СТАНОК-КАЧАЛКА
PUMPING UNIT

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано для подъема жидкости из скважин.
Известны скважинные штанговые насосные установки для подъема жидкости из скважин, содержащие станок-качалку, скважинный штанговый насос с плунжером, спускаемый в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, а также колонну штанг, размещаемую в колонне насосно-компрессорных труб и соединяющую станок-качалку с плунжером скважинного штангового насоса. Станок-качалка, смонтированный рядом с устьем скважины, в процессе работы перемещает колонну штанг с плунжером возвратно-поступательно, что обеспечивает всасывание насосом скважинной жидкости и нагнетание ее в колонну насосно-компрессорных труб, по которой эта жидкость поднимается на поверхность. Известны различные конструкции станков-качалок: безбалансирные, балансирные, в том числе с одноплечим балансиром, с пневматическим уравновешиванием, с двухплечим балансиром.
Общим их недостатком является высокая трудоемкость операций по управлению дебитом скважины, а также по производству монтажа и ремонта станков-качалок, обусловленная использованием в их конструкции громоздкого механического редуктора и ременной передачи. Изменение суточного дебита скважины при использовании этих станков-качалок может быть произведено тремя способами:
1) изменением числа качаний балансира и соответственно ходов плунжера штангового насоса в течение суток;
2) изменением длины хода плунжера штангового насоса;
3) изменением диаметра штангового насоса.
Для оперативного управления дебитом скважины используют только первый способ, поскольку два других способа более трудоемки, требуют привлечения ремонтных бригад, оснащенных спецтехникой для проведения демонтажных работ, отнимают много времени и материальных ресурсов. Для практической реализации первого способа используют ручные операции по смене диаметров шкивов ременной передачи, которые, во-первых, не всегда могут обеспечить требуемый диапазон изменения дебита скважины, а во-вторых, являются достаточно трудоемкими. Поэтому, на практике, для регулирования отбора жидкости из скважин часто пользуются так называемой периодической эксплуатацией скважины, которая заключается в выключении электродвигателя станка-качалки на некоторый период времени. Однако пуск станка-качалки после многочасового периода простоя происходит в условиях повышенных нагрузок на двигатель, обусловленных нарушением уравновешенности из-за изменения динамического уровня жидкости в затрубном пространстве скважины, а также из-за страгивающих напряжений, возникающих при скольжении штанговых муфт и скребков по слою асфальто-смолистых и парафиновых отложений на стенках насосно-компрессорных труб. Иногда станок-качалку невозможно запустить с помощью системы автоматического пуска, и требуется производить ручной пуск, используя кратковременные интервалы включения электродвигателя, для раскачивания маховых масс противовесов с постепенным увеличением амплитуды. Кроме того, любой пуск достаточно мощного электродвигателя станка-качалки сопровождается возникновением пусковых токов, многократно превышающих номинальное значение, что неблагоприятно влияет на надежность работы электроподводящей сети, усложняет и удорожает ее конструкцию.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.
Наиболее близок по технической сущности к заявляемому устройству станок-качалка, который содержит опорную раму с установленными на ней двигателем, клиноременной передачей, редуктором и шарнирным четырехзвенным механизмом [А.Г.Молчанов, В.Л.Чичеров «Нефтепромысловые машины и механизмы». М.: Недра, 1983, стр.64-69]. Четырехзвенный механизм преобразует вращательное движение вала двигателя в возвратно-поступательное движение колонны штанг, подвешиваемой к четырехзвенному механизму на гибкой тяге и, кроме того, уравновешивает перемещаемую массу колонны штанг. Он содержит балансир, шарнирно прикрепленный к опорной раме, с образованием относительно оси шарнира переднего и заднего плеч балансира, два параллельных кривошипа с противовесами, которые шарнирно закреплены общим валом к опорной раме, два скрепленных траверсой параллельных шатуна, которые своими концами шарнирно связаны с кривошипами, а траверсой шарнирно связаны с задним плечом балансира. Вал кривошипов является одновременно ведомым валом редуктора, ведущий быстроходный вал которого посредством клиноременной передачи приводится во вращение валом электродвигателя. Редуктор и клиноременная передача станка-качалки имеют значительные габариты и массу и имеют конструктивное исполнение, которому присущи все указанные выше недостатки, связанные с высокой трудоемкостью операций по управлению дебитом скважины, а также по производству монтажа и ремонта.
