ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР СТАНКА-КАЧАЛКИ СКВАЖИНЫ
POWER GENERATOR OF WELL BEAM UNIT

Предполагаемое изобретение относится к устройствам по выработке электрической энергии и может быть использовано на добывающих скважинах нефтедобывающих предприятий, оснащенных станками-качалками для преобразования вращательного движения электродвигателя в возвратно-поступательное движение плунжера глубинного насоса.
В нефтедобывающей промышленности не менее 80% всего фонда добывающих скважин составляют скважины с глубинным плунжерным насосом и станком-качалкой (СК) на поверхности земли. Между ними находится связующая линия - колонна штанг весом в несколько тонн. За один поворот кривошипа вокруг своей оси на 360° колонна штанг один раз поднимается за счет усилия кривошипно-шатунного механизма и один раз спускается под собственным весом. Чтобы на вал электродвигателя постоянно оказывалась равномерная нагрузка на кривошипы СК устанавливают противовес, примерно равнозначный по весу нагрузкам колонны штанг при его подъеме /1/.
Недостатком существующей конструкции СК является то, что противовес выполняет только роль статической балансирующей составляющей СК. Между тем постоянное и равномерное вращение по окружности значительной массы металла (для станка-качалки 7СК8-3,5-4000 - 3 тонны) можно использовать и для исполнения второй функции - выработки электроэнергии.
Известна заявка на изобретение №2011122072 «Скважинный электрогенератор», в которой в качестве противовеса станка-качалки предложено использовать электрогенератор. Статор с обмотками наведения тока этого генератора вращается вместе с кривошипом СК, а ротор остается неподвижным относительно оси генератора. Недостатком такого технического решения является только одно - небольшая производительность генератора - в пределах нескольких кВт электроэнергии. Это объясняется небольшой скоростью вращения статора вокруг ротора.
Целью заявляемого изобретения является создание механизма быстрого вращения одной части электрогенератора вокруг другой применительно к вращающейся конструкции СК для выработки большего количества электроэнергии.
Поставленная цель выполняется тем, что общеизвестный электрогенератор, содержащий статор с обмотками наведения тока и ротор в качестве источника магнитного поля, установленный на кривошипе станка-качалки скважинной насосной установки, выполнен так, что ротор с осью электрогенератора находятся в неподвижном горизонтальном положении относительно водила и неподвижно закреплены к его нижней части, водило в своей верхней части расположено с возможностью свободного вращения на горизонтальной оси внешнего ведущего колеса и благодаря силе тяжести постоянно находится в вертикальном положении, ведущее колесо неподвижно закреплено на кривошипе станка-качалки, а статор электрогенератора выполняет роль ведомого колеса и свободно вращается на оси электрогенератора благодаря силе трения между внешней поверхностью статора и внутренней поверхностью ведущего колеса. Способ зацепления между статором и ведущим колесом может быть зубчатым или иным, обеспечивающим свободное вращение статора при вертикальном положении водила.
По необходимости функции статора и ротора могут быть поменяны местами, а именно: вместе с кривошипом будет вращаться внешний ротор в качестве источника магнитного поля, а неподвижным в генераторе будет его внешний статор с обмотками наведения электрического тока.
Скважинный генератор изображен на фиг.1, где 1 - кривошип станка-качалки, 2 - ведущее колесо, 3 - ось ведущего колеса, 4 - водило, 5 - ротор, создающий магнитное поле, 6 - подвижный статор, 7 - ось электрогенератора.
Ведущее колесо 2 и его ось 3 неподвижно закреплены к верхней части кривошипа 1 и вместе с ним вращаются с постоянной частотой: 2-7 оборотов в минуту. Водило 4 имеет определенную тяжесть, значительную тяжесть имеет и сам электрогенератор. Их суммарная тяжесть значительно превосходит силу трения в зацеплении рабочей пары колес «статор - ведущее колесо», поэтому при вращении кривошипа 1 вместе с ведущим колесом 2 водило 4 будет находится в вертикальном положении.
