ГРУППОВОЙ ПРИВОД ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ КУСТА СКВАЖИН (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
GROUP DRIVE OF OIL-WELL PUMPS OF WELL CLUSTER (VERSIONS), AND METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области скважинной добычи жидких полезных ископаемых, в том числе нефти, и, в частности, к штанговым скважинным насосным установкам.
Известный ранее групповой привод штанговых скважинных насосов (Михайлов К.Ф., Юдолович М.Я. Монтаж и ремонт нефтепромыслового оборудования - М.: Гостоптехиздат, 1956, стр.303-309, фиг.177-179) включал силовую часть, состоящую из электродвигателя, ременной и открытой зубчатой конической передач с вертикальной геометрической осью вращения ведомого конического зубчатого колеса, ориентируемого в пространстве с помощью опорных роликов и оснащенного закрепленными на его ступице с большим эксцентриситетом относительно геометрической оси вращения колеса вертикальными осями и установленными с возможностью свободного вращения на этих осях плоскими дисковыми головками (бугелями) с шарнирно закрепленными по их периферии петлями присоединения передаточных элементов - полевых тяг; комплекса неприводных станков-качалок в количестве от 2 до 24, располагавшихся непосредственно у устьев скважин зачастую на весьма значительном расстоянии от силовой части; системы полевых тяг, прикрепленных одним концом к петле бугеля силовой части, другим - к нижнему концу вертикально расположенного приводного плеча балансира станка-качалки и располагавшихся на малой высоте над земной поверхностью, дополненной поддерживающими и отклоняющими устройствами.
В связи с недостатками, в числе которых были высокая энергоемкость работы и низкий к.п.д.; невозможность качественного уравновешивания; загромождение прискважинной технологической площадки промысла передаточными, поддерживающими и отклоняющими устройствами; низкая надежность и весьма непродолжительный межремонтный период работы; ограниченная применимость только для скважин малой глубины, групповой привод такого типа в настоящее время не имеет применения.
Известен групповой привод штанговых скважинных насосов (авт. свид. СССР №1206479, кл. F04В 47/02), включающий связанную с выходным валом редуктора зубчатую передачу с передаточным числом, равным единице, состоящую из двух одинаковых зубчатых колес, каждое из которых оснащено кривошипом; установленный на опорной конструкции над редуктором канатный барабан с намотанным на нем своей средней по длине частью приводным канатом, оба конца которого соединены с кривошипами указанных зубчатых колес с помощью пружин; канатные связи барабана с колоннами штанг обслуживаемых приводом пар скважин в виде отдельных тяговых канатов, намотанных средней частью на барабан, огибающих установленные на стойках над каждой скважиной канатные шкивы и соединенных концами с колоннами штанг. При работе привода возвратно-вращательное движение барабана преобразуется с помощью канатных связей в возвратно-поступательное движение каждой пары штанговых колонн, соединенных между собой тяговым канатом.
Недостатком привода является необеспеченность стабильного позиционирования плунжеров насосов в крайних положениях, обусловленная упругими деформациями тяговых канатов и накапливающимся смещением плунжеров в результате проскальзывания тягового каната на барабане. Это способствует созданию ситуации, в которой один из плунжеров останавливается в крайнем верхнем положении, упираясь во внутреннюю торцевую поверхность цилиндра насоса, и создаются условия для аварии в скважине в результате обрыва штанг или тягового каната. Другим недостатком является загромождение пространства над скважинами тяговыми канатами и опорными конструкциями барабана и канатных шкивов, допускающее возможность нормальной работы агрегата ремонта скважин только при условии демонтажа привода.
Известен также групповой привод штанговых скважинных насосов двух скважин, состоящий из каретки, перемещаемой возвратно-поступательно по рельсам с помощью стационарно установленного в подшипниковых опорах, вращающегося в одном направлении винта с правой и левой ходовыми резьбами; установленного на каретке поворотного зуба, контактирующего с витками резьбы винта; привода вращения винта; цепей связи каретки с устьевыми штоками обслуживаемых скважин, огибающих поддерживающие и направляющие шкивы, установленные на опорных стойках, и реализующий переключение направления движения каретки в крайних положениях хода поворотом указанного зуба (Уразаков К.Р. и др. Нефтепромысловое оборудование для кустовых скважин - М.: ООО Недра - Бизнесцентр, 1999, стр.35, 36, рис.2.9; патент РФ №2052663, кл. F04B 47/02). Привод не получил промышленного применения в связи с конструктивной сложностью, низким к.п.д. винтовой передачи, недостаточно высокой надежностью переключения направления движения каретки и непродолжительным межремонтным периодом работы зуба, ограниченным интенсивным износом в результате трения в процессе скольжения по виткам резьбы винта при весьма значительных усилии контакта и контактных давлениях.
Известен также имеющий несколько конструктивных исполнений групповой привод штанговых насосов двух скважин, включающий стандартный станок-качалку, две пары канатов, прикрепленных одними концами сверху и снизу к головке балансира станка-качалки, другими - к подвескам устьевых штоков скважин; направляющие и отклоняющие канатные шкивы и комплект поддерживающих их опорных конструкций (Уразаков К.Р. и др. Нефтепромысловое оборудование для кустовых скважин - М.: ООО Недра - Бизнесцентр, 1999, стр.63, 64, рис.2.18). Привод, за исключением опытного образца, не получил промышленного применения в связи с недостатками, к которым относятся недостаточная надежность работы, загромождение прискважинной площадки оборудованием и опорными металлоконструкциями, наложение неприемлемых ограничений на соотношение тяговых усилий на устьевых штоках обслуживаемых скважин, необходимость усложнения конструкции установкой дополнительных устьевых контргрузов (там же, стр 65-74, рис.2.19-2.24; патент РФ №2076951, кл. F04B 47/02), недостаточная надежность стальных канатов при работе с регулярными перегибами на канатных шкивах недостаточно большого диаметра, особенно в условиях низких температур.
