервале передаточных чисел q=3,05/2,95=1,034 получаем хорошие условия для переключения передач, шестерни 23 и 24 выходного вала и муфты переключения 26 вращаются практически с одинаковой частотой, обеспечивая реверс и высокие значения передаточных чисел ПМ - более 100. Увеличение интервала, например, до q=3,1/2,9=1,07 снижает значения передаточных чисел ПМ практически вдвое.
Варьируя значениями величин передаточных чисел в парах шестерен 20-23 и 21-24, можно получить различные частоты вращения выходного вала 14 редуктора 7 и скорости движения зубчатой рейки 4, колонны штанг 2 и плунжера ШГН.
Такт нагнетания в ШГН при движении плунжера, колонны штанг 2 и зубчатой рейки 4 вверх обеспечивается при перемещении муфты переключения 26 влево и замыкании шестерни 24 на зубчатый венец 25. Крутящий момент (см. фиг.1) от двигателя 6 соединительной муфтой 31 передается на входной вал 16 КП 9 и по валу 16 на солнечную шестерню 10, а также парой шестерен 17-19 на промежуточный вал 18, парой шестерен 21-24, муфтой переключения 26 на зубчатый венец 25 и трубчатый выходной вал 22, далее на водило 11 и сателлиты 12 ПМ, усилия суммируются на эпициклическом колесе 13 и с замедленной частотой вращение передается на выходной вал 14 редуктора 7 и шестерню 15, зацепленную с зубчатой рейкой 4 - вращение шестерни 15 преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки 4, которая по направляющим 5 пространственной рамы 3 перемещается вверх. Противовесы 34 через шкив 33 гибкой связью 32, закрепленной к нижнему концу зубчатой рейки 4, облегчают условия перемещения колонны штанг 2 вверх. На заключительном этапе перемещения зубчатой рейки 4 нижний концевой выключатель 30 наклонной поверхностью передвигает вправо нижний датчик 29, рычагом 28 вилка 27 смещает муфту переключения 26 с шестерни 24 на шестерню 23, при этом выключает из работы пару шестерен 21-24 и включает пару шестерен 20-23. Противовесы 34 опираются на эластичное основание 35.
Частота вращения водила 11, направление вращения эпициклического колеса 13, выходного вала 14 и шестерни 15 изменяются - зубчатая рейка 4 и колонна штанг 2 с плунжером перемещаются вниз, обеспечивая такт заполнения насоса жидкостью. Вес колонны штанг 2 и перекачиваемой ШГН жидкости способствует этому перемещению, при этом гибкая связь 32 через шкив 33 перемещает противовесы 32 вверх. На заключительном этапе перемещения зубчатой рейки 4 верхний концевой выключатель 30 наклонной поверхностью передвигает влево верхний датчик 29, рычагом 28 вилка 27 смещает муфту переключения 26 с шестерни 23 на шестерню 24, при этом выключает из работы пару шестерен 20-23 и включает пару шестерен 21-24, что вызывает изменение направления движения зубчатой рейки 4.
На фиг.2 равномерная нагрузка на двигатель 6 обеспечивается противовесами 34, которые гибкой связью 32 через барабан 39 и выходной вал 14 нагружают шестерню 15 и зубчатую рейку 4, крутящий момент на солнечную шестерню 10 поступает от входного вала 37 по паре шестерен 19-17, а на водило 11 аналогично фиг.1, на входной вал 37 крутящий момент поступает от двигателя 6 по клиноременной передаче, которая также защищает привод от перегрузок за счет пробуксовки ремней, на фиг.1 защита от перегрузки обеспечивается соединительной муфтой 31.
Скорость движения плунжера насоса можно варьировать, изменяя размеры шестерен в редукторе 7 и шестерни 15 выходного вала 14.
Для существенного увеличения хода плунжера 2 можно применить два телескопических механизма (см. фиг.3). Две зубчатые рейки 4 взаимодействуют с осями 42 опор качания середины длинных двуплечих звеньев 41, расположенными над балансирами 44 телескопического механизма. Величина перемещения зубчатой рейки 4 умножается на число секций телескопического механизма - четыре секции на фиг.3. Если ход реек 4 составит 2 м, то т.А на длинной оси 48 коротких звеньев 47 телескопического механизма вместе с плунжером 2 ШГН переместится на 8 м.
Кинематика коротких плеч балансиров 44, двуплечих звеньев 41 и коротких звеньев 47 телескопического механизма, соединенных осями с опорами качания 42, 43 и 45, обеспечивает вертикальное перемещение т.А и колонны штанг скважинного насоса. Устойчивость телескопической системы обеспечивается как правильной кинематикой перемещений, так и ограничением хода каждой секции звеньев телескопического механизма, а также возможным контактом противовесов 46 с опорной поверхностью в крайнем положении. Противовесы 46, расположенные на длинных плечах балансиров 44, частично уравновешивают вес колонны штанг 2 скважинного насоса. Уравновешивание может быть достигнуто как изменением массы противовесов 46, так и изменением величины длинного плеча балансиров 44, например, перемещением противовеса 46 по резьбе балансира 44 (на фиг.3 не показана).