С целью снижения трудоемкости операций по управлению дебитом скважины, а также по производству монтажа и ремонта оборудования станок-качалка, который содержит опорную раму и четырехзвенный шарнирный механизм в виде балансира, шарнирно прикрепленного к опорной раме, с образованием относительно оси шарнира переднего и заднего плеч балансира, двух параллельных кривошипов с противовесами, которые шарнирно закреплены общим валом кривошипов к опорной раме, двух скрепленных траверсой параллельных шатунов, которые концами шарнирно связаны с кривошипами, а траверсой шарнирно связаны с задним плечом балансира, снабжен приемной и напорной энергообменными камерами переменного объема, насосной станцией с управляемой производительностью, приемная магистраль которой соединена с приемной энергообменной камерой, а напорная магистраль - с напорной энергообменной камерой; по меньшей мере, одним гидроцилиндром со штоком, поршнем, штоковой и поршневой полостями переменного объема, который шарнирно прикреплен концом штока к заднему плечу балансира, а корпусом - к опорной раме, а его штоковая полость соединена с приемной и напорной энергообменными камерами переменного объема отдельными гидролиниями, на каждой из которых установлено управляемое запорное устройство с приводом от вала кривошипов.
Также станок-качалка снабжен объемным насосом компенсации утечек с приводом от вала кривошипов, который сообщен своим выкидом с приемной энергообменной камерой, гидробаком, имеющим нижнюю камеру, которая сообщена с приемом насоса компенсации утечек и камерами сбора утечек рабочей жидкости от подвижных узлов, а также верхнюю камеру, снабженную сифонным патрубком, сообщающим ее с атмосферой, и штуцером с регулируемым проходным отверстием, сообщающим ее с нижней камерой.
Станок-качалка снабжен управляемым запорным устройством с электрическим и ручным приводом, установленным на гидролинии, сообщающей штоковую полость гидроцилиндра с приемной и напорной энергообменными камерами, а также устройством фиксации положения балансира, который выполнен в виде штока, шарнирно прикрепленного одним концом к заднему плечу балансира, а другим концом, вставленного в направляющий цилиндр, шарнирно прикрепленный к опорной раме, и снабженный механизмом зажима и фиксации штока, а балансир снабжен противовесом, масса и место расположения которого на балансире обеспечивают уравновешенность плеч балансира при отсоединении от него штока гидроцилиндра, шатунов и колонны штанг.
Насосная станция станка-качалки, по меньшей мере, имеет два насоса с приводами, снабженными устройствами дистанционного управления работой двигателей, а выкиды насосов оборудованы обратными клапанами.
Элементы гидросистемы станка-качалки конструктивно скомпонованы в виде отдельного транспортабельного блока с возможностью быстрого его монтажа и демонтажа от других частей механизма станка-качалки.
На фиг 1. представлена принципиальная схема станка-качалки, на фиг.2 - схема управляемого запорного устройства с приводом от вала кривошипов, который устанавливается на гидролиниях, соединяющих штоковую полость гидроцилиндра с приемной и напорной энергообменными камерами переменного объема (схема устройства дана в двух положениях: а) закрыто, б) открыто; на фиг.3 - схема объемного насоса компенсации утечек с приводом от вала кривошипов (схема насоса дана в двух положениях поршня: а) в крайнем нижнем, б) в крайнем верхнем).