Известен групповой привод штанговых насосов двух скважин, включающий два установленных на стойках роторных балансира с канатными подвесками, соединенных между собой закрепленной на них концами гибкой тягой; кривошипно-шатунный механизм, шатун которого шарнирно соединен с одним из балансиров; привод, состоящий из электродвигателя, ременной передачи и редуктора (патент РФ №2135832, кл. F04B 47/02). Недостатками привода являются невозможность индивидуального регулирования длины хода канатных подвесок, сложность переналадок при ремонтах скважин.
Общим недостатком последних трех видов групповых приводов является ограниченная область применения - для кустов, состоящих из двух скважин, тогда как многократно преобладающее большинство кустов включает значительно большее их число (до 16-30 и более).
Известны также групповые гидроприводы штанговых скважинных насосов (авт. свид. СССР №800419, 1035281, 1174594, 1286810, кл. F04В 47/00), включающие силовые гидроцилиндры в количестве, равном числу обслуживаемых приводом скважин куста, сообщающие возвратно-поступательное движение колоннам насосных штанг и плунжерам штанговых насосов, а также насосный гидроагрегат, бак с рабочей жидкостью, систему трубопроводов и комплект гидроаппаратуры, создающие циркуляцию рабочей жидкости под давлением и автоматическое управление этой циркуляцией и циклическим перемещением поршней (плунжеров) гидроцилиндров в непрерывном режиме. Их основным недостатком является невысокая надежность, связанная с ограниченным сроком безотказной работы гидроцилиндров и комплектующей их гидроаппаратуры и со значительной вероятностью нарушения герметичности уплотнений поршней и штоков гидроцилиндров и многочисленных соединений трубопроводов под высоким рабочим давлением. Другим недостатком является невысокий к.п.д., одной из причин которого являются потери давления в трубопроводах большой протяженности, соединяющих насосный гидроагрегат и гидробак с расположенными на значительном удалении от них гидроцилиндрами, а также потери давления на местных сопротивлениях.
Общими недостатками известных групповых приводов штанговых насосов являются бессистемность и неупорядоченность структуры, не учитывающей высоких современных функционально-технологических, эргономических, экономических требований и требований безусловного обеспечения надежности работы. В связи с этим для способов их осуществления неизбежным является полукустарный характер проектирования, изготовления, комплектования и построения привода в различных частных случаях его исполнения как нестандартного оборудования на основе случайного подбора структурных элементов в условиях отсутствия специально разработанных элементов целевого функционального назначения высокой заводской готовности.
Однако повсеместное применение для оснащения кустов скважин индивидуальных приводов (станков-качалок), позволившее устранить большую часть указанных недостатков и полностью вытеснить приводы групповые, характеризуется высокой энергоемкостью работы насосных установок в результате неоптимальных уравновешивания и принципа работы привода и практически повсеместной невысокой степени полезного использования установленной мощности электродвигателя - в среднем не более 56% (Уразаков К.Р. и др. Нефтепромысловое оборудование для кустовых скважин - М.: ООО Недра - Бизнесцентр, 1999, стр.43-47, 51-52); высокими металлоемкостью конструкции и трудоемкостью пуска в эксплуатацию всего комплекса приводов куста скважин, повышенной потребностью в комплектующих изделиях, обусловленными укомплектованием каждого станка-качалки опорными конструкциями, электродвигателем, комплектом электроаппаратуры, клиноременной передачей, редуктором, тормозом, двумя кривошипами с противовесами, шатуном; либо силовым гидроцилиндром, насосным гидроагрегатом с приводом от электродвигателя, гидробаком, комплектами электро- и гидроаппаратуры и системой трубопроводов. Задействование в индивидуальных приводах и эксплуатация разветвленного подвода электроэнергии и большого числа электродвигателей и комплектов электроаппаратуры, постоянно подвергающихся воздействию неблагоприятных климатических условий, повышает вероятность нарушений электробезопасности и в результате большого их числа и близкого расположения к устьям скважин снижает пожаро- и взрывобезопасность работы. Ступенчатый характер регулирования длины хода канатной подвески в станках-качалках не позволяет обеспечить оптимальность длины хода плунжера и объемного к.п.д. насоса. Необходимость устройства фундаментов значительного объема под опорной металлоконструкцией каждого станка-качалки предопределяет повышенный расход на эти цели стройматериалов.
Задачей изобретения является разработка устройства группового привода штанговых скважинных насосов куста скважин, обеспечивающего соответствие современным требованиям во всех частных случаях его исполнения и исключающего указанные недостатки известных групповых и индивидуальных приводов.
Технический результат осуществления и использования группового привода включает следующее. В отличие от известных групповых приводов обеспечиваются надежность работы, компактность размещения на технологической площадке куста скважин и возможности: размещения и одновременной с работой привода беспрепятственной и безопасной работы агрегата ремонта скважин и ремонтного персонала; бесступенчатого индивидуального регулирования длины хода плунжера и отключения насоса любой из скважин куста; качественного и оперативного уравновешивания при изменении состава и характеристик штанговых насосов и числа обслуживаемых скважин. В отличие от приводов индивидуальных обеспечиваются уменьшение металлоемкости конструкции и энергоемкости работы, уменьшение количества опорных конструкций и многократное уменьшение количества комплектующих изделий; повышение электро-, пожаро- и взрывобезопасности работы; создание возможности размещения силовой части в специально оборудованном здании с благоприятными условиями эксплуатации и ремонта.
