ПРИВОД СКВАЖИННОГО ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к скважинным приводам плунжерного насоса.
Известен «Станок-качалка» (патент RU №2224910, F04B 47/02, опубл. Бюл. №6 от 27.02.2004 г.), содержащий стойку, одноплечий балансир, траверсу, шатуны, кривошипы с противовесами, привод, при этом ось вращения кривошипов и ось качания траверсы расположены на одинаковом расстоянии от оси качания балансира, а отношение переднего плеча балансира к расстояниям от оси вращения кривошипов до оси качания балансира соответственно по горизонтали и вертикали выполнены в соотношении 10:5:6.
Известен также «Привод цепной скважинного штангового насоса ПЦ 80-6-1/4 БМЗ» (патент ПМ №67657, F04B 47/02, опубл. Бюл. №30 от 27.10.2007 г.), содержащий установленные на основании на единой раме корпус, двигатель, редуктор, помещенный в корпусе механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное и включающий ведущую и ведомую звездочки, охваченные замкнутой тяговой цепью, связанной с кареткой, соединенной с противовесом, выполненным П-образной формы в поперечном сечении и установленном в направляющих корпуса с размещением цепи в его открытой полости, соединенным через связывающий элемент с узлом подвески штанг, вертикальные оси симметрии преобразующего механизма, противовеса и связующего элемента расположены в непосредственной близости от одной вертикальной плоскости, механизм для отката привода от устья скважины, ведомая звездочка установлена в корпусе с возможностью ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения цепи, а нижняя часть корпуса снабжена устройством для смазывания тяговой цепи, при этом связывающий элемент противовеса с узлом подвески штанг выполнен в виде ленты из гибкого неметаллического эластичного материала, а связь противовеса с узлом подвески лентой выполнена с использованием барабана, установленного с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, а направляющие ролики катков противовеса выполнены из неметаллического материала, корпуса которых снабжены болтами для регулирования положения противовеса относительно направляющих корпуса привода, перемещая его вперед или назад, влево или вправо, для обеспечения работы тяговой цепи в оптимальных условиях нагружения, при этом рама привода смонтирована на фундаментной плите, снабженной отжимными устройствами для перемещения привода в горизонтальной плоскости и по оси, перпендикулярной к оси перемещения привода от устья скважины, редуктор привода снабжен закрепленной к его корпусу
электромеханической системой торможения при аварийных ситуациях, при этом плита подредукторная и плита под опорой ведущей звездочки снабжены болтами для регулирования положения их по двум взаимно перпендикулярным осям.
Недостатками данных устройств являются невозможность использования в погружном варианте, большая металлоемкость, сложность изготовления и высокая стоимость оборудования, так как установки имеет большой нерегулируемый рабочий ход и, как следствие, большие знакопеременные нагрузки на штанги и конструкцию в целом во время работы, напрямую связанные с подъемом большого количества жидкости за один рабочий ход.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является «Привод скважинного штангового насоса» (патент RU №2133875, F04B 47/02, опубл. Бюл. №21 от 27.07.1999 г.), содержащий электродвигатель, кинематически связанный с ним двухходовый винт с гайкой, ролики с тяговым элементом, при этом гайка установлена с возможностью осевого перемещения по вертикальной направляющей, непосредственно соединена со штанговой колонной снизу, а сверху - с колонной насосно-компрессорных труб тягой, выполненной в виде гибкой связи, кроме того, снабжен уравновешивающим контргрузом, размещенным на стойке, расположенной соосно с винтом, причем высота стойки больше длины хода гайки.
Недостатками данного устройства являются невозможность использования в погружном варианте, возможность осуществления только линейной нерегулируемой характеристики в процессе работы продольного перемещения плунжера со штанговой колонной, соединенной с гайкой, низкий коэффициент полезного действия (КПД) и большой износ соединения «винт-гайка» из-за взаимодействия скольжением между ними, причем для возвратно-поступательного перемещения необходимо реверсивное вращение, что значительно усложняет и, как следствие, повышает стоимость устройства.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание дешевой, долговечной и надежной погружной конструкции привода с регулируемой характеристикой перемещения штанговой колонны с большим осевым усилием за счет малых габаритов, равномерности распределения нагрузок и исключения взаимодействия скольжения в нагруженных деталях.
Техническая задача решается приводом скважинного плунжерного насоса, содержащим электродвигатель, кинематически связанный с ним подъемный механизм, плунжерный насос, спускаемый в скважину на колонне насосно-компрессорных труб.
Новым является то, что подъемный механизм выполнен в виде корпуса, по оси которого установлен вал, при этом корпус жестко соединен снизу со статором электродвигателя, соединенного питающим кабелем с устьевым источником питания, а сверху - с корпусом
плунжерного насоса, причем в корпусе выполнены опорные выступы, на которые сверху через буферный материал установлены без возможности вращения кулачки, выполненные в виде полых втулок, верхние торцы которых изготовлены в виде разноуровневых лекальных поверхностей, при этом вал снизу кинематически соединен с ротором электродвигателя, а сверху - с плунжером насоса, причем вал снабжен роликами, оси которых закреплены под углом к оси вала с равномерным смещением по его высоте и окружности, наружные поверхности роликов выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими верхними торцами кулачков.