Станок-качалка содержит балансир 1, шарнирно прикрепленный к опорной раме 2. К переднему плечу балансира гибкой тягой 1.1 присоединяется колонна штанг (на фиг.1 не показана). К заднему плечу балансира 1 шарнирно присоединена траверса 4.1 двух параллельных шатунов 4, шарнирно связанных с двумя кривошипами 3, имеющими противовесы 3.1. Кривошипы 3 закреплены на валу кривошипов 3.2, который, в свою очередь, прикреплен к опорной раме 2 с возможностью осевого вращения.
К заднему плечу балансира 1 шарнирно прикреплен шток 5.1, который другим концом прикреплен к поршню 5.2, помещенному в гидроцилиндр 5. Выход штока из гидроцилиндра 5 уплотнен сальником 5.3 и снабжен камерой сбора утечек 5.4, которая сообщена с нижней камерой 6.1 гидробака 6 гидролинией 8. Штоковая полость 5.5 гидроцилиндра 5 сообщена гидролинией 7 и ее отводами 7.1 и 7.2 с приемной 10.1 и напорной 10.2 энергообменными камерами, а его поршневая полость 5.5 сообщена с нижней камерой 6.1 гидробака 6 гидролинией 8. На гидролинии 7 установлено управляемое запорное устройство 7.5 с электрическим и ручным приводом 7.6. На отводах 7.1 и 7.2 установлены управляемые запорные устройства 7.3 и 7.4 с кулачковым приводом от вала кривошипов 3.2.
Схема управляемого запорного устройства 7.3 и 7.4 показана на фиг.2. Устройство содержит тарельчатый клапан 7.7, который открывается под воздействием кулачка 3.3, установленного на валу кривошипов 3.2, на роликовый толкатель 7.10, связанный с клапаном 7.7 через поршень 7.9 и шток 7.8 (см. фиг.2б). Поршень 7.9 с штоком 7.8 образуют вместе с цилиндром, в котором они перемещаются, камеру сбора утечек 7.11, сообщенную гидролинией 8 с нижней камерой 6.1 гидробака 6. Внутри камеры сбора утечек 7.11 установлена пружина, сила упругости которой, воздействуя на поршень 7.9, стремится закрыть тарельчатый клапан 7.7, когда кулачок 3.3 занимает положение, показанное на фиг.2а.
Нижняя камера 6.1 гидробака 6 сообщена гидролинией 8 с всасывающим клапаном 9.1 насоса компенсации утечек 9, который имеет кулачковый привод от вала 3.2 кривошипов 3. Схема насоса компенсации утечек 9 показана на фиг.3. Он содержит сдвоенный поршень 9.4, который вместе с цилиндром, в который он помещен, образует герметичные поршневую 9.3 и межпоршневую 9.7 полости;
пружину 9.5, расположенную в межпоршневой полости 9.7, которая одним концом упирается в поршень 9.4, а другим - в выступ цилиндра, роликовый толкатель 9.6, закрепленный на поршне 9.4 с открытой стороны цилиндра, который взаимодействует с кулачком 3.4, установленном на валу 3.2 кривошипов 3. Поршневая полость 9.3 насоса 9 является рабочей камерой насоса и снабжена всасывающим 9.1 и нагнетательным 9.2 клапанами. Всасывающий клапан 9.1 является приемом, а нагнетательный клапан 9.2 является выкидом насоса, который соединен с приемной энергообменной камерой 10.1. Межпоршневая полость 9.7 является камерой сбора утечек и соединена гидролинией с нижней камерой 6.1 гидробака.
Верхняя камера 6.2 гидробака сообщена с его нижней камерой 6.1 регулируемым проходным каналом штуцера 6.3, а также сообщена с атмосферой сифонным патрубком 6.4, вход которого расположен в донной части ее объема. Нижняя камера 6.1 гидробака сообщена с атмосферой отверстием, расположенным в верхней части ее объема.