Для этого в групповом приводе, включающем силовую часть, состоящую из установленных на опорной металлоконструкции электродвигателя, клиноременной передачи, зубчатого редуктора, тормоза, одного или двух кривошипно-шатунных механизмов с противовесами или одного либо двух силовых гидроцилиндров, насосного гидроагрегата, гидробака, комплекта электро- и гидроаппаратуры и системы трубопроводов; балансиры с закрепленными на них головками и канатными подвесками устьевых штоков в количестве, равном числу скважин куста; опорные стойки балансиров, предусмотрены: расположение опорных стоек балансиров в средней части пролетов между устьями смежных скважин с периодичностью через один пролет; установка балансиров парами (по две единицы) на каждой опорной стойке, подшипниковыми опорами внутрь, вплотную к боковым граням стойки, а головками наружу, с расположением продольных плоскостей симметрии в вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев, а канатных подвесок - над устьями скважин, в пролете между которыми балансиры расположены; наличие и использование для одновременной передачи движения всем балансирам толкателя, расположенного горизонтально параллельно вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев скважин куста вдоль протяженности последнего и соединенного с выходным звеном силовой части с помощью одного либо двух двуплечих рычагов либо непосредственно, с помощью шарнира; трехплечих рычагов, установленных подшипниковыми опорами на опорных стойках балансиров так, что качающееся в вертикальной плоскости относительно вертикали приводное плечо каждого из этих рычагов шарнирно связано с толкателем и поддерживает его, а два тяговых плеча, перпендикулярные приводному, качающиеся в вертикальной плоскости относительно горизонтали, соединены по отдельности поводками связи с шарнирами на концах с балансирами; распорных ферм, жестко закрепленных, например, продольными гранями на опорных стойках балансиров и скрепленных концевыми торцами между собой и с опорной металлоконструкцией силовой части.
Кроме того, для обеспечения технологичности изготовления, надежности работы, расширения возможностей регулировок и улучшения условий эксплуатации привода и ремонта привода и скважин, а также дополнительного ограничения материалоемкости привода: толкатель выполнен составным из секций, шарнирно соединенных между собой, с тяговым плечом приводного двуплечего рычага (при его включении в состав привода) или с выходным звеном силовой части и с приводными плечами трехплечих рычагов, причем радиусы этих плеч рычагов приняты одинаковыми, а геометрические оси их качания расположены перпендикулярно ряду устьев скважин в одной горизонтальной плоскости, параллельной толкателю; распорные фермы, толкатель и соединенные с ним тяговое плечо двуплечего приводного рычага (при его включении в состав привода) и приводные плечи трехплечих рычагов расположены своими продольными плоскостями симметрии в одной вертикальной плоскости, параллельной вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев скважин и смещенной в перпендикулярном относительно последней направлении по горизонтали; расстояние между этими плоскостями и высота расположения над прискважинной площадкой распорных ферм, не меньшая высоты установки подшипниковых опор балансиров, обеспечивают возможности размещения и одновременной с работой привода беспрепятственной и безопасной работы агрегата ремонта скважин и персонала, выполняющего ремонт; корпуса верхних шарниров поводков связи трехплечих рычагов с балансирами установлены на тяговых плечах этих рычагов с возможностью бесступенчатого регулирования радиуса их расположения относительно центра качания рычага и индивидуального регулирования таким способом угла поворота каждого балансира и длины хода его канатной подвески; поводки связи тяговых плеч трехплечих рычагов с балансирами имеют регулируемую длину и каждый из них выполнен, например, в виде двух стержней с проушинами на одном конце и резьбой на другом, соединяемых с помощью талрепа, имеющего резьбовые отверстия в концевых дисках; тяговые плечи трехплечих рычагов выполнены съемными, для чего вал каждого из трехплечих рычагов на стороне установки тяговых плеч снабжен фланцем с двумя опорными платиками на боковых торцах и двумя параллельными валу сквозными отверстиями, а каждое из двух тяговых плеч снабжено ответным опорным платиком со стороны платика на боковом торце фланца вала и двумя проушинами с соосными сквозными отверстиями одинакового с отверстиями во фланце диаметра в каждой, расположенными так, что при установке в совмещенные отверстия фланца и проушин крепежного штифта тяговое плечо надежно закрепляется на фланце и сохраняет рабочее положение под нагрузкой; опорные стойки балансиров, толкатель и распорные фермы изготавливаются из листового и профильного проката в виде облегченных металлоконструкций; уменьшено число опорных стоек балансиров, и, кроме того, ширина их опорных фланцев и опорных балок металлоконструкции силовой части уменьшены до величины, не превышающей необходимую для обеспечения несущей способности фундамента; привод снабжен сезонными комплектами дистанционных шайб, устанавливаемых на стыках распорных ферм для компенсации температурных деформаций при пониженных по сравнению со средними для летнего периода температурах других климатических сезонов. Решению задач изобретения служат и варианты компоновки группового привода в частных случаях его исполнения, различающихся типом преобразователя электроэнергии (электромеханический или гидропривод) и нагруженностью, обусловленной величиной тяговых усилий на балансирах и числом обслуживаемых скважин.
В групповом электромеханическом приводе и гидроприводе штанговых насосов среднего (от 8 до 16) числа скважин толкатель соединяется с шатуном кривошипно-шатунного механизма либо со штоком гидроцилиндра силовой части с помощью приводного двуплечего рычага; тяговое плечо этого рычага размещено в ряду приводных плеч трехплечих рычагов и соединено с толкателем в средней части последнего, а приводное плечо и соединенная с ним силовая часть привода смещены относительно тягового плеча, толкателя и ряда стоек балансиров в направлении, перпендикулярном продольной вертикальной плоскости симметрии толкателя и распорных ферм, и расположены против средней части ряда стоек балансиров; тяговое и приводное плечи двуплечего рычага жестко соединены между собой валом, установленным горизонтально в подшипниковых опорах на опорной конструкции, которая включает: корпусную опору, установленную с боковым смещением относительно ряда стоек балансиров на стороне расположения силовой части; вертикальную опорную тумбу, установленную на отдельном фундаменте в промежутке между стойками балансиров в средней части их ряда с расположением вертикальной продольной геометрической оси симметрии тумбы, например, в продольной вертикальной плоскости симметрии распорных ферм и толкателя; жестко закрепленную своими концевыми участками на корпусной опоре и опорной тумбе горизонтальную опорную балку двуплечего рычага, к обоим боковым торцам конца которой, закрепленного на опорной тумбе, крепятся торцами ближайшие распорные фермы.