На чертеже изображен привод с двумя роликами в продольном разрезе.
Привод скважинного плунжерного насоса содержит электродвигатель (на черт. не показан), кинематически связанный с ним подъемный механизм 1, выполненный в виде корпуса 2 с размещенным по оси валом 3, плунжерный насос (на черт. не показан), спускаемый в скважину (на черт. не показан) колонной насосно-компрессорных труб (НКТ - на черт. не показана). Корпус 2 снизу соединен жестко со статором (на черт. не показан) электродвигателя, соединенного питающим кабелем (на черт. не показан) с устьевым источником питания (на черт. не показан), а сверху - с корпусом плунжерного насоса и оснащен внутренними опорными выступами 4, на которые сверху через буферный материал 5 установлены без возможности вращения (например, за счет шпонок 6) кулачки 7, выполненные в виде одинаковых полых втулок. Вал 3 соединен снизу кинематически с ротором (на черт. не показан) электродвигателя, а сверху - с плунжером насоса. Вал 3 оснащен роликами 8, оси 9 которых закреплены под углом α к оси вала 3 с равномерным смещением по его высоте и по его окружности. Наружные поверхности 10 роликов 8 выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими верхними торцами 11 кулачков 7, которые изготовлены в виде разноуровневых лекальных поверхностей, обеспечивающих синхронную работу всех роликов 8.
Привод работает следующим образом.
Корпус 2 подъемного механизма 1 и вал 3 изготавливают так, чтобы их опорные выступы 4 и соответствующие ролики 8 были разнесены одинаково по их длине, причем количество опорных выступов 4 и роликов 8 тем больше, чем выше нагрузка, зависящая от длины рабочего хода Н и от вязкости извлекаемой из скважины жидкости (чем больше рабочий ход Н и/или вязкость, тем больше количество роликов 8 и соответствующих им кулачков 7). Причем оси 9 роликов 8 закрепляются (например, гайками 12) под углом α (от 40° до 90° из практики, независимо от наклона оси 9 вверх или вниз) к оси вала 3 и равномерно также размещаются и фиксируются по окружности вала 3, например: для двух роликов они смещены на 180° (см. черт.), для трех - на 120°. Затем в корпус 2 вставляют
одинаковые кулачки 7, опирая их через буферный материал 5 (пластичный материал: плотная резина, свинец, олово и т.п.), на опорные выступы 4 и фиксируя от проворота шпонками 6 так, что угол смещения по окружности соответствовал размещению осей 9 роликов 8 относительно окружности вала 3. После чего подъемный механизм 1 собирают, для чего корпус может изготавливаться сборным (на черт. не показан), и испытывают на стенде (на черт. не показан) с нагрузкой в полутора или два раза превышающей рабочую. При этом неточности изготовления деталей выбираются за счет смятия буферного материала 5 и прокладок 13, установленных между роликами 8 и валом 3, что обеспечивает точную подгонку всех деталей привода и равномерное распределение усилий между ними. Затем вал 3 соединяют снизу кинематически (напрямую или через редуктор) с ротором электродвигателя с возможностью продольного перемещения вала 3, а сверху - с плунжером насоса. При этом корпус 2 подъемного механизма 1 снизу соединяют со статором электродвигателя, а сверху - с цилиндром плунжерного насоса. Эту конструкцию в сборе спускают в скважину на колоне НКТ с питающим кабелем электродвигателя, который соединяют с устьевым источником питания. Причем вход (на черт. не показан) плунжерного насоса сообщен с внутрискважинным пространством, а выход - с колонной НКТ. После размещения плунжерного насоса в требуемом интервале скважины через питающий кабель запускают электродвигатель, ротор которого, передавая вращение на вал 3, который благодаря взаимодействию наружных поверхностей вращения 10 роликов 8 с соответствующими верхними торцами 11 кулачков 7, выполненных в виде разноуровневых по высоте Н лекальных поверхностей, получает также возвратно-поступательное перемещение, передаваемое на плунжер насоса. В результате жидкость из скважины поднимается по колонне НКТ на поверхность. Так как верхние торцы 11 кулачков 7 могут быть выполнены любых лекальных форм, то можно задать любой режим работы плунжерного насоса, например: плавный подъем и резкий спуск (для уменьшения нагрузки при подъеме и уменьшения времени возврата), резкий начальный подъемный импульс (для закрытия нагнетательного клапана плунжерного насоса при перекачке вязких жидкостей) и т.п. При этом из-за небольшого рабочего хода Н и равномерного распределения нагрузки между роликами 8, обеспечивающими взаимодействие качением между поверхностями 10 и 11 роликов 8 и кулачков 7 соответственно, конструкция погружного привода получается компактной, неметаллоемкой, дешевой, надежной и долговечной с большим осевым усилием.
Предлагаемая конструкция привода является дешевой, долговечной и надежной погружной конструкцией с регулируемой характеристикой перемещения штанговой колонны и большим осевым усилием.