Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти (варианты)
LINEAR RACK-AND-PINION DRIVE OF SUCKER ROD PUMP FOR OIL PRODUCTION (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения, а именно к насосным системам для извлечения из скважин пластовой жидкости, в частности, добычи нефти с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН).
В технике разработки жидких полезных ископаемых, в частности, нефти, широко распространенными насосными системами для добычи являются установки штанговых глубинных насосов (УШГН).Общие признаки этих установок следующие:
1) Рабочим органом насосной системы является поршневой глубинный насос, размещенный непосредственно в нефтедобывающей скважине.
2) Трансмиссия на базе штанговой колонны с находящимся в ее верхней части устьевым (полированным) штоком. Она связывает поверхностный привод с глубинным насосом и передает ему возвратно-поступательное движение.
3) Поверхностный привод (электромеханический преобразователь), преобразующий электрическую энергию в механическую энергию возвратно-поступательного движения.
4) Система управления работой насосной установки.
Важный фактор, который необходимо учитывать для оптимизации характеристик УШГН, является растяжение колонны насосных штанг, длина которой может составлять более 300 м, а колебания растягивающей силы в различных фазах работы насоса может достигать 120кН и более. В этих условиях колонна насосных штанг работает как пружина растяжения, которая при ходе вверх растягивается, а при ходе вниз,- сокращается. Величина такого колебания длины может составлять более 0,8 м и имеет тенденцию к увеличению при работе в более глубоких скважинах. Таким образом, эта величина вредного колебания длины колонны насосных штанг вычитается из полной длины рабочего хода поверхностного привода УШГН. Для обеспечения приемлемого КПД УШГН, это диктует необходимость применения систем поверхностного привода УШГН с рабочим ходом, значительно превышающим величину вышеописанного колебания длины колонны насосных штанг.
Наиболее распространенным видом поверхностного привода УШГН являются балансирные станки качалки [С.Б. Якимов, А.А. Клусов, А.А. Баринов «Линейный привод ШГН. Первый опыт применения в России» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 48]. Данный вид привода имеет существенные недостатки. Главные из которых: большая металлоемкость, необходимость строительства под них массивного фундамента и неоптимальный закон движения выходного звена, связанного со штанговой колонной, что снижает надежность работы УШГН и КПД насоса. Эти недостатки стимулировали поиск более совершенных технических решений.
Известны цепные и канатные приводы УШГН [В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 47] Однако из-за сложности кинематической схемы преобразования вращательного движения электродвигателя в линейное возвратно-поступательное движение штанговой колонны, и наличия ненадежных гибких звеньев (канат, цепь), цепной или канатный привод существенно уступает в надежности станку качалке, также требует обустройства массивного фундамента, хотя и в некоторой степени выигрывает по металлоемкости и предоставляет возможность более гибко регулировать закон движения выходного звена.
Известен линейный гидравлический привод УШГН, который позволяет избавиться от некоторых из недостатков балансирных станков-качалок, в частности, позволил уменьшить массу и металлоемкость установки, облегчить ее монтаж и демонтаж на скважине УШГН [В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 47]. Гидропривод, хотя и позволяет обеспечить более оптимальные характеристики работы, в частности, закон скорости движения выходного звена, но также является очень сложной и недостаточно надежной системой, недостатки которой особенно сильно проявляются при работе в условиях эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха. Широкого распространения система не получила.
Перечисленные выше недостатки отсутствуют у линейного реечного электромеханического привода УШГН (ЛРПШГН) [С.Б. Якимов, А.А. Клусов, А.А. Баринов «Линейный привод ШГН. Первый опыт применения в России» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 48-54] Необходимость обслуживать ШГН обуславливает наличие сквозного открытого или закрытого канала в зубчатой рейке, в котором размещается устьевой шток. В этом случае прикрепление штока происходит в верхней части рейки и это позволяет проводить ремонтные и сервисные работы с ШГН без демонтажа привода УШГН.
Также известно «Устройство линейного штангового насоса и способ его эксплуатации» [US 8152492 В2]. Устройство обеспечивает возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного штангового насоса (ШГН)
Устройство содержит:
Линейный механический привод, состоящий из:
- корпуса установленного на фланце колонной головки;
- вертикально расположенного подвижного элемента, связанного со штанговой колонной УШГН, с помощью которого обеспечивается управляемое возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного насоса;
- реверсивного двигателя, соединенного через редуктор с вертикально подвижным элементом.