К заднему плечу балансира 1 шарнирно прикреплен шток 1.2, вставленный в направляющий цилиндр 1.3, шарнирно связанный с опорной рамой 2 и снабженный механизмом зажима 1.4 штока 1.2. Они образуют устройство фиксации положения балансира 1, которое используется в процессе монтажа, ремонта и обслуживания станка-качалки. Кроме того, на заднем плече балансира 1 устанавливается противовес 1.5, который уравновешивает заднее и переднее плечо балансира при отсоединении от него штока 5.1, траверсы 4.1 с шатунами 4, а также колонны штанг от подвески 1.1.
Насосная станция 11 содержит два насоса 11.1 с дистанционно управляемыми приводами 11.2. Выкиды насосов 11.1 оборудованы обратными клапанами 11.3 и сообщены с напорной энергообменной камерой 10.2. Приемы насосов 11.1 сообщены гидролиниями с приемной энергообменной камерой 10.1.
Энергообменные камеры 10.1 и 10.2 при необходимости могут быть снабжены подвижными перегородками, например, в виде мембраны, как показано на фиг.1. Подвод среды энергообмена к энергообменным камерам 10.1 и 10.2 осуществляется по гидролиниям 10.3 и 10.4, снабженным запорными устройствами.
Станок-качалка работает следующим образом. Перед началом работы приемная 10.1 и напорная 10.2 энергообменные камеры, а также верхняя камера 6.1 гидробака должны быть заполнены необходимым объемом рабочей жидкости, например маслом. Кроме того, к приемной энергообменной камере 10.1 по гидролинии 10.3 от системы энергообмена (на фиг.1 не показана) должна быть подведена жидкая или газообразная среда под определенным расчетным давлением Рп, которое должно поддерживаться системой энергообмена на постоянном или близком к постоянному уровню в процессе периодического отбора и притока в приемную энергообменную камеру 10.1 порций рабочей жидкости, а к напорной энергообменной камере 10.2 система энергообмена должна подводить по гидролинии 10.4 ту же среду энергообмена и при тех же условиях, но уже под другим, более высоким расчетным давлением Рн=Рп+ΔР.
В процессе откачки насосная станция 11 своими насосами 11.1 непрерывно перекачивает рабочую жидкость из приемной энергообменной камеры 10.1 в напорную энергообменную камеру 10.2 с некоторым установленным расходом Qн=ΣQi, где Qi - производительность одного работающего насоса 11.1, входящего в состав насосной станции 11. Когда управляемый клапан 7.4 открыт, а клапан 7.3 закрыт (как показано на фиг 1), рабочая жидкость из энергообменной камеры 10.2 поступает в штоковую полость 5.5 гидроцилиндра и своим давлением Рн перемещает поршень 5.2 вместе со штоком 5.1, шатунами 4 и задним плечом балансира 1 вниз. Это перемещение будет продолжаться до момента, пока нижний конец шатуна 4, шарнирно прикрепленный к кривошипу 3, достигнет крайней нижней точки на окружности вращения этого шарнира относительно вала 3.2 кривошипов 3. Под воздействием силы инерции кривошипы 3 с противовесами 3.1 будут продолжать вращение в том же направлении, при этом под воздействием кулачков 3.3 на валу 3.2 кривошипов управляемый клапан 7.4 закроется, а управляемый клапан 7.3 откроется. Вследствие этого поступление рабочей жидкости из напорной энергообменной камеры 10.2 в штоковую полость 5.5 прекратится, заднее плечо балансира 1 начнет перемещаться вверх, жидкость из штоковой полости 5.5 начнет поступать в энергообменную камеру 10.1, а переднее плечо балансира 1 вместе с колонной штанг, прикрепленной к точке подвеса 1.1, будет перемещаться вниз. Перемещающиеся вверх массы шатунов 4, кривошипов 3 с противовесами 3.1, как и давление Рп рабочей жидкости в приемной энергообменной камере 10.1, будут аккумулировать потенциальную энергию перемещающейся вниз массы колонны штанг. Когда нижний конец шатуна 3 достигнет крайней верхней точки на окружности вращения относительно вала 3.2 кривошипов, то продолжающееся под воздействием силы инерции масс кривошипов 3 и противовесов 3.1 вращение вала 3.2 кривошипов с кулачками 3.3 приведет к обратному переключению управляемых клапанов 7.4 и 7.3 и к повторению предыдущего цикла.