В более тяжело нагруженном групповом приводе штанговых насосов большого (от 12 до 24 и более) числа скважин силовая часть также расположена с боковым смещением относительно ряда стоек балансиров против средней части этого ряда; связь силовой части с толкателем осуществляется с помощью двух двуплечих рычагов; толкатель в его средней части разделен на две непосредственно не связанные между собой половины, каждая из которых шарнирно соединена с тяговым плечом одного из двуплечих рычагов и с приводными плечами трехплечих рычагов расположенной вдоль ее протяженности части ряда стоек балансиров; оба двуплечих рычага расположены в подшипниковых опорах на общей опорной балке, установленной в средней части ряда стоек балансиров перпендикулярно этому ряду и жестко закрепленной на корпусной стойке со стороны силовой части и опорной тумбе в ряду стоек балансиров. В случае электромеханического группового привода штанговых насосов большого числа скважин его силовая часть включает два кривошипно-шатунных механизма и зубчатый цилиндрический редуктор с двумя выходными валами, на внешних концах которых установлены две пары кривошипов, каждая из которых соединена с шатуном; шатуны, также шарнирно, соединены с приводными плечами двуплечих рычагов; редуктор включает ведущую раздаточную передачу с передаточным числом, равным единице, и две зеркально расположенные по сторонам от нее двух- либо трехступенчатые передачи с одинаковыми передаточными числами. В случае группового гидропривода штанговых насосов большого числа скважин его силовая часть включает два зеркально расположенных гидроцилиндра двойного действия, штоки которых по отдельности шарнирно соединены с приводными плечами двуплечих рычагов, и в составе комплекта гидроаппаратуры,- два делителя-сумматора потоков, каждый из которых соединен трубопроводами с двумя зеркально расположенными рабочими полостями обоих гидроцилиндров.
Исполнения групповых электромеханического привода и гидропривода штанговых насосов малого (от 2 до 8) числа скважин, отличающиеся соединением шатуна кривошипно-шатунного механизма либо штока гидроцилиндра с толкателем с помощью двуплечего рычага или непосредственно, в виде шарнира, имеют одинаковое размещение силовой части в конце ряда стоек балансиров и совмещение продольных вертикальных плоскостей симметрии силовой части, приводного и тягового плеч двуплечего рычага (при его наличии в составе привода), толкателя, приводных плеч трехплечих рычагов, распорных ферм в одной вертикальной плоскости.
Изобретение поясняется конструктивными схемами. На фиг.1 и 2 показан фронтальный вид группового электромеханического привода штанговых насосов среднего числа скважин со стороны расположения скважин куста, на фиг.3 и 4 показаны виды А и Б на фиг.1 и 2; причем фиг.2 и 4 являются правыми продолжениями изображений на фиг.1 и 3; на фиг 5 приведено увеличенное изображение элемента I на фиг.2 - стойки балансиров. Второе слева изображение стойки балансиров на фиг.1 показано с разрывом для полноты изображения силовой части, расположенной за этой стойкой. Другими схемами изображены:
на фиг.6 и 7 - соответственно фронтальный вид и вид В (сверху) на фиг.6 группового гидропривода штанговых насосов среднего числа скважин без изображений правой части, которыми являются фиг.2 и 4;
на фиг.8 и 9 - соответственно фронтальный вид и вид Г (сверху) на фиг.8 средней части группового электромеханического привода штанговых насосов большого числа скважин, на фиг.10 - вид Д (слева) на фиг.8, на фиг.11 - вид Е (фронтальный) на силовую часть на фиг.9, на фиг.12 - вид Ж (сверху) на фиг.11;
на фиг.13 и 14 - соответственно фронтальный вид и вид З (сверху) на фиг.13 средней части группового гидропривода штанговых насосов большого числа скважин;
на фиг.15 и 17 - соответственно фронтальные виды групповых электромеханического привода и гидропривода штанговых насосов малого числа скважин, оснащенного связью силовой части с толкателем в виде двуплечего рычага; на фиг.16 и 18 - соответственно виды К и Л на фиг.15 и 17;
на фиг.19 и 21 - соответственно фронтальные виды групповых электромеханического привода и гидропривода штанговых насосов малого числа скважин с непосредственным соединением шатуна и штока гидроцилиндра силовой части с толкателем с помощью шарнира; на фи.20 и 22 - соответственно виды М и Н на фиг.19 и 21.
Групповой электромеханический привод штанговых насосов среднего числа скважин (фиг.1÷5) состоит из силовой части, включающей электродвигатель 1, клиноременную передачу 2, тормоз 3, зубчатый цилиндрический редуктор 4, два кривошипа 5 с противовесами 6, шатун 7, опорную металлоконструкцию, которую образуют жестко скрепленные между собой основание 8, корпусная опора 9 с подпорками 10 и опорная тумба 12 с установленной на них своими концевыми участками балкой 11 двуплечего приводного рычага с приводным плечом 13 и тяговым плечом 14, жестко закрепленными на валу 15 с подшипниковыми опорами 16, установленного на опорной балке 11; опорных стоек 17 с установленными на них на подшипниковых опорах 18 балансирами 19 в сборе с головками 20, каждая из которых закреплена на балансире двумя штифтами 21, и с канатными подвесками 22 устьевых штоков 23, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения в сальниках устьев скважин 24; качающихся трехплечих рычагов, каждый из которых включает приводное плечо 25, жестко закрепленное на вале 26, на противоположном конце которого на фланце 27 закреплены с помощью штифтов 28 два перпендикулярных приводному съемных тяговых плеча 29 с балансирами; толкателя 32, горизонтально расположенного параллельно вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев ряда скважин куста вдоль протяженности этого ряда; комплекта распорных ферм 33, жестко закрепленных, например, продольными гранями на опорных стойках 17 и скрепленных краевыми торцами между собой и с опорной металлоконструкцией, в частности с боковыми торцами конца балки 11, закрепленного на тумбе 12. Подшипниковые опоры 16 двуплечего приводного рычага жестко закреплены на балке 11. Опорные стойки 17 балансиров устанавливаются в средней части пролетов между устьями скважин с периодичностью через один пролет. Балансиры 19 в сборе с головками 20 и канатными подвесками 22 устьевых штоков в количестве, равном числу скважин куста, устанавливаются на опорных стойках 17 парами (по два балансира на стойке) с расположением их вертикальных продольных плоскостей симметрии в вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев скважин вдоль их ряда над этим рядом, подшипниковыми опорами 18 внутрь, вплотную к боковым граням стойки, а головками 20 наружу, с размещением канатных подвесок 22 над устьями 24 скважин, в пролете между которыми опорные стойки с балансирами установлены. Для обеспечения технологичности изготовления толкатель 32 выполняется составным из секций, шарнирно соединенных между собой. Также шарнирно соединены: кривошипы 5 и приводное плечо 13 двуплечего рычага - с шатуном 7; тяговое плечо 14 этого рычага и приводные плечи 25 трехплечих рычагов - с секциями толкателя 32; пары поводков связи 31 одним концом - с тяговым плечом 29 трехплечего рычага, другим - с балансиром