Двигатель попеременно вращается сначала в прямом направлении при первой части хода насоса (ход плунжера вверх), а затем в обратном направлении при протекании второй части хода насоса (ход плунжера вниз);
Устройство линейного механического привода включает в себя зубчатую реечную передачу, состоящую из зубчатой рейки и ведущей шестерни, приспособленное для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения рейки вдоль оси рабочего хода насоса. Зубчатая рейка находится в зацеплении с зубчатым венцом ведущей шестерни, а эта шестерня функционально соединена с вращающимся валом двигателя. Таким образом, вращение электродвигателя в прямом направлении, обеспечивает движение зубчатой рейки вертикально вверх вдоль оси рабочего хода насоса, а движение рейки вертикально вниз, сопровождается вращением двигателя в обратном направлении. Зубчатая рейка механически соединена с устьевым штоком штанговой колонны для передачи усилия.
Рейка имеет в ее верхнем конце узел с зажимом для прикрепления штока штанговой колонны. В рейке имеется сквозное продольно направленное отверстие, проходящие вдоль оси рабочего хода насоса. Шток имеет возможность перемещения внутри рейки в отверстии. Крепежный зажим обеспечивает опору и осуществляет передачу
усилия к верхнему концу штанговой колонны от рейки привода.
Рейка привода, имеющая U-образное поперечное сечение, образующее продольно направленное отверстие в форме открытого канала, расположенного вокруг оси рабочего хода насоса, а с наружной поверхности центральной части рейки, направленной противоположно от ножек, имеются зубья для зацепления с соответствующими зубьями венца ведущей шестерни;
Устройство линейного штангового насоса также имеет одни или более направляющих роликовых подшипника. Они размещены продольно против ножек рейки и напротив шестерни, для обеспечения зацепления зубьев рейки с зубчатым венцом ведущей шестерни;
Устройство линейного штангового насоса, имеет пару направляющих опор, размещаемых с боков ножек рейки, напротив друг друга, для принудительного удержания рейки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев рейки с венцом ведущей шестерни.
Система управления (СУ) линейным реечным приводом насосной установки обеспечивает работу электродвигателя в «двигательном» режиме при движении рейки вверх (прямое вращение электродвигателя) при восходящей части рабочего хода насоса; и обеспечивает работу двигателя в режиме торможения (электродвигатель работает в «генераторном» режиме), при движении рейки вниз при нисходящей части рабочего хода насоса. СУ включает в себя элемент хранения энергии, для накопления энергии, вырабатываемой когда электродвигатель работает в генераторном режиме, в котором расположен блок для использования накопленной энергии, обеспечивающий передачу накопленной энергии электродвигателю во время работы электродвигателя в двигательном режиме. Система управления также может включать в себя рассеивающий элемент для обеспечения рассеивания энергии, вырабатываемой электродвигателем в режиме торможения его работы, при этом устройство управления избирательно настраивается для работы одного или другого из элементов накопителя энергии и элемента рассеивания энергии.
Устройство дополнительно содержит в своем составе масляную ванну, расположенную ниже нижнего конца рейки, содержащую объем смазки, и для погружения в него нижней части рейки, в результате чего происходит смазка рейки при ее рабочем перемещении.
Устройство дополнительно может содержать упругий элемент, расположенный внутри полости в отстойнике, ниже нижнего конца рейки. Он обеспечивает появление в системе направленного вверх усилия приложенного к нижнему концу рейки, в случае если нижний конец рейки вышел за пределы разрешенного нормального нижнего положении рейки во время протекания рабочего хода. Упругий элемент может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу рейки в течение части каждого рабочего хода ГШН. Упругий элемент может быть выполнен в виде пневмоцилиндра, в котором воздух сжимается при ходе рейки вниз, и расширяется при ходе рейки вверх. Последнее позволяет использовать энергию, высвобождаемую на стадии хода ШГН вниз, для использования при работе на стадии хода ШГН вверх.
Данное техническое решение обладает качествами, позволяющими обеспечивать гибкий оптимальный рабочий цикл с возможностью отдельного управления скоростью движения штанговой колонны насоса на любой из стадий, в том числе обеспечить возможность введения стадии ожидания между стадиями «ход вверх» и «ход вниз». Кроме того, для использования таких устройств нет необходимости в использовании массивных капитальных фундаментов на устье скважины. Устройство имеет существенно меньшую металлоемкость (массу) и целиком крепится непосредственно к фланцу обсадной колонны без необходимости обустройства фундамента. Недостатком этого патента, является то, что в данной конструкции направляющие рейки образованы четырьмя плоскими поверхностями, изготовление которых с заданной точностью является сложной и трудоемкой задачей как в корпусе, так и на самой рейке, и требующие механизмов настройки зазоров. Также, достаточно трудной задачей является изготовление зубчатой рейки большой длины со сквозным каналом. Необходимость применения рейки большой длины (больше 2500 мм) обусловлена потребностью обеспечить ход устьевого штока не менее 2000 мм.
