СТАНОК-КАЧАЛКА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Полезная модель относится к технологии механизированной добычи нефти, в частности к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.
К настоящему времени наибольшее распространение в качестве установок привода штанговых глубинных насосов (ШГН) получили балансирные станки-качалки (С-К). Данный тип привода имеет значительные преимущества, такие как высокие надежность и долговечность.
Типичная конструкция С-К содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока. Балансир установлен на основании с рамой. Правая часть балансира с противовесами, траверсой и шатунами, отсоединенными от кривошипов, всегда тяжелее левой части балансира с его головкой и канатной подвеской колонны штанг насоса. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и компенсирует нагрузку со стороны левой части балансира [SU 1333838]. Типичными недостатками практически любого С-К являются
1. Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки.
2. Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом станка-качалки.
3. Высокая стоимость замены С-К или его узлов вследствие большой массы.
4. Наличие большого числа открытых движущихся механизмов, снижающих безопасность обслуживания.
Следует отметить, что конструкция С-К продолжает совершенствоваться, избавляясь от части перечисленных выше недостатков. В частности, это достигается путем выполнения привода ШГН в виде подвижного контргруза, размещаемого на балансире с возможностью возвратно-поступательного перемещения по всей его длине, при этом контргруз снабжен автономным электроприводом. Примерами таких С-К являются конструкции, описанные в патенте на изобретение SU 1267045, а также в патенте на полезную модель CN 202117637, в первом из которых привод включает канатную систему перемещения контргруза, а во втором - привод выполнен в виде электрического линейного двигателя.
Наряду с балансирными С-К, последние 25 лет интенсивно развивается новое направление, определяемое как безбалансирные привода ШГН, значительным конструктивным разнообразием. Однако, технология добычи нефти с применением ШГН и оборудование для этого в виде станков-качалок являются в настоящее время наиболее востребованными. Так, в мировой практике в добыче жидких углеводородов станки-качалки составляют 90% парка имеющегося оборудования аналогичного назначения.
Стремление к снижению различного рода затрат на оборудование по добыче нефти привели к созданию конструкции С-К, которая обслуживает две рядом расположенные скважины.
В RU 2205978 описано такое устройство, которое содержит корпус 1 (нумерация позиций взята из описания патента), электродвигатель 2, редуктор 3, механизм преобразования вращательного движения ведомого вала редуктора 3 в возвратно-поступательное движение шатуна, выполненный в виде ведущей звездочки 4, смонтированной на ведомом валу редуктора, ведомой звездочки 5, установленной на корпусе 1 с возможностью вращения на ее геометрической оси и взаимодействия с ведущей звездочкой 4 с помощью пластинчатой цепи 6, надетой на эти звездочки, шатун 7, шарнирно установленный одной стороной на пластинчатой цепи 6 с помощью пальца 8, а другой стороной - на нижнем конце балансира 9, установленного на корпусе 1 вертикально с возможностью колебательного движения в вертикальной плоскости и взаимодействия с 2-мя ШГН с помощью неподвижной радиальной головки 10, подвижной радиальной головки 11, подвески 12, штанги 13, опущенной в устье скважины 14, шкива 15, откидной головки 16, стойки 17, подвески 18, штанги 19, взаимодействующей со скважиной 20, шкива 21, откидной головки 22 и стойки 23.
Описанное устройство работает следующим образом.
При включении в работу электродвигателя 2 вращательное движение передается на редуктор 3 и ведущую звездочку 4. Цепная передача преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное перемещение шатуна 7. Последний взаимодействует с балансиром 9, сообщая ему колебательное движение в вертикальной плоскости. В момент поворота сдвоенных радиальных головок 10 и 11 в левую сторону, штанга 13 ШГН скважины 14 будет опускаться вниз, а штанга 19 будет подниматься вверх, извлекая нефть из скважины 19. Таким образом, добыча нефти на одной С-К повышается в два раза и значительно сокращается расход электроэнергии, расход на ремонт и техническое обслуживание технологического оборудования.
Основным недостатком описанного устройства является конструкционная сложность механизма преобразования вращательного движения в колебательное, включающего замкнутую пластинчатую цепь, связанную через шатун с колебательной системой, несущей сдвоенные головки, шарнирно закрепленные на отдельной стойке. Сложность конструкции устройства влечет за собой увеличение производственных затрат, а также снижение надежности работы С-К.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрана конструкция С-К, описанная в RU 2191924. Станок-качалка с двумя балансирами содержит раму, электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Балансир выполнен с возможностью взаимодействия с двумя штангами насосных установок при помощи двух откидных головок, устанавливаемых на концах продольной балки. Устройство снабжено вторым балансиром, связанным с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Одна из откидных головок первого балансира выполнена с возможностью взаимодействия с головкой второго балансира при помощи двух тросов, каждый из которых жестко закреплен одним концом на головке второго балансира, а вторым концом - на головке первого балансира, но на противоположных сторонах головок.
Несмотря на то, что прототип имеет определенные преимущества в сравнении с аналогом, он имеет и значительный недостаток - сложность конструкции. Суть в том, что в качестве механизма преобразования использовано схематическое решение традиционного С-К, т.е. механизм преобразования есть ни что иное, как собственно станок-качалка, содержащий все присущие ему, без изъятия, родовые признаки, в частности, фундамент, стойка для балансира, собственно балансир с головкой, электродвигатель, редуктор и, наконец, шатунно-кривошипный механизм, шарнирно связанный с балансиром. Как следствие, конструкция С-К прототипа обладает высокой металлоемкостью, сложностью монтажно-технических, эксплуатационных и ремонтных работ, т.е. интегрально характеризуется низкими экономическими параметрами, основным из которых является низкая производительность, даже несмотря на возможность С-К обслуживать одновременно две скважины.