Групповой привод работает следующим образом. Вращение вала электродвигателя 1 с помощью клиноременной передачи 2 и зубчатого редуктора 4 передается с уменьшением частоты оборотов кривошипам 5, установленным на наружных концах тихоходного вала редуктора 4, и с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из кривошипов 5 и шатуна 7, преобразуется в возвратно-поворотное движение приводного плеча 13 двуплечего рычага, которое далее, с помощью тягового плеча 14 последнего, толкателя 32, приводных плеч 25 трехплечих рычагов, на которые опирается толкатель, по принципу движения верхнего подвижного основания и боковых сторон шарнирного параллелограмма с нижним неподвижным основанием преобразуется в плоскопараллельное возвратно-поступательное (качательное) движение по дуге окружности толкателя и возвратно-поворотное движение приводных 25 и, соответственно, тяговых плеч 29 трехплечих рычагов. Последние с помощью поводков связи 31 поднимают и опускают балансиры, причем в каждой паре балансиров, установленных на одной опорной стойке, при подъеме одного балансира другой одновременно опускается.
Устойчивость прямолинейной формы толкателя в процессе движения и передачи больших рабочих нагрузок обеспечивается креплением концов его секций к приводным плечам 25 трехплечих и тяговому плечу 14 двуплечего приводного рычагов, не подверженным поперечным деформациям, совмещением в одной плоскости вертикальных продольных плоскостей симметрии этих рычагов и толкателя, а также одинаковой величиной радиусов этих плеч рычагов и расположением их осей качания в одной горизонтальной плоскости, параллельной толкателю. С целью обеспечения возможности индивидуального, причем бесступенчатого, регулирования угла поворота каждого балансира и, соответственно, длины хода его канатной подвески в конструкции привода предусмотрено крепление корпусов верхних шарниров поводков связи 31 на опорных поверхностях тяговых плеч 29 трехплечих рычагов с возможностью смещения и регулирования таким образом радиуса расположения этих корпусов относительно геометрической оси качания рычага.
Возможность коррекции позиционирования плунжера в его крайних положениях относительно упоров в цилиндре насоса (не показаны), необходимая, например, при установке насоса, регулировании длины хода его плунжера или его замене насосом с другой длиной хода плунжера, обеспечивается тем, что поводки выполняются составными в виде, например, двух стержней с проушинами для крепления к осям шарниров на одних концах и резьбами противоположного направления винтовых линий витков на других, соединяемых с помощью талрепов с соответствующими резьбовыми отверстиями в концевых дисках.
Распорные фермы 33 предохраняют опорные стойки 17 от опрокидывания и деформации скручивания в горизонтальной плоскости под действием рабочих нагрузок. С целью компенсации температурных деформаций распорных ферм по длине предусмотрена установка между их торцами комплектов дистанционных шайб с толщиной, пропорциональной снижению средней температуры климатического сезона (осень, зима, весна) по сравнению со средней температурой летнего периода.
С целью уменьшения накопленных температурных деформаций распорных ферм и максимальных продольных нагрузок, действующих на толкатель и распорные фермы в месте крепления толкателя к тяговому плечу 14 двуплечего приводного рычага и распорных ферм к элементу опорной металлоконструкции - балке 11, на которой установлен этот рычаг, накопленных в результате суммирования сопротивлений движению связанных с толкателем трехплечих рычагов и соответствующих опрокидывающих нагрузок на поддерживающие их опорные стойки 17, воспринимаемых распорными фермами 33, силовая часть привода, ее опорная металлоконструкция и опорная тумба 12 располагаются так, что двуплечий приводной рычаг и его опорная балка 11 размещаются и присоединяются соответственно к толкателю и распорным фермам в средней части ряда стоек балансиров.
При необходимости ремонта любой из скважин куста ее устьевой шток отсоединяется от канатной подвески, и пространство над устьем освобождается путем демонтажа и снятия с опорной стойки 17 тягового плеча 29 трехплечего рычага, головки балансира 20 и поводков связи 31 между ними. Кратковременность и минимальная трудоемкость этой операции и соответствующая кратковременность отключения и фиксации в неподвижном состоянии всего группового привода тормозом 3 обеспечиваются демонтажем при этом минимального числа крепежных элементов - одного штифта 28 крепления тягового плеча 29 к фланцу 27 вала трехплечего рычага и двух штифтов 21 крепления головки 20 к балансиру 19. При выполнении этого условия надежность крепления тягового плеча 29 к фланцу 27 и сохранения его рабочего положения с опорой на боковую поверхность фланца под нагрузкой обеспечивается тем (фиг.5), что фланец 27 снабжен двумя опорными платиками 34 на торцевых боковых поверхностях и двумя сквозными отверстиями, а каждое из тяговых плеч 29 имеет со стороны опоры на этот фланец по одному ответному опорному платику 35 на торцевой поверхности и две боковые проушины 36 со сквозными отверстиями одинакового с отверстиями во фланце диаметра, совмещаемыми с отверстиями во фланце при установке штифта 28.
Условия для беспрепятственной и безопасной работы талевой системы агрегата ремонта скважин обеспечены тем, что распорные фермы 33, а также тяговое плечо 14 двуплечего приводного рычага и приводные плечи 25 трехплечих рычагов смещены по горизонтали на необходимое для этого расстояние относительно вертикальной плоскости расположения геометрических осей устьев скважин в направлении, перпендикулярном последней.