Следующей попыткой улучшения привода УШГН явилось устройство по полезной модели «Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти» RU 168390 U1. Устройство представляет из себя линейный реечно-зубчатый привод УШГН, в котором, в отличие от описанного в патенте США US 8152492 В2, применена зубчатая рейка круглого сечения, вместо рейки U-образного (П-образного) сечения. Рейка может изготавливаться из цельного металлического круглого профиля путем проведения токарных, фрезерных и сверлильных операций. Данная конструкция является достаточно простой в изготовлении, так как направляющие образованы одной цилиндрической поверхностью, такую форму проще реализовать на практике.
Однако и это устройство не лишено недостатков:
- технологическая сложность изготовления зубчатой рейки большой длины со сквозным каналом,
- необходимость применения относительно дорогих цилиндро-конических редукторов для расположения центра тяжести редуктора максимально близко к оси рейки.
- возникновение значительных реактивных боковых сил от взаимодействия ведущей шестерни с зубчатой рейкой и необходимость восприятия этих усилий направляющими рейки, что дополнительно ведет к повышению металлоемкости установки.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству и принято за прототип.
Учитывая значительную технологическую сложность изготовление зубчатой рейки большой длины и большой грузоподъемности, была сформулирована цель изобретения.
Целью изобретения является уменьшение металлоемкости и повышение технологичности изготовления реечного узла с зубчатой рейкой большой длины.
Техническим результатом изобретения является создание конструкции линейного привода штангового глубинного насоса, обеспечивающей возможность исполнения с практически неограниченной длиной хода полированного штока, при уменьшенной, по сравнению с аналогами, металлоемкости и высокой технологичности.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в отличие от устройства прототипа, зубчатая рейка выполняется составной и имеет сечение в виде симметричного многоугольника с числом сторон более трех, причем зубцы рейки сформированы симметрично относительно центра многоугольника, на двух, и более сторонах этого многоугольника. Зубчатые поверхности рейки формируются на секциях небольшой длины, их длина избирается исходя из технологического удобства для механической и термической обработки. В дальнейшем эти секции присоединяются к основе рейки или соединяются между собой, составляя зубчатую рейку в сборе. Такая конструкция может быть выполнена любых требуемых размеров. Штанговая подвеска (устьевой шток) соединена с рейкой, преимущественно в верхней ее части.
Также в рейке может быть сквозной по ее длине закрытый канал, ось которого совпадает с осью устьевого штока, канал размещен в центре рейки и предназначен для размещения в нем устьевого штока. Соединение штока с рейкой целесообразно выполнять через подшипниковую опору, позволяющую штоку проворачиваться относительно рейки и приподниматься относительно нее. Такое решение предохраняет от передачи крутящего момента от устьевого штока к рейке, что позволяет отказаться от дополнительных направляющих рейки. Возможность штока приподниматься относительно рейки предохраняет его от поломки в случае прихвата штанг, штока или насоса.
Узел преобразования электрической энергии во вращательное движение приводных шестерен (механизм электропривода, МЭП), состоящий из электродвигателя, редуктора и приводной шестерни, выполнен разделенным на несколько одинаковых частей, расположенных симметрично вокруг оси рейки. В этом случае применяются МЭП по числу зубчатых поверхностей (венцов) зубчатой рейки.
Устройство может содержать электроприводной или механический штанговращатель, предназначенный для принудительного вращения штанг. Рейка может быть выполнена составной из частей, неподвижно соединенных между собой сваркой, пайкой, склеиванием или механически - болтами, заклепками.
-
Наличие зубьев на рейке более чем с одной стороны (преимущественно с двух), с равным количеством МЭП, позволяет снизить металлоемкость установки. Этому эффекту способствуют несколько составляющих:
1. Уравновешенность реактивных сил от шестерен привода позволяет уменьшить поперечное сечение рейки и корпуса передачи шестерня-рейка, поскольку изгибающие усилия уменьшаются.
2. Сборная конструкция рейки позволяет изначально при выборе сечения брать только столько материала, сколько нужно для обеспечения нужной прочности рейки, формируя сквозной канал многогранной формы с оптимальной толщиной стенок, а не ограничиваться имеющимися заготовками (напр. круглого профиля), впоследствии удаляя лишний материал сверлением или фрезерованием, не достигая удаления всего лишнего материала. Это дает экономию металла рейки 10-20%.