Таким образом, задачей полезной модели является повышение производительности С-К.
Поставленная задача решается за счет того, что в станке-качалке для добычи нефти, включающем балансирную балку, смонтированную с помощью шарнира на опорной стойке и снабженную на своих обоих концах головками, обеспечивающими возможность обслуживания, по меньшей мере, двух ШГН, и кинематически связанную с приводом, содержащим электродвигатель, редуктор и механизм преобразования вращательного движения в колебательное, балансирная балка снабжена на каждом из своих концов поперечной балкой, на концах которой, в свою очередь, смонтированы пара головок. Решению поставленной задачи способствует и то, что части поперечной балки, расположенные по обе стороны от места соединения с балансирной балкой, выполнены телескопическими, при этом на подвижных фрагментах этой балки смонтированы с возможностью возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы.
Технический результат состоит в повышении производительности С-К за счет его возможности одновременного обслуживания четырех скважин.
На прилагаемом к описанию полезной модели чертеже (фиг. 1) дано схематическое изображение конструкции предлагаемого С-К без подвижных частей на поперечных балках, а на фиг. 2 - вид по стрелке А на поперечную балку, снабженную подвижными частями.
Станок-качалка содержит опорную стойку 1 выполненную в виде сваи, забитой в грунт, на оголовке которой установлен съемный стакан 2, связанный своим днищем посредством фланца с опорой 3, снабженной горизонтальной осью 4 шарнира связи с балансирной балкой 5. На боковой поверхности стакана 2, ортогонально расположенной к балке 5, закреплена консоль 6, на горизонтальной площадке которой смонтирован привод 7 качания балки 5. Привод 7 представлен кинематически и последовательно связанными между собой электродвигателем 8, редуктором 9 и механизмом преобразования вращательного движения электродвигателя в колебательное движение балансира. Последний выполнен в виде зубчатого механизма, шестерня 10 которого закреплена на выходном валу редуктора 9, взаимодействующая с фрагментом колеса 11 в виде сектора и неподвижно установленная на балке 5, при этом геометрическая ось колеса совмещена с соответствующей осью шарнира связи балки 5 и стойки 1. Другими словами, наружные поверхности колеса 11 и оси шарнира 4 являются эквидистантными или, иначе, описываются радиусами из общего центра О. Помимо эвольвентного зацепления в механизме преобразования может быть использовано цевочное зацепление с вращающимися цевками. Далее на обоих концах балки 5 закреплены поперечные балки 12, на концах которых, равноудаленных от места соединения с балкой 5, смонтированы головки 13, связанные посредством канатов 14 со штоками ШГН, помещенных в соответствующие скважины (на чертеже не показаны). Таким образом, один С-К обслуживает одновременно четыре скважины. Каждая из поперечных балок 12 выполнена из двух частей, телескопически связанных друг с другом, т.е. установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения. На каждой из подвижных частей 15 смонтированы с возможность возвратно-поступательного перемещения регулировочные грузы 16. Концы частей 15 несут головки 13, которые с помощью канатов 14 связаны со штоками ШГН.
Конструкция С-К дает возможность осуществить его производство в виде отдельных сборочных единиц, легко транспортируемых и собираемых на месте его размещения. Среди таких единиц можно указать на опору 3 с шарниром 4, балансирную балку 5, поперечные балки 12, подвижные части 15, несущие регулировочные грузы 16 и головки 13, консоль 13 со смонтированным на ней приводом 7 и стакан 2.
Полезная модель реализуется следующим образом.
После сооружения четырех соседних скважин, расположенных по углам прямоугольника, длина сторон которого определяется расстояниями между головками 13, и размещения в них подвижных частей ШГН осуществляют на пересечении диагоналей этого прямоугольника забивку бетонной сваи 1, которая может быть заменена трубой диаметром не менее 0,5 метра. Сборка С-К выполняется на месте расположения скважин, при этом он может быть собран на земле полностью и водружен на сваю 1 путем надевания стакана 2 на последнюю с помощью подъемно-транспортных средств с последующей фиксацией последнего с помощью зажимных болтов. Соединение головок 13 канатами 14 с полированными штоками ШГН производят при горизонтальном положении балансирной балки 6, задавая длину соединительных канатов 10 приблизительно равной величине хода всех ШГН, что определяется по месту. Точное соответствие расстояния между соседними головками 13 расстоянию между продольными осями соответствующих скважин задается перемещением подвижных частей 15, фиксируемых в заданном положении зажимными болтами. Создание оптимальных условий для работы привода (снижение нагрузки) достигается путем перемещения регулировочных грузов 16 с последующей их фиксацией на частях 15 в процессе подготовительных работ перед запуском рабочего режима С-К. Исходным расположением шестерни 10, колеса 11 механизма преобразования, а также оси шарнира 4 перед началом работы является расположение их геометрических осей в общей вертикальной плоскости.
Работа С-К осуществляется реверсивным вращением шестерни 10, взаимодействующей с колесом 11, в соответствии с программой управления работой электродвигателя 8, что обеспечивает колебательное движение балансирной балки 5, а, значит, и возвратно-поступательное движение подвижных частей ШГН и, как результат, циклическое извлечение из недр нефти, которая через накопители отправляется по трубопроводам (на чертеже не показано) в емкости для сбора.