Кроме того, распорные фермы 33 располагаются относительно поверхности прискважинной площадки на высоте, не меньшей высоты расположения подшипниковых опор балансиров, а опорные стойки 17 и тумба 12 располагаются относительно устьев скважин на расстояниях, обеспечивающих размещение над устьем скважины технологической рабочей площадки агрегата ремонта скважин, а также размещение и безопасную и беспрепятственную работу персонала на этой площадке.
Силовая часть привода смещена по горизонтали относительно ряда устьев скважин, толкателя и распорных ферм для обеспечения необходимых удобства монтажа и ремонта, взрыво- и пожаробезопасности и, в случае необходимости, например, по климатическим условиям, возможности ее установки в специально построенном и оборудованном здании с благоприятными условиями эксплуатации и ремонта.
Для ограничения массы и металлоемкости привода толкатель 32, опорные стойки 17 балансиров и распорные фермы 33 изготавливаются из профильного и листового проката в виде облегченных металлоконструкций.
Групповой гидропривод штанговых насосов среднего числа скважин (фиг.6, 7) отличается от электромеханического силовой частью, включающей насосный гидроагрегат 37 с приводом от электродвигателя, комплект электроаппаратуры (не показан), гидробак с комплектом гидроаппаратуры 38, силовой гидроцилиндр двойного действия 39, например, с двухсторонним штоком, закрепленный шарнирно в кронштейне 40, систему трубопроводов (не показана), установленные на опорной металлоконструкции (например, на основании 8, корпусной опоре 9, подпорке 10). Шток гидроцилиндра 39 шарнирно соединен с приводным плечом 13 двуплечего рычага. Тяговое плечо 14 этого рычага шарнирно соединено с толкателем 32.
При работе гидропривода циклическое возвратно-поступательное движение поршня и штока гидроцилиндра 39 в непрерывном режиме с автоматическим переключением в конце каждого хода на обратный ход обеспечивается за счет энергии рабочей жидкости, поочередно направляемой под давлением от насосного гидроагрегата 37 в одну из полостей гидроцилиндра и одновременно на слив в гидробак из другой полости с помощью гидроаппаратуры. Это движение с помощью двуплечего рычага сообщается толкателю 32, плоскопараллельное качательное движение которого преобразуется в возвратно-поворотное движение приводных плеч 25, пар тяговых плеч 29 трехплечих рычагов и пар балансиров и в возвратно-поступательное движение канатных подвесок 23 и устьевых штоков 22 скважин.
В более тяжело нагруженном групповом приводе штанговых насосов большого (от 16 до 24 и более) числа скважин (фиг.8-14) с той же целью снижения нагрузок на соединения распорных ферм с опорной металлоконструкцией и тягового плеча двуплечего рычага с толкателем силовая часть расположена с боковым смещением относительно ряда стоек балансиров против средней части этого ряда. Однако, в отличие от привода насосов среднего числа скважин, с целью дополнительного снижения возросших нагрузок на рычажные устройства и на зубчатые и гидравлические передачи, а также опрокидывающих нагрузок - на опорную металлоконструкцию силовой части, в этом приводе толкатель 32 в его средней части разделен на две непосредственно не связанные между собой половины, каждая из которых шарнирно соединена с приводными плечами 25 трехплечих рычагов расположенной вдоль ее протяженности части ряда стоек балансиров, и для обеспечения связи силовой части с толкателем привод оснащен двумя зеркально расположенными двуплечими рычагами. Валы 15 двуплечих рычагов установлены в подшипниковых опорах 16 на общей опорной балке 11, расположенной в средней части ряда стоек балансиров перпендикулярно этому ряду и жестко закрепленной своими концами на корпусной стойке 41 со стороны силовой части и на опорной тумбе 12 в ряду стоек балансиров.
При этом в случае исполнения в виде группового электромеханического привода (фиг.8-12) его силовая часть включает два зеркально расположенных кривошипно-шатунных механизма и зубчатый редуктор 42 с двумя выходными валами, на внешних концах которых установлены две пары кривошипов 5, каждая из которых шарнирно соединена с шатуном 7. Шатуны 7 по отдельности соединены с приводными плечами 13 двуплечих рычагов, тяговые плечи 14 которых также шарнирно соединены с отделенными друг от друга частями толкателя 32. Редуктор 42 включает ведущую раздаточную передачу 43 с передаточным числом, равным единице, и две зеркально расположенные по сторонам от нее ведомые двух- либо трехступенчатые зубчатые передачи с одинаковыми передаточными числами. Уравновешивание привода в случае неравенства в реальных условиях работы нагрузок на электродвигатель 1 при ходе толкателей в одном и другом направлениях обеспечивается установкой на кривошипах 5 противовесов 6 и выбором направления вращения электродвигателя.
При работе привода вращение вала электродвигателя 1 с уменьшением частоты вращения передается с помощью клиноременной передачи 2 ведущему и ведомому зубчатым колесам раздаточной передачи 43 редуктора 42 и с помощью двух ведомых, зеркально расположенных по сторонам раздаточной передачи двух- либо трехступенчатых передач - двум выходным валам редуктора и, соответственно, двум парам установленных на внешних концах этих валов кривошипов 5. Вращательное движение кривошипов преобразуется с помощью шатунов 7 и приводных плеч 13 двух двуплечих рычагов в возвратно-поворотное движение этих рычагов во взаимно противоположных направлениях, передаваемое с помощью их тяговых плеч 14 двум половинам толкателя 32. Последние соответственно перемещаясь также во взаимно противоположных направлениях, совершают плоскопараллельное движение по принципу качания многоопорного верхнего подвижного основания шарнирного параллелограмма, опорными боковыми сторонами которого являются шарнирно соединенные с ним тяговое плечо 14 двуплечего и приводные плечи 25 трехплечих рычагов. Возвратно-поворотное движение, сообщаемое при этом половинами толкателя приводным плечам 25, передается с помощью валов 26 и фланцев 27 тяговым плечам 29 трехплечих рычагов и с помощью поводков связи 31 - балансирам. Сумма внешних сопротивлений движению трехплечих рычагов, образующихся в результате различия нагрузок рабочего хода на один балансир и холостого хода на другой балансир каждой стойки 17, преодолевается приложением к каждой из половин толкателя усилия от тягового плеча 14 двуплечего рычага. Образующиеся при этом горизонтальные составляющие реакции опор двух двуплечих рычагов и создаваемые ими на опорной металлоконструкции силовой части опрокидывающие моменты полностью или частично взаимно уравновешиваются. Кроме того, также в соответствии с поставленной задачей, рабочие нагрузки на составляющие части привода уменьшаются в связи с их распределением внутри пар двуплечих рычагов, половин толкателя, кривошипно-шатунных механизмов и кинематических цепей зубчатых передач редуктора.