Расчет зубчатой передачи на усилие 120КН и длину хода 3500 мм в двух вариантах - с двумя и одним МЭП, рейки обе сборной конструкции согласно фиг. 12 и 13, соответственно, показывает следующие основные параметры:
Видно снижение металлоемкости варианта с двумя МЭП на 15% относительно варианта с одним МЭП.
Также стоит отметить меньшую трудоемкость нарезания двух зубчатых поверхностей рейки и двух шестерен с модулем 8 мм относительно одной зубчатой поверхности рейки и одной шестерни с модулем 12 мм, по машинному времени приблизительно на 15%.
МЭП расположены симметрично относительно оси рейки, что приводит к тому, что усилия реакции на рейку взаимно уравновешиваются, что позволяет отказаться частично или полностью от направляющих и опорных роликов. Также симметричное расположение МЭП приводит к уравновешиванию их сил тяжести и реактивных сил на корпус ЛРПШГН. Это позволяет применять редуктора привода с цилиндрическими шестернями вместо более дорогих цилиндро-конических, не заботясь о расположении центра тяжести редуктора максимально близко к оси рейки.
Также, в случае требуемой относительно небольшой грузоподъемности ЛРПШГН, возможно его исполнение с одним МЭП и односторонним расположением зубчатой поверхности на рейке, при этом рейка выполняется составной (фиг. 13). Такой вариант целесообразен, так как в этом случае положительный эффект от применения разделенного МЭП нивелируется усложнением конструкции, но выполнение рейки составной, существенно снижает ее себестоимость и позволяет обеспечить большой рабочий ход.
Снижение себестоимости рейки получается благодаря тому, что отпадают такие дорогостоящие операции, как глубокое сверление, фрезерование плоскостей и нарезка зубьев на заготовках большой длины и термическая обработка деталей большой длины.
Применение косозубых, шевронных или арочных зубьев позволяет повысить несущую способность и плавность работы передачи шестерня-рейка.
Спроектирован ЛРПШГН грузоподъемностью 12 т с длиной рабочего хода 3,5 м. и двухмоторным двухсторонним приводом (два МЭП). Проверочный расчет показал возможность снижение массы (металлоемкости) ЛРПШГН на 30% по сравнению с устройством по прототипу, с односторонним приводом.
Суть изобретения поясняется чертежами
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 показана конструкция ЛРПШГН в варианте с двумя МЭП и применением зубчатой рейки, показанной на фиг. 8
На фиг. 1 показан общий вид ЛРПШГН в двухмоторном варианте.
На фиг. 2 его разрез вертикальной секущей плоскостью.
На фиг. 3 - разрез горизонтальной секущей плоскостью.
На фиг. 4 показан в сечении горизонтальной секущей плоскостью вариант исполнения ЛРПШГН с тремя МЭП и применением зубчатой рейки, показанной на фиг. 9, на фиг. 5 - общий вид ЛРПШГН спереди.
На фиг. 6 и 7 показана конструкция ЛРПШГН в варианте с четырьмя МЭП и применением зубчатой рейки, показанной на фиг. 10. МЭП размещены в двух ярусах по высоте зубчатой рейки.
На фиг. 8-13 показаны различные варианты исполнения реек.
На фиг. 14-17 показаны различные варианты зубьев реек.
На чертежах приняты следующие обозначения:
3 - опора
4 - корпус
5 - устьевой шток
6 - первый электродвигатель
7 - первый редуктор
8 - рейка
9 - первая приводная шестерня
10 - опора подшипниковая
11 - второй электродвигатель
12 - второй редуктор
13 - вторая приводная шестерня
14 - масляная ванна
15 - демпфер
16 - корпус двойной передачи шестерня-рейка
17 - третий электродвигатель
18 - третий редуктор
19 - четвертый электродвигатель
20 - четвертый редуктор
23 - корпус тройной передачи шестерня-рейка
24 - корпус нижней двойной передачи шестерня-рейка
25 - третья приводная шестерня
26 - зубчатая полоса
28 - полоса соединительная
29 - сварной шов
31, 33 - соседние секции рейки
32 - линия стыка между секциями рейки
34 - зубчатая рейка прямозубая
35 - зубчатая рейка косозубая
36 - зубчатая рейка с зубьями арочной формы
37 - зубчатая рейка с зубьями шевронной формы
38 - профильная труба
На фиг. 8 в двух проекциях показан вариант исполнения рейки прямоугольного сечения с двумя зубчатыми поверхностями. Рейка состоит из элементов в виде полос, при этом на полосах 26 сформированы зубья, а полосы 28 не имеют зубьев и служат для соединения в единый узел - зубчатую рейку. При сборке полосы неподвижно соединяются между собой преимущественно сваркой, но могут быть применены и иные способы соединения, такие как: пайкой, клеевое, болтовое и т.д.