Ось электрогенератора 7 неподвижно соединена как с водилом 4, так и с ротором 5, поэтому систему «водило - ось генератора - статор» можно рассматривать как одно целое. Статор 6, как и все известные генераторы, расположен по оси 7 на подшипниках и может свободно вращаться. Статор имеет внешнюю поверхность в форме круга (колеса) и эта поверхность имеет те же характеристики, что и внутренняя поверхность ведущего колеса 2 так, чтобы крутящий момент от колеса 2 передавался ротору 6. Это может быть резиновое или иное твердое покрытие или статор с ведущим колесом 2 могут быть зубчатыми колесами. Благодаря такой поверхности при вращении кривошипа станка-качалки вместе с ведущим колесом 2 будет вращаться и ротор 6, но с гораздо большей угловой скоростью или частотой.
За один оборот в 360° ведущего колеса 2 диаметром D ротор 6 с внешним диаметром d за счет зацепления между ними пройдет расстояние, равное длине круга колеса 2:
p
П*D=n*П*d
р
р
где: n - число оборотов ротора при одном обороте кривошипа, n=D/d.
Рассмотрим потенциально возможную выработку электроэнергии с помощью предлагаемого генератора по следующим характеристикам:
- общая масса генераторов с водилом и ведущим колесом 2000 кг;
- частота вращения кривошипа СК: 5 об/мин;
- диаметр ведущего колеса D=1,2 м;
- диаметр статора d=0.4 м.
Генератор переменного тока типа ГП-15-100-140-1 В массой 0,5 тонн имеет частоту вращения ротора n в пределах 100 об/мин и выдает мощность до 15 кВт. Согласно /2, стр.195/ электродвижущая сила, возникающая в обмотках генератора находится в прямой зависимости от угловой скорости вращения ротора относительно статора или частоты их относительного вращения.
Если вместо противовесов СК требуемой массы 2 тонны установить условные 4 генератора по 500 кг типа ГП-15-100-140-1 В и согласно изобретения в 3 раза повысить частоту вращения статора, то можно ожидать выработку электроэнергии мощностью в 9 кВт:
р
W=4*15 кВт*5 об/мин/100 об/мин*n=60/2*1,2 м/0,4 м=9 кВт.
Поставленная цель достигнута за счет увеличения скорости вращения статора электрогенератора относительно неподвижного ротора. В отличие от заявки №2011112072 неподвижное положение ротора 5 достигается тем, что ось 7 электрогенератора подвешивается на водило 4 за ось вращения 3. Вторым отличием является организация на статоре такой внешней поверхности, которая обеспечивает эффективное вращение ротора от ведущего колеса 2 благодаря силе трения. Отметим, что ведущее колесо 2 является одним целым с кривошипом 1. И если раньше число оборотов кривошипа равнялось числу вращений ротора вокруг статора, то теперь то же число оборотов кривошипа ведет к значительно большему числу оборотов электрогенератора и выработке большего количества электроэнергии.
На наш взгляд, по заявке имеется новое техническое решение с положительным эффектом.
Технико-экономическая эффективность от применения генератора СК скважины заключается в выработке электрической энергии непосредственно на скважинах со станками-качалками, при этом не создавая дополнительную нагрузку на электропривод СК. Эта дополнительная электроэнергия будет использоваться для обслуживания этих же объектов нефтедобычи: обогрев автоматических групповых замерных установок, блочных устройств по дозировке химических реагентов, обогрев подземного оборудования и устьевой арматуры скважины с помощью «греющих кабелей».
Источники литературы
1. Махмудов С.А. Монтаж, эксплуатация и ремонт скважинных насосных установок: Справочник мастера. - М.: Недра, 1987. - 208 с.
2. Трофимова Т.Н. Курс физики: Учебное пособие для вузов, - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 1990. - 478 с.