В случае исполнения в виде группового гидропривода штанговых насосов большого числа скважин (фиг.13, 14) силовая часть привода включает два зеркально расположенных относительно вертикальной поперечной плоскости симметрии между ними двухштоковых гидроцилиндра двойного действия 39, шарнирно закрепленных в кронштейнах 40 на корпусной опоре 9; насосный гидроагрегат 37 с приводом от электродвигателя; комплект электроаппаратуры (не показан), гидробак с комплектом гидроаппаратуры 38, в состав которого включены два делителя-сумматора потока рабочей жидкости (не показаны), и систему трубопроводов (не показана).
Штоки гидроцилиндров 39 шарнирно соединены с приводными плечами 13 двуплечих рычагов, тяговые плечи 14 которых, также шарнирно, соединены с частями толкателя 32. При работе гидропривода рабочая жидкость от насосного агрегата 37 под давлением направляется через один делитель-сумматор потока в две зеркально расположенные относительно поперечной плоскости симметрии рабочие полости гидроцилиндров 39 двумя одновременными потоками с одинаковой подачей, не зависящей от сопротивления на штоках, а через другой делитель-сумматор потока также одновременно с одинаковым расходом отводится из других полостей в гидробак. При этом поршни и штоки обоих гидроцилиндров одновременно движутся с одинаковыми скоростями во взаимно противоположных направлениях, и в конечных точках их хода гидроаппаратурой производится автоматическое переключение направлений потоков жидкости на обратные, в результате которого в гидроцилиндрах, также одновременно, совершается обратный ход. Циклическое возвратно-поступательное движение поршней и штоков гидроцилиндров преобразуется в возвратно-поворотное движение двух двуплечих рычагов, в плоскопараллельное качательное движение двух отделенных друг от друга половин толкателя и в возвратно-поворотное движение соединенных с ними трехплечих рычагов и связанных с тяговыми плечами последних балансиров. Гидропривод также обеспечивает взаимное уравновешивание опрокидывающих моментов, действующих на опорную металлоконструкцию силовой части, и уменьшение нагрузок, действующих на его составляющие части, в связи с их распределением внутри пар двуплечих рычагов, половин толкателя и гидроцилиндров.
Групповые электромеханический привод (фиг.15, 16 и 19, 20) и гидропривод (фиг.17, 18 и 21, 22) штанговых насосов малого числа скважин имеют исполнения, отличающиеся между собой соединением шатуна 7 кривошипно-шатунного механизма или штока гидроцилиндра 39 с толкателем 32 с помощью двуплечего рычага (фиг.15, 16 и 17, 18) или непосредственно, с помощью шарнира (фиг.19, 20 и 21, 22). Кроме того, они отличаются от приводов штанговых насосов среднего и большого числа скважин размещением силовой части в конце ряда стоек балансиров и совмещением продольных вертикальных плоскостей симметрии силовой части, приводного 13 и тягового 14 плеч двуплечего рычага (при его включении в состав привода), толкателя 32, приводных плеч 25 трехплечих рычагов и распорных ферм 33 в одной вертикальной плоскости.
Работа этих приводов при наличии в их составе двуплечего рычага не отличается от работы аналогичных приводов штанговых насосов среднего числа скважин. В случае если в состав приводов двуплечий рычаг не включен, их работа отличается от работы аналогичных приводов насосов среднего числа скважин передачей движения от шатуна кривошипно-шатунного механизма или от штока гидроцилиндра непосредственно толкателю.
Так как опорные стойки подвержены весьма малым, но заметным отклонениям от вертикального положения в результате недостаточно полной компенсации суточных температурных деформаций распорных ферм с помощью сезонных дистанционных шайб между их торцами, уменьшение образующихся при этом напряжений и деформаций изгиба опорных фланцев стоек на фундаментах обеспечивается минимальной шириной фланцев в направлении, параллельном ряду устьев скважин. Это, а также уменьшение числа опорных стоек в два раза по сравнению с числом балансиров, и, кроме того, минимальная ширина опирающихся на фундаменты балок и фланцев опорной металлоконструкции силовой части, обеспечивает значительное уменьшение числа и суммарного объема фундаментов группового привода по сравнению с этим показателем комплекса индивидуальных приводов.
Уравновешивание в групповом приводе нагрузки на трехплечие рычаги при ходе в одну и другую сторону и, соответственно, на толкатель и силовую часть путем компенсации части нагрузки рабочего хода одного балансира нагрузкой холостого хода другого, изменяющейся во времени по тому же закону, более эффективно, чем уравновешивание в индивидуальном электромеханическом приводе, выполняемое путем компенсации разности нагрузок на кривошипы при рабочем и холостом ходах балансира нагрузкой от силы тяжести вращаемых кривошипами противовесов при существенном различии законов изменения этих нагрузок во времени.
Поэтому устройством и принципом работы группового привода предопределено меньшее потребление энергии, чем в индивидуальных приводах насосов такого же числа скважин и с теми же характеристиками тягового усилия, длины и частоты ходов балансиров.