На фиг. 9 показан вариант исполнения рейки (вид с торца) шестигранного сечения с тремя зубчатыми поверхностями. Рейка состоит из элементов в виде полос, при этом на полосах 26 сформированы зубья, а полосы 28 не имеют зубьев и служат для соединения в единый узел - зубчатую рейку. При сборке полосы неподвижно соединяются между собой преимущественно сваркой, но также могут быть применены иные способы соединения, такие как: пайкой, клеевое, болтовое и т.д.
На фиг. 10 в двух проекциях показан вариант исполнения рейки прямоугольного сечения с четырьмя зубчатыми поверхностями. Рейка состоит из элементов в виде полос, при этом на полосах 26 сформированы зубья. При сборке полосы неподвижно соединяются между собой преимущественно сваркой, но также могут быть применены иные способы соединения, такие как: пайкой, клеевое, болтовое и т.д.
На фиг. 11 в двух проекциях показан вариант исполнения рейки, составной из секций по длине. Секции могут быть изготовлены, например, литьем. Длина секций избирается оптимальной с точки зрения минимизации количества стыков при сборке рейки и достаточной технологичности изготовления секций. При сборке секции соединяются между собой преимущественно сваркой.
На фиг. 12 в двух проекциях показан вариант исполнения рейки прямоугольного сечения с двумя зубчатыми поверхностями и основой в виде профильной трубы. Рейка состоит из элементов в виде полос 26, на коих сформированы зубья, и основы в виде профильной трубы 38. При сборке полосы неподвижно соединяются с основой преимущественно сваркой, но могут быть применены и иные способы соединения, такие как: пайкой, клеевое, болтовое и т.д.
На фиг. 13 в двух проекциях показан вариант исполнения рейки прямоугольного сечения с одной зубчатой поверхностью и основой в виде профильной трубы. Рейка состоит из полосы 26, на коей сформированы зубья, и основы в виде профильной трубы 38. При сборке полоса неподвижно соединяется с основой преимущественно сваркой, но могут быть применены и иные способы соединения, такие как: пайкой, клеевое, болтовое и т.д.
На фиг. 14 показан вариант рейки с прямыми зубьями.
На фиг. 15 показан вариант рейки с косыми зубьями.
На фиг. 16 показан вариант рейки с арочными зубьями.
На фиг. 17 показан вариант рейки с шевронными зубьями.
Устройство работает следующим образом.
ЛРПШГН в варианте с двумя МЭП устанавливается непосредственно на устье скважины на фланец устьевой арматуры и крепится при помощи опоры 3. Опора 3 предназначена для установки корпуса 4 на фланец устьевой арматуры скважины и служит дном масляной ванны 14 для смазки рейки 8 и приводных шестерен 9, 13. На корпусе 4 установлен корпус двойной передачи шестерня-рейка 16. На корпусе двойной передачи шестерня-рейка установлены: первый редуктор 7 с электродвигателем 6, приводящий во вращение шестерню 9, а также второй редуктор 12 с вторым электродвигателем 11, приводящий во вращение шестерню 13. Электродвигатели 6 и 11, соединенные с реечным механизмом через редукторы, соответственно, 7 и 12 и шестерни, соответственно, 9 и 13, вращаясь попеременно в разных направлениях, двигают зубчатую рейку 8 вверх и вниз для приведения в движение устьевого штока 5. Во время каждого хода рейка смазывается погружением в масло, налитое в масляную ванну 14, сформированную в корпусе 4. Устьевой шток 5 проходит через канал внутри рейки 8 и поддерживается сверху подшипниковой опорой 10 над центром устья скважины. Устьевой шток односторонне фиксирован вдоль оси, и способен подниматься относительно рейки в случае прихвата штока или насоса в скважине.
Демпфер 15 предназначен для опоры рейки в нижнем положении при остановках и ремонтах, и для предотвращении выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования.
Все прочие варианты ЛРПШГН, показанные на фиг. 4-7 устроены и работают аналогично и отличаются только количеством и расположением МЭП. Различия хорошо видны на поименованных чертежах.