ПРИВОД ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА
DOWNHOLE ROD PUMP DRIVE

Предлагаемое устройство относится к области нефтедобычи.
Привод ШГН (штангового глубинного скважинного насоса) или станок-качалка применяется для механизированного способа добычи нефти установками ШГН, который является самым распространенным способом эксплуатации скважин, как в России, так и в других нефтедобывающих странах мира.
Известно устройство - станок-качалка (СК), который представляет собой преобразующий кривошипно-шатунный механизм с трансмиссией и двигателем, смонтированными на раме. Станок-качалка - это индивидуальный наземный механический привод через колонну штанг передающий возвратно-поступательное движение плунжеру ШГН (1. Бухаленко Е.И. и др. Нефтепромысловое оборудование: Справочник /Под ред. Е.И.Бухаленко. - М.: Недра, 1990. - 559 с.2. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 510 с).
Известно, что станки-качалки могут быть балансирные и безбалансирные. Безбалансирные станки-качалки, в которых возвратно-поступательное движение штанг осуществляется с помощью цепи или канатов, перекинутых через шкивы-звездочки, укрепленные на наклонной к устью скважины пирамиде-опоре. Канатная подвеска (или цепь) прикрепляется к штангам, а другим концом - к кривошипу редуктора. Безбалансирные станки-качалки уравновешиваются с помощью противовесов, укрепляемых на кривошипе. Однако они не нашли широкого распространения. Разработаны гидравлические качалки, состоящие из длинного цилиндра и движущегося в нем поршня, соединенного непосредственно с колонной штанг. Цилиндр устанавливается вертикально над устьем скважины. Возвратно-поступательное движение поршня и штанг достигается путем переключения золотниковым устройством потока жидкости, нагнетаемой силовым насосом. Однако длинноходные цилиндры и поршни сложно изготовить (2. с.388).
Балансирный станок-качалка имеет кривошипно-шатунный механизм, состоящий из балансира, установленного на стойке, шатунов, кривошипов, и обеспечивает преобразование вращательного движения кривошипов в возвратно-поступательное движение головки балансира. Балансир на переднем плече имеет головку, к которой через канатную подвеску закрепляется колонна штанг. Заднее плечо посредством траверсы, через опору траверсы двумя шатунами соединено с кривошипами, на которых закреплены противовесы - контргрузы. Кривошипы закреплены на тихоходном валу редуктора. Для уменьшения инерционных нагрузок на балансир, возникающих при неравномерном движении контргруза, необходимо уравновешивание. Уравновешивание станка-качалки можно обеспечить размещением необходимого контргруза либо на заднем плече балансира, либо на кривошипе. В соответствии с этим различают балансирное (как правило, для СК малой грузоподъемности), кривошипное (для СК большой грузоподъемности) и комбинированное уравновешивание (2. с.391). Существуют балансирные СК с гидропневматическим и пневматическим уравновешиванием, они сложнее в изготовлении, дороже и, несмотря на некоторое уменьшение габаритных размеров, более металлоемки. Трансмиссия станка-качалки состоит из редуктора и клиноременной передачи. Для привода применяют, как правило, электродвигатель, возможно использование двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является привод ШГН - балансирный станок-качалка (1. с.54, рис.2.2; 2. с.386, рис. Х.9).
Известно, что такой привод ШГН (балансирный станок-качалка) состоит из рамы, на которой смонтирована стойка с балансиром и его опорой, поворотная головка переднего конца балансира канатной подвеской соединяется с колонной штанг насоса. Задний конец балансира через траверсу и шатуны соединен с кривошипами, оснащенными противовесами. Кривошипы получают привод от редуктора, который клиноременной передачей связан с электродвигателем. Такое устройство хорошо работает при добыче нефти установками штангового скважинного насоса.