Очевидно, что дебит скважины, как и производительность скважинного штангового насоса, приводимого в действие колонной штанг, зависят от частоты качаний балансира 1, которая, в свою очередь, зависит от производительности Qн насосной станции 11. Путем периодического отключения одного или обоих дистанционно управляемых насосов 11.1 можно дистанционно, в том числе автоматически, изменять величину Qн и устанавливать необходимые суточные дебиты скважины. При этом при запусках и при работе электродвигатели приводов насосов не испытывают значительных колебаний нагрузок, какие происходят при работе электродвигателей станков-качалок с механическим редуктором и ременной передачей. Поэтому условия их работы существенно более благоприятны с точки зрения обеспечения высокой надежности работы как самих двигателей, так и системы энергоснабжения.
Рабочая жидкость, утекающая через неплотности подвижных соединений штока 5.1 и поршня 5.2 гидроцилиндра, а также управляемых клапанов 7.3 и 7.4 и других узлов станка-качалки, самотеком из своих камер сбора утечек поступает в нижнюю камеру 6.1 гидробака. Насос компенсации утечек 9, производительность которого заранее устанавливается более высокой, чем объем ожидаемых утечек, под воздействием кулачка 3.4, вращающегося вместе с валом 3.2 кривошипов, непрерывно в процессе работы перекачивает всю поступающую в нижнюю камеру 6.1 гидробака рабочую жидкость в энергообменную камеру 10.1. Потери некоторой части утекающей через подвижные соединения рабочей жидкости будут компенсироваться объемом рабочей жидкости, поступающей самотеком из верхней камеры 6.2 через штуцер 6.3 с регулируемым отверстием в нижнюю камеру 6.1 гидробака. Необходимый для компенсации объем рабочей жидкости определяется опытным путем и, в соответствии с его величиной и действующим постоянным перепадом давления между камерами, настраивается пропускная способность штуцера 6.3, которую регулярно корректируют в процессе обслуживания.
Чтобы произвести ремонт или замену гидроцилиндра 5 сначала фиксируют положение балансира 1 с помощью механизма зажима 1.4 штока 1.2, потом с помощью запорного устройства 7.5, управляемого механизмом 7.6, перекрывают гидролинию 7, а затем отсоединяют гидроцилиндр 5 и его элементы от балансира 1, от рамы 2 и гидролиний 7 и 8. Противовес 1.5, установленный на балансире 1, уравновешивает переднее и заднее плечо балансира 1 и позволяет вручную, без больших усилий, поворачивать балансир относительно его оси в нужное положение в процессе присоединения к нему шатунов 4, штоков 1.2 и 5.1.
По сравнению с прототипом и другими аналогами предлагаемый станок-качалка обеспечивает следующие преимущества:
1. При эксплуатации станка-качалки используется постоянная, максимальная длина хода точки подвеса штанг, поскольку нет никакой практической необходимости ее изменять в целях изменения дебита скважины. Управление суточным дебитом скважины может осуществляться, причем в более широком диапазоне, дистанционно, в том числе автоматически, путем изменения только производительности насосной станции. Это будет способствовать увеличению объемов добычи нефти, нефтеотдачи пласта, межремонтного периода скважины, а также снижению затрат энергетических и материальных ресурсов.
2. При работе станка-качалки колебания величины тока в электроподводящей цепи, в том числе при запуске, происходят с более низкой амплитудой, поскольку для привода насосов насосной станции используется менее мощные двигатели, нет никаких страгивающих нагрузок и т.п., что способствует повышению надежности системы энергоснабжения и снижению затрат на ее эксплуатацию.
3. Станок-качалка имеет меньшую массу при тех же рабочих параметрах, более высокую ремонтоспособность и транспортабельность, что способствует снижению эксплуатационных издержек.