Более того, при условии равенства и постоянства величины этой разности нагрузок на балансиры при рабочем и холостом ходах для всех пар балансиров необходимости в специальном уравновешивании группового привода не возникает. Однако, так как по целому ряду причин, зависящих от неидентичности внешних по отношению к приводу условий работы насосов в скважинах и характеристик насосов, это практически невозможно, для уравновешивания электромеханического группового привода также используются противовесы, установленные на кривошипах. Однако и при этом недостаточно оптимальном роторном способе уравновешиванию подлежит только накопленная всеми парами балансиров сумма отклонений разницы нагрузок на трехплечие рычаги при том и другом ходе от средней величины, уменьшенная компенсирующими друг друга отклонениями этой разницы нагрузок для отдельных пар балансиров в стороны уменьшения и увеличения. Точно так же перерасход электроэнергии в результате неоптимального практического уравновешивания, контролируемый по силе тока двигателя, в групповом приводе может быть устранен более оперативно, и он гораздо меньше перерасхода по этой причине, накопленного большим числом электродвигателей индивидуальных приводов. И, наконец, перерасход электроэнергии по причине неполного использования установленной мощности двигателя в групповом приводе меньше по величине и может быть уменьшен до минимума установкой двигателя меньшей мощности проще, менее трудоемко и более оперативно и эффективно, чем в комплексе приводов индивидуальных. В групповом приводе обеспечивается также большая надежность работы силовой части. Возрастание, по каким-либо причинам, нагрузки на один или несколько балансиров, способное привести к перегреву и нарушению работоспособности электродвигателя и ременной передачи или к необратимым деформациям деталей редуктора либо к срабатыванию предохранительного клапана и отключению в отдельном индивидуальном электромеханическом либо гидравлическом приводе, не приведет к таким последствиям для группового привода, электродвигатель, механические и гидравлические передачи которого имеют значительно больший запас нагрузочной способности.
Групповой привод отличается от комплекса индивидуальных приводов большей надежностью, обусловленной меньшими числом и массой опорных конструкций, и многократно меньшим числом комплектующих изделий: в электромеханическом приводе - электродвигателей, шкивов и ремней ременных передач, тормозов, редукторов кривошипов, противовесов, шатунов, а в гидроприводе - силовых гидроцилиндров, насосных гидроагрегатов, комплектов электро- и гидроаппаратуры, гидробаков, систем трубопроводов по сравнению с индивидуальными приводами, каждый из которых включает весь набор этих элементов со значительными запасами прочности и избытком массы и с ограниченными сроком безотказной работы и объемом наработки до отказа каждого из них.
Многократное уменьшение числа задействованных электродвигателей, комплектов электроаппаратуры, числа подводов электроэнергии и расположение электродвигателя на значительно большем расстоянии от устьев скважин обусловливают более надежную электро-, пожаро- и взрывобезопасность группового привода по сравнению с индивидуальными, а также меньшую трудоемкость ввода в эксплуатацию комплекса насосного оборудования куста скважин.
Рассмотренные выше устройства служат основой для создания новой элементной базы осуществления групповых приводов в виде блочно-модульных конструкций, которые проектируют, комплектуют и строят с применением образующих привод изделий высокой заводской готовности - типовых размерно-силовых модулей, блоков и элементов силовой части и массовых размерно-модульных передаточных и опорных элементов - секций толкателей, трехплечих рычагов, балансиров в сборе, опорных стоек, распорных ферм и прочих, деталей их соединений и, при необходимости, также элементов и конструкций фундаментов.
Технический результат изобретения связан с преимуществами предлагаемого устройства группового привода. По сравнению с известными групповыми приводами эти преимущества обусловлены новыми возможностями:
- осуществления более надежного группового привода штанговых скважинных насосов, в том числе и для весьма большого (до 24 и более) числа скважин куста;
- независимого индивидуального отключения насоса любой из скважин куста на любой срок, например, для ремонта, консервации или ликвидации скважины при продолжающейся эксплуатации насосов других скважин;
- независимого индивидуального бесступенчатого регулирования угла поворота балансира и, соответственно, длины хода канатной подвески, устьевого штока и плунжера насоса любой скважины;
- гибкого, точного и нетрудоемкого уравновешивания при изменении числа работающих штанговых насосов скважин и характеристик насосного оборудования;
- беспрепятственного размещения на прискважинной площадке любой скважины и одновременной с работой привода беспрепятственной и безопасной работы агрегата ремонта скважин и персонала, выполняющего ремонт;
- качественного и экономичного выполнения групповых приводов в виде блочно-модульных конструкций, проектируемых, комплектуемых и строящихся с применением образующих их изделий высокой заводской готовности.
К числу этих преимуществ относятся также:
- простота и надежность конструкции и работы, применение хорошо отработанных ранее и надежных элементов привода и устьевого оборудования, а также новой надежной конструктивной системы одновременной передачи движения большому числу балансиров;
- простота, кратковременность и невысокая трудоемкость подготовки привода к ремонту любой из скважин.
Преимуществами применения предлагаемого группового привода вместо комплекса приводов индивидуальных являются:
- значительно меньшие энергоемкость эксплуатации и металлоемкость изготовления;
- многократное уменьшение числа подводов электроэнергии и количества комплектующих изделий: в электромеханическом приводе - электродвигателей, комплектов электроаппаратуры, тормозов, приводных ремней и шкивов, редукторов, кривошипов, шатунов, противовесов; в гидроприводе - силовых гидроцилиндров, насосных гидроагрегатов, комплектов электро- и гидроаппаратуры, гидробаков, систем трубопроводов;
- бесступенчатость регулирования длины хода канатных подвесок балансиров и, соответственно, возможность более полного использования длины хода плунжеров штанговых насосов и достижения более оптимальных значений их объемного к.п.д. в сочетании с более надежным предотвращением обрыва колонны штанг;
- повышенные электро-, пожаро- и взрывобезопасность;
- пониженная чувствительность силовой части к изменению сопротивлений движению балансиров;
- уменьшение числа опорных конструкций и числа и суммарной материалоемкости фундаментов;
- меньшая трудоемкость и более высокая оперативность выполнения операций пусковых, послеремонтных и эксплуатационных наладок, регулирования и уравновешивания, а также ввода в эксплуатацию комплекса оборудования привода и в насосную эксплуатацию куста скважин.