Однако применяемые в настоящее время приводы ШГН (балансирные станки-качалки) имеют сложное устройство, большие габариты и массу, требуют значительные затраты на монтаж и эксплуатацию. Например, масса станков-качалок типа СК может достигать почти 35 тонн, а габаритные размеры: длина - 13,2 м, ширина - 3,1 м, высота - 11,5 м (2. с.387, таблица Х.5) для СК15-6-12500, где 15 - грузоподъемность станка-качалки в тоннах, 6 - максимальный ход в метрах и 12500 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кгс·м (2. с.385). Высота - 11,5 м почти в два раза больше хода - 6 м. Габариты и масса СК увеличены из-за того, что ось балансира расположена на значительном расстоянии от центра скважины. Монтаж станка-качалки начинается с подготовки и планировки площадки и рытья котлована под фундамент, который состоит из двух частей: подземной и наземной. Фундаменты могут быть монолитными (бутобетонными или железобетонными), сборными железобетонными и металлическими. Большие проблемы возникают из-за неуравновешенности работы устройства при подъеме и спуске колонны штанг, вызывающие колебания внутрицикловой нагрузки на двигатель, что приводит к необходимости повышения его мощности и затрат энергии. Клиноременная передача ограничивает эксплуатационные возможности СК, так как имеет небольшой диапазон передаточных чисел (отношение передаточного числа низшей передачи к высшей), невысокую долговечность, необходимость систематической регулировки натяжения ремней. Эксплуатационные характеристики каждой модели СК ограничены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение состоит в снижении затрат на изготовление и эксплуатацию привода ШГН (станка-качалки), расширение эксплуатационных характеристик за счет упрощения и совершенствования его конструкции, приводящей к существенному снижению его габаритов и массы.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что 1) привод ШГН содержит раму, противовесы, двигатель, при этом в верхней части рамы установлены направляющие опоры вращения синхронизирующего колеса, которое имеет внутренний зубчатый полувенец, поочередно зацепленный с одной из двух зубчатых шестерен, закрепленных на валах, установленных в верхних опорах вращения рамы, на валу также закреплен шкив, имеющий гибкую связь с противовесами, две зубчатые шестерни валов взаимосвязаны с двусторонней зубчатой рейкой, соединенной с плунжером колонны штанг ШГН, синхронизирующее колесо имеет зубчатый венец, зацепленный с зубчатой шестерней, закрепленной на валу, который установлен в опорах вращения, расположенных ниже верхних опор вращения, этот вал взаимосвязан с выходным валом коробки передач, входной вал которой взаимосвязан с двигателем.
Кроме того, на валах закреплены несколько рядов шестерен, поочередно зацепленных с внутренними зубчатыми полувенцами синхронизирующих колес, зубчатые венцы этих колес зацеплены с шестернями, свободно установленными на валу с приводом от коробки передач, на валу расположены муфты переключения.
Кроме того, две двусторонние зубчатые рейки с приводами расположены с разных сторон от центра скважины, на осях опор качания установлены противоположно развернутые балансиры, на наконечниках длинных плеч балансиров расположены противовесы, осями с опорами качения соединены: наконечники коротких плеч балансиров с наконечниками нижнего ряда длинных двуплечих звеньев а, несколько наконечников рядов длинных двуплечих звеньев, середины таких звеньев, к осям наконечников верхнего ряда длинных двуплечих звеньев шарнирно закреплены наконечники коротких звеньев, другие наконечники коротких звеньев соединены длинной осью, к которой в середине крепится колонна штанг скважинного насоса.
Предлагаемое техническое решение существенно снижает габариты и массу привода ШГН (станка-качалки) за счет меньшей массы и высоты рамы, замены сложного, громоздкого привода, расположенного на расстоянии от центра на расположенный над центром скважины, перемещение колонны штанг ШГН обеспечивается компактным зубчато-реечным механизмом. Несколько рядов зубчато-реечного зацепления регулируют величину хода и скорость движения плунжера ШГН, а коробка передач обеспечивает возможность изменения эксплуатационных характеристик за счет варьирования скорости движения плунжера ШГН. Телескопический механизм малой металлоемкости позволяет в широких пределах изменять ход насоса за счет применения различного числа звеньев телескопа.
На фиг.1 приведена одна из возможных компоновок привода ШГН (штангового глубинного скважинного насоса). На фиг.1,а показан вид спереди, а на фиг.1,б - вид сбоку на привод ШГН в поднятом положении плунжера. Над штоком плунжера закреплена двусторонняя зубчатая рейка, она показана в момент выхода правой шестерни из зацепления с зубчатым полувенцом синхронизирующего колеса и изменения направления ее вращения (на шестерне пунктирная стрелка) и входа в зацепление левой шестерни (на шестерне сплошная стрелка) - закончилось перемещение двусторонней зубчатой рейки вверх и начинается движение вниз (стрелка на рейке около левой шестерни).
На фиг.2 приведен фрагмент привода ШГН - зубчато-реечная передача в момент выхода левой шестерни из зацепления с зубчатым полувенцом синхронизирующего колеса и изменения направления ее вращения (на шестерне пунктирная стрелка) и входа в зацепление правой шестерни (на шестерне сплошная стрелка) - закончилось перемещение двусторонней зубчатой рейки вниз и начинается движение вверх (стрелка на рейке около правой шестерни).
На фиг.3,а показана кинематическая схема с переключаемой зубчато-реечной передачей и восьмиступенчатой двухвальной несосной коробкой передач (КП), а на фиг.3,б - таблица и лучевая диаграмма КН. Под схемой КП в кружках приведены обозначения пар шестерен (1-4), эти цифры указаны на лучах диаграммы. Лучевая диаграмма построена в логарифмических координатах от величины передаточных чисел и дает наглядное представление о структуре и работе КП. Чем больше передаточное число, тем положе наклон луча направо (см. лучи 4 справа). Наклон луча налево указывает на ускоряющий режим работы - передаточное число меньше единицы (см. луч 3 слева). Наклон луча каждой пары шестерен постоянный по всей диаграмме. Над верхней шкалой показаны номера передач, над ними в верхней строке таблицы указаны пары шестерен, работающие на этих передачах, а ниже - положения муфт переключения: Л - левое, П - правое.
На фиг.4 приведена схема привода ШГН с телескопическим механизмом, увеличивающим ход штока плунжера. На фиг.4,а показан вид спереди, а на фиг.4,б - вид сбоку при максимально выдвинутом положении штока плунжера ШГН. Две двусторонние зубчатые рейки расположены рядом со штоком плунжера ШГН.
Над устьем скважины 1 (см. фиг.1 и 2) со штоком 2 плунжера ШГН расположена пространственная рама 3 (элементы усиления не показаны). Синхронизирующее колесо 4 установлено в направляющих опорах вращения 5 рамы 3. На колесе 4 нарезаны внутренний зубчатый полувенец 6, а также зубчатый венец 7 (на фиг.1,б и 2 не показан), который может быть как внутренним, так и наружным (см. фиг.3). С внутренним зубчатым полувенцом 6 взаимодействуют две зубчатые шестерни 8, которые зацеплены с двусторонней зубчатой рейкой 9, соединенной со штоком 2 плунжера ШГН. Каждая шестерня 8 закреплена на валу 10, установленном в верхних опорах вращения 11 рамы 3. На валу 10 также закреплен шкив 12 с гибкой связью, например, тросом 13. На конце троса 13 расположены противовесы 14, которые в нижнем положении опускаются на эластичное основание 15. Допускается установка противовесов 14, тросов 13 и шкивов 12 на обоих валах 10. Зубчатая шестерня 16 привода синхронизирующего колеса 4 взаимодействует с зубчатым венцом 7, она закреплена на валу 17, установленном в опорах вращения 18, расположенных на раме 3 ниже опор вращения 11. Двигатель 19, например электродвигатель или ДВС (двигатель внутреннего сгорания) и т.д., через согласующий редуктор 20, например КП (коробку передач), выходной вал КП 21, элементами связи 22, например гибкой связью (ременная, клиноременная, цепная передачи) или зубчатой передачей типа гитары, взаимосвязан с валом 17 привода шестерни 16. Между двигателем 19 и КП 20 допускается установка сцепления. На валах 17 и 21 закреплены шкивы 23 и 24. Валы 17 и 21 могут быть взаимосвязаны непосредственно друг с другом без связи 22. Возможна компоновка, при которой двигатель 19 может быть взаимосвязан непосредственно с валом 17.
КП 20 могут быть различными, как двухвальными (см. фиг.3), так и трехвальными. Можно применить КП по методу свободной установки шестерен на входном 25 и выходном 21 валах, образованные из агрегатов по патентам; 1654038, 1654139, 2162419, 2176640, но без шестерен заднего хода. Каждая пара шестерен удваивает число передач: три пары шестерен обеспечивают четыре передачи, четыре пары шестерен - восемь передач (см. фиг.3) и т.д. Возможна установка КП с двумя сцеплениями, позволяющими переключать передачи практически без разрыва потока мощности. Рассмотренные ранее КП хорошо приспособлены для установки двух сцеплений. Применение КП «автомата» с гидротрансформатором или вариатора существенно улучшит эксплуатационные показатели привода и ШГН за счет обеспечения оптимальной скорости движения плунжера насоса.
На валах 10 может быть закреплено несколько шестерен 8 различного диаметра (см. фиг.3). Один ряд этих шестерен зацеплен с двусторонней зубчатой рейкой 9 (см. фиг.1-3). Шестерни 8 взаимодействуют с внутренними зубчатыми полувенцами 6 синхронизирующих колес 4. Зубчатые венцы 7 колес 4 зацеплены с шестернями 16, свободно установленными на валу 17, соединенном с валом 21. Шестерни 16, синхронизирующие колеса 4 с зубчатыми полувенцами 6 и зубчатыми венцами 7 образуют ряды зубчатых зацеплений, обозначенные I-IY (см. фиг.3). На валу 17 расположены муфты переключения 26 (D) и 27 (Е).
Два телескопических механизма (см. фиг.4), состоящих из длинных двуплечих звеньев 28, соединенных осями опор качания 29 в средней части и осями опор качания 30 в наконечниках, расположены над двумя двусторонними зубчатыми рейками 9. Балансиры 31 установлены на опорах качания 32, закрепленных на раме 3. Они соединены с осями опор качания 29 наконечников нижних длинных двуплечих звеньев 28. На длинных плечах балансиров 31 закреплены противовесы 33. Верхние длинные двуплечи 6 звенья 28 осями опор качания 30 соединены с короткими звеньями 34, которые осями опор качания 29 в средней части взаимодействуют с длинной осью 35 коротких звеньев телескопа. К длинной оси 35 закреплен шток 2 плунжера ШГН.
Предлагаемый привод ШГН (штангового глубинного скважинного насоса) работает следующим образом. Шток 2 колонны штанг ШГН крепится к двусторонней зубчатой рейке 9 (см. фиг.1) или к длинной оси 35 коротких звеньев 34 телескопа (см. фиг.4) в т. А над центром устья скважины 1. Крутящий момент от двигателя 19 передается на входной вал 25 КП 20 (см. фиг.3). Шестерни КП 20 трансформируют крутящий момент двигателя 19 и подают его на выходной вал 21. Связь 22, например, гибкая (ременная, клиноременная, цепная передачи) или зубчатая передача типа гитары передает крутящий момент между валами 21 и 17. Вал 17 вращает шестерню 16, которая зацеплена с зубчатым венцом 7 синхронизирующего колеса 4. Синхронизирующее колесо 4 с внутренним зубчатым полувенцом 6, шестернями 8 и двусторонней зубчатой рейкой 9 (см. фиг.2) преобразуют вращательное движение синхронизирующего колеса 4 в возвратно-поступательное движение двусторонней зубчатой рейки 9. Ход плунжера 2 h≥0,5 π D. Например, для перемещения рейки 9 на 2 метра необходимо иметь внутренний зубчатый полувенец 6 такой же длины, при этом диаметр D колеса 4 должен быть не менее 1,3 метра. Зубчатый полувенец 6 синхронизирующего колеса 4 поочередно взаимодействует с двумя зубчатыми шестернями 8, между которыми установлена двусторонняя зубчатая рейка 9. Если зубчатый полувенец 6 вращает правую шестерню 8, то она правым рядом зубчатой рейки 9 поднимает ее и шток колонны штанг плунжера ШГН. В насосе происходит такт наполнения. В это время левая шестерня 8 вращается вхолостую, получая привод от левого ряда рейки 9, но не имеет зацепления с внутренним зубчатым полувенцом 6. При дальнейшем вращении синхронизирующего колеса 4 зубчатый полувенец 6 выходит из зацепления с правой шестерней 8, заканчивается ход двусторонней зубчатой рейки 9 вверх, входит в зацепление с левой шестерней 8, обе шестерни 8 изменяют направление вращения, двусторонняя зубчатая рейка 9 изменяет направление движения - перемещается вниз, в том числе и под действием веса колонны штанг и плунжера 2 ШГН. В насосе такт нагнетания.
Для обеспечения равномерной нагрузки на двигатель 19 вес колонны штанг и плунжера 2 ШГН компенсируется противовесами 14. При движении колонны штанг и плунжера 2 вниз двусторонняя зубчатая рейка 9 приводит в движение шестерню 8, вал 10, шкив 12 и тросом 13 поднимает противовесы 14 (см. фиг.1,б), которые компенсируют вес колонны штанг и плунжера 2 ШГН. При обратном ходе двусторонней зубчатой рейки 9 (вверх) противовесы 14 опускаются и уменьшают нагрузку на двигатель 19.
Скорость движения плунжера насоса можно изменять переключением передач в КП 20. Например, четыре пары шестерен в КП на фиг.3 могут обеспечить восемь передач. Четыре передачи (1, 2, 3 и 6-я) обеспечиваются трехпарными зацеплениями и еще четыре - однопарными зацеплениями. Средние пары шестерен могут поочередно работать в разных направлениях. Две муфты переключения передач А и С трехпозиционные: среднее положение - нейтраль, крайние положения - соединение с шестерней вала. Средняя сдвоенная муфта В двухпозиционная: в правом положении верхняя односторонняя муфта разъединяет шестерни второго и третьего рядов входного вала 25, а нижняя муфта соединяет шестерни этих рядов на выходном валу 21, в левом положении - наоборот, разъединяет шестерни выходного вала 21 и соединяет шестерни входного вала 25.
Первая передача - крутящий момент от входного вала 25 по муфте А в правом положении поступает на первую пару шестерен, далее по блоку шестерен выходного вала 21, по нижней полумуфте В, по третьей паре шестерен вверх, по блоку шестерен входного вала 25, по четвертой паре шестерен вниз и по муфте С на выходной вал 21, далее на вал 17.
Вторая передача - работают первая, вторая и четвертая пары шестерен.
Третья передача - работают вторая, третья и четвертая пары шестерен.
Четвертая передача - работает четвертая пара шестерен.
Пятая передача - работает первая пара шестерен.
Шестая передача - работают первая, вторая и третья пары шестерен.
Седьмая передача - работает вторая пара шестерен.
Восьмая передача - работает третья пара шестерен.
Величину хода двусторонней зубчатой рейки 9 и плунжера 2 ШГН (см. фиг.3) можно регулировать изменением положения муфт переключения 26 (D) и 27 (Е). При перемещении муфты 26 (D) в левое положение крутящий момент от вала 17 поступает на I-й ряд зубчатых зацеплений: правую шестерню 16, зубчатый венец 7 синхронизирующего колеса 4, зубчатым полувенцом 6 на одну из шестерен 8, по валу 10, на шестерню 8 III-го ряда и двустороннюю зубчатую рейку 9. При перемещении муфты 26 (D) в правое положение крутящий момент от вала 17 поступает на II-й ряд зубчатых зацеплений - величина хода плунжера 2 увеличивается, а скорость движения уменьшается. III-IY ряды зубчатых зацеплений переключаются муфтой 27 (Е), при этом муфта 26 (D) находится в нейтральном положении.
Для существенного увеличения хода плунжера 2 можно применить два телескопических механизма (см. фиг.4). Две двусторонние зубчатые рейки 9 взаимодействуют с осями 29 опор качания середины длинных двуплечих звеньев 28, расположенными над балансирами 31 телескопа. Величина перемещения рейки 9 умножается на число секций телескопа - четыре секции на фиг.4. Если ход реек 9 составит 2 м, то т. А на длинной оси 35 коротких звеньев 34 телескопа вместе с плунжером 2 ШГН переместится на 8 м.
Кинематика коротких плеч балансиров 31, двуплечих звеньев 28 и коротких звеньев 34 телескопа, соединенных осями с опорами качания 29 и 30, обеспечивает вертикальное перемещение т. А и колонны штанг скважинного насоса. Устойчивость телескопической системы обеспечивается как правильной кинематикой перемещений, так и ограничением хода каждой секции звеньев телескопа, а также возможным контактом противовесов 33 с опорной поверхностью в крайнем положении. Противовесы 33, расположенные на длинных плечах балансиров 31, частично уравновешивают вес колонны штанг скважинного насоса. Уравновешивание может быть достигнуто как изменением массы противовесов 33, так и изменением величины длинного плеча балансиров 31, например перемещением противовеса 33 по резьбе балансира 31 (на фиг.4 не показана).
При использовании автоматической системы управления КП передачи будут переключаться в зависимости от нагрузки на длинной оси 35 верхних коротких звеньев 34, обеспечивая практически постоянную нагрузку на двигатель 19.
Целесообразно применение электромашины постоянного тока, обладающей хорошими тягово-скоростными характеристиками. Она обратима - может работать и как двигатель, и как генератор. При такте опускания колонны штанг ШГН возможна регенерация энергии за счет работы электромашины в режиме генератора и накоплении этой энергии в аккумуляторной или конденсаторной батарее. Допускается использование гибридной силовой установки, аналогичной применяемым на современных автомобилях.
Обозначения:
1 - устье скважины;
2 - шток плунжера ШГН;
3 - пространственная рама;
4 - синхронизирующее колесо;
5 - направляющие опоры вращения колеса 4;
6 - внутренний зубчатый полувенец колеса 4;
7 - зубчатый венец колеса 4;
8 - зубчатая шестерня, взаимодействующая с зубчатым полувенцом 6 колеса 4;
9 - двусторонняя зубчатая рейка;
10 - вал шестерни 8;
11 - верхние опоры вращения валов 10 в раме 3;
12 - шкив вала 8;
13 - гибкая связь, например, трос;
14 - противовесы;
15 - эластичное основание противовесов 14;
16 - зубчатая шестерня привода синхронизирующего колеса 4;
17 - вал шестерни 16;
18 - опоры вращения вала 17;
19 - двигатель (электродвигатель, ДВС - двигатель внутреннего сгорания и т.д.);
20 - согласующий редуктор, например, КП (коробка передач);
21 - выходной вал с шестернями КП 20;
22 - связь между валами 17 и 21, например гибкая (ременная, клиноременная, цепная передачи) или зубчатой передачей типа гитары;
23 - шкив вала 17;
24 - шкив выходного вала 21;
25 - входной вал с шестернями КП 20;
26 - муфта переключения зубчатых зацеплений I-II (D);
27 - муфта переключения зубчатых зацеплений III-IY (Е);
28 - длинные двуплечие звенья телескопа;
29 - оси опор качания середины длинных двуплечих звеньев 28 телескопа;
30 - оси опор качания наконечников длинных двуплечих звеньев 28 телескопа;
31 - балансиры;
32 - оси опор качания балансиров 31;
33 - противовесы балансиров 31;
34 - короткие звенья телескопа;
35 - длинная ось коротких звеньев